二段爐及一段爐冷集氣管聯(lián)合烘爐

劉　磊，袁明福，彭東明，田　韜

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢　430223)

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二段爐及一段爐冷集氣管聯(lián)合烘爐

劉磊，袁明福，彭東明，田韜

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢430223)

摘要：以越南金甌化肥項(xiàng)目托普索天然氣制合成氨工藝二段爐及一段爐冷集氣管的聯(lián)合離線烘爐為例，研究二段轉(zhuǎn)化爐烘爐技術(shù)，分析烘爐過程中出現(xiàn)的問題，總結(jié)烘爐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：二段轉(zhuǎn)化爐；冷集氣管；聯(lián)合烘爐；烘爐曲線

二段轉(zhuǎn)化爐烘爐是天然氣制合成氨裝置開車過程中的一項(xiàng)重要工作。在天然氣制合成氨裝置中，二段轉(zhuǎn)化爐通常是和一段轉(zhuǎn)化爐一起在線烘爐，將二段爐與一段爐分開進(jìn)行離線烘爐在金甌化肥項(xiàng)目中進(jìn)行了嘗試。此次烘爐范圍包括二段轉(zhuǎn)化爐、廢熱鍋爐及一段爐冷集氣管3臺(tái)焊接設(shè)備。二段爐的3層Calderys公司耐火襯里為現(xiàn)場(chǎng)澆注，澆筑后自然養(yǎng)護(hù)2個(gè)月，投用之前須進(jìn)行烘干處理；廢熱鍋爐的耐火襯里出廠時(shí)已烘干；冷集氣管的耐火襯里在英國(guó)摩根公司僅200°C預(yù)烘，到現(xiàn)場(chǎng)粘接，為進(jìn)一步除去留于襯里內(nèi)的物理水與化學(xué)水，投用前還要烘干處理。二段轉(zhuǎn)化爐襯里需通過熱煙氣進(jìn)行干燥，2011年8月，我們委托美國(guó)HotWork公司對(duì)二段爐及冷集氣管采取聯(lián)合離線烘爐。

1二段轉(zhuǎn)化爐生產(chǎn)工藝

二段轉(zhuǎn)化爐在合成氨工藝中的作用是在1 200 ℃的高溫下，把一段爐殘余的甲烷進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，以獲得盡可能低的惰性氣體 (CH4) ，是合成氨生產(chǎn)中溫度最高的催化反應(yīng)。其主要的化學(xué)反應(yīng)包括以下兩種。

(1)燃燒反應(yīng):

2H2+O2=2H2O (g)ΔH=-484 kJ/mol

(2)甲烷轉(zhuǎn)化和 CO變換反應(yīng):

CH4+H2O=CO+3H2ΔH=206.4 kJ/mol

CO+H2O=CO2+H2ΔH=- 41.2kJ/mol

由于合成氨反應(yīng)需要N2，因此在二段爐頂部加入空氣來燃燒一部分轉(zhuǎn)化氣，為 CH4的轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供熱量，繼續(xù)將殘余的甲烷降到0.6%以下。減少進(jìn)入合成系統(tǒng)的惰性組分量，有利于氨合成的正反應(yīng)，從而提高合成率，同時(shí)也能減少弛放氣的排放量，對(duì)推進(jìn)裝置的低能耗、低物耗起到重要作用。

2二段爐烘爐的必要性

如果烘爐不徹底，施工過程中存留于襯里內(nèi)的物理水與化學(xué)水將難以順利排盡，在裝置開車時(shí)，由于溫升快、溫度高(二段爐加入空氣后就更高)，襯里中剩余的水迅速汽化，產(chǎn)生的水蒸氣壓力高，極易爆發(fā)性逸出，使襯里垮裂，承壓殼體局部暴露，殼體溫度迅速升高，很快超過其所能承受的溫度，也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞，造成不可挽回的損失[1]。因此，高質(zhì)量的烘爐就顯得非常重要，且烘爐難度也極高。

3二段爐澆注料的成分

二段爐的3層耐火澆注料從內(nèi)到外分別使用輕質(zhì)鋁-硅、泡狀純鋁、高鋁低硅剛玉的澆注料，再用鋁酸鹽水泥作結(jié)合劑，與耐火骨料和粉料按一定配比加水?dāng)嚢璩尚筒⒔?jīng)潮濕養(yǎng)護(hù)后而成的。具體成分配比見表1。

表1　二段爐澆注材料成分配比

4烘爐的準(zhǔn)備措施

(1)烘爐燒嘴：HotWork公司提供5個(gè)熱效率為2.5×106kJ/h，噴速為150m/s的烘爐燒嘴，5個(gè)風(fēng)量為2 800 Nm3/h的燒嘴風(fēng)機(jī)及安全電子點(diǎn)火裝置。將1#、2#燒嘴布置在廢鍋人孔，3#、4#布置在集氣管東側(cè)人孔，5#布置在集氣管西側(cè)人孔，燒嘴及測(cè)溫?zé)犭娕季唧w布置見圖1。

圖1　烘爐燒嘴及測(cè)溫點(diǎn)布置注：二段爐分布3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)；廢鍋分布2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)；冷集氣管分布5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)；二段爐殼分布3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)；B1-B5設(shè)置在廢鍋及集氣管人孔

(2)在二段爐、廢鍋、冷集氣管內(nèi)共布置10個(gè)臨時(shí)熱電偶，監(jiān)測(cè)烘爐煙氣溫度。在設(shè)備外殼布置3個(gè)臨時(shí)熱電偶，輔測(cè)設(shè)備表面溫度。按照耐火料廠家要求，將冷集氣管烘爐控制溫度點(diǎn)布置在管的中部(標(biāo)為T10號(hào))，將二段爐烘爐控制溫度點(diǎn)布置在爐膛底部(標(biāo)為T3號(hào))。

(3)由于烘爐期間廢鍋換熱列管無水保護(hù)，在列管前砌了一面由350 mm耐火磚及耐火毯組成的防火墻防止列管干燒。

(4)在冷熱集氣管之間的3個(gè)法蘭安裝3片臨時(shí)盲板，隔離冷熱集氣管，保護(hù)一段爐的轉(zhuǎn)化管和熱集氣管。

(5)由于二段爐3層澆注料含水量大，在二段爐外殼臨時(shí)包裹100 mm的保溫棉，確保在烘爐最高峰600 ℃時(shí)外殼溫度能維持在110 ℃左右，使得最內(nèi)層澆注料水分能被蒸除。

(6)烘爐煙氣主要從二段爐及冷集氣管垂直段頂部排放，在此設(shè)置2個(gè)臨時(shí)排煙煙囪及煙道擋板，可有效控制溫度。

(7)烘爐燃料由50%丙烷、50%丁烷的LPG槽罐車供應(yīng)，通過金屬軟管接到燒嘴裝置，烘爐是連續(xù)作業(yè)，為避免夜間管道施工的探傷作業(yè)，特建立一個(gè)30 m×30 m烘爐隔離區(qū)域及配套消防車保證烘爐安全。

5烘爐

5.1烘爐設(shè)計(jì)曲線

由于這3臺(tái)設(shè)備的耐火澆注材料不同，各家提供的烘爐曲線也不同，在與HotWork公司討論烘爐燒嘴能夠滿足烘爐要求的問題后，我們將一段爐和冷集氣管的2條烘爐曲線合并，2臺(tái)設(shè)備的澆注料在一次烘爐中同時(shí)進(jìn)行。最終得到的各澆注料廠家確認(rèn)的烘爐曲線見圖2。

圖2　烘爐設(shè)計(jì)曲線

紅色直線是二段爐T3號(hào)溫度控制線，藍(lán)色階梯線則為冷集氣管T10號(hào)溫度控制線，二段爐和集氣管的溫度通過5個(gè)烘爐燒嘴分別控制。

5.2烘爐操作

烘爐全過程分5個(gè)階段，共193 h。待烘爐條件檢查確認(rèn)后，氮?dú)庵脫Q燃?xì)夤艿?，開啟燒嘴風(fēng)機(jī)，開燃?xì)忾y，燒嘴點(diǎn)火。先從常溫升至150 ℃，恒溫24 h(除去自由水)，再逐步升溫至600 ℃，恒溫24 h(除去結(jié)晶水)，最后燜爐降溫。

若在烘爐期間，出現(xiàn)燒嘴熄火、風(fēng)機(jī)停運(yùn)或燃料氣中斷等故障，應(yīng)立即關(guān)閉燃料氣閥，停止風(fēng)機(jī)，關(guān)閉煙道擋板，防止烘爐溫度驟降，待查明原因后，再繼續(xù)點(diǎn)火烘爐。在暫停烘爐與繼續(xù)烘爐期間，應(yīng)特別避免爆炸事故及爐膛內(nèi)溫度大幅波動(dòng)。

5.3實(shí)際烘爐曲線

二段爐烘爐實(shí)際曲線見圖3(其中T3測(cè)溫點(diǎn)是烘爐控制點(diǎn))。

圖3　二段爐烘爐實(shí)際曲線

冷集氣管烘爐實(shí)際曲線見圖4(其中T10測(cè)溫點(diǎn)是烘爐控制點(diǎn))。

圖4　冷集氣管烘爐實(shí)際曲線

上圖實(shí)際烘爐曲線可說明以下幾點(diǎn)。

(1)大雨使得燒嘴控制裝置斷電，導(dǎo)致燒嘴3次熄滅，烘爐也隨即中斷，待修復(fù)電力后，立即恢復(fù)烘爐。3次中斷未影響烘爐效果，實(shí)際烘爐操作基本遵照設(shè)計(jì)烘爐曲線進(jìn)行。

(2)由于1#、2#燒嘴在廢鍋人孔處，導(dǎo)致廢鍋內(nèi)T1、T2兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度一直高于二段爐的T3烘爐控制溫度，但廢鍋已經(jīng)過烘干，能夠承受烘烤溫度。

(3)二段爐外殼T13監(jiān)測(cè)顯示，在烘爐最高溫時(shí)，殼體的溫度已經(jīng)升到229 ℃，超過了設(shè)計(jì)溫度200 ℃，立即拆除臨時(shí)保溫棉，降低殼體溫度。T14是實(shí)施中外加輔測(cè)冷集氣管外殼溫度點(diǎn)，實(shí)際烘爐沒有超過冷集氣管的設(shè)計(jì)溫度。

5.4烘爐檢查

烘爐降溫冷卻后，進(jìn)入二段爐、冷集氣管內(nèi)檢查。二段爐耐火襯里無貫穿性裂紋，無>3 mm裂紋，完全符合設(shè)計(jì)規(guī)范和生產(chǎn)要求。冷集氣管雖有部分耐火襯里脫落，主要是由于未裝保穩(wěn)釘，烘爐燒嘴的沖刷不影響日后生產(chǎn)。

6結(jié)語(yǔ)

(1)冷集氣管垂直段的1、2節(jié)連接部位，廠家在制作襯里時(shí)未裝保溫釘，導(dǎo)致烘爐350 ℃時(shí)部分耐火襯里脫落。烘爐結(jié)束后，襯里廠家重新安裝保溫釘，用澆筑料手工澆筑直至和冷集氣管本來襯里平齊，修復(fù)的襯里在開車時(shí)與一段爐一同升溫烘烤。

(2)冷集氣管的內(nèi)徑容積小，無緩沖空間，對(duì)溫度變化敏感，燒嘴設(shè)置在集氣管人孔，沖刷附近襯里表面，使部分襯里表皮脫落，但不影響使用。若遇到空間小的設(shè)備，應(yīng)設(shè)置一個(gè)臨時(shí)燃燒室，通過熱煙氣傳導(dǎo)烘爐。

(3)二段爐底部錐形穹頂在烘爐前已安裝(見圖5)，由于烘爐燒嘴設(shè)置在二段爐下面的廢鍋人孔處，HotWork公司擔(dān)心穹頂磚的風(fēng)孔面積無法保證二段爐烘爐效果。通過計(jì)算得流通面積>1 m2，且剛玉磚是在高溫(1 700 ℃以上)下燒結(jié)成的，穹頂能夠滿足烘爐要求，不需要拆除。

圖5　剛玉磚穹頂

在 2012年8月，裝置投產(chǎn)運(yùn)行約12個(gè)月的時(shí)間，且二段轉(zhuǎn)化爐經(jīng)歷了10余次升溫/降溫的沖擊后，襯里仍然完好如初。目前二段轉(zhuǎn)化爐裝置運(yùn)行良好，完全達(dá)到了裝置安全運(yùn)行的技術(shù)要求，滿足了生產(chǎn)的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李緒華，劉云祿，蔣弟華.純氧燃燒的二段轉(zhuǎn)化爐烘爐總結(jié)[J].瀘天化科技,2007，30(4):319-321.

Joint Dry-out of Secondary Reformer and Primary Reformer Cold Gas Headers

LIU Lei，YUAN Ming-fu，PENG Dong-ming，Tian Tao

(WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

Abstract：Based on joint off-line dry-out practices of secondary reformer and primary reformer cold gas headers of Topsφe’s natural gas to ammonia plant of Ca Mau Fertilizer Project, this paper studies secondary reformer dry-out technology and analyzes the problems arising during dry-out work, as well as summarizes dry-out experience.

Keywords：secondary reformer; cold gas header; joint dry-out; dry-out curve

收稿日期：2015-11-12

中圖分類號(hào)：TQ 054

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-8901(2016)02-0012-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.004 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.004

作者簡(jiǎn)介：劉磊(1984年-)，男，湖北武漢人，2009年畢業(yè)于武漢工程大學(xué)生物化工專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事生產(chǎn)試運(yùn)行管理工作。