（化学工程专业论文）布朗流程合成氨装置一段炉存在问题的研究及对策.pdf

四川人学埘l 学位论文 y6 8 8 6 1 6 布朗流程合成氨装置一段炉存在问题 的研究及对策 化学工程专业 研究生：王勇明指导老师：夏代宽教授姚晓明教授级高工 一段炉的作用是将原料气蒸汽转化为含h 2 工艺气，对于大型合成氨装 置，一段炉投资额占整个装置的3 0 ，而且是影响整个系统是否“安、稳、 长、超、优”的关键设备之一，因此，不管是从投资，还是对整个生产过程 重要性来说，一段炉的作用都是举足轻重的。 建峰化肥厂合成氨装置设计能力为日产】0 0 0 吨液氨，采用节能型美国布 朗工艺，一段炉为法国f o s t e ew h e e l e r 公司提供的梯台型炉。本文首 先介绍了布朗合成氨工艺流程，并重点介绍合成氨装置一段炉的工艺、设各 结构特点，也介绍了该厂投产1 2 年来，一段炉曾经出现的各类事故以及事故 原因分析、处理措施等。 本文论述了建峰化肥厂一段炉目前的现状及存在的问题，集中表现为一 段炉对流段底部温度高并且分布不均、转化管表面温度高及分布不均、一段 炉总热效率低、难以适应超负荷运行等；利用相关软件( 主要是布朗流程合 成氨工艺计算软件) ，进行了物料、热量等理论计算，在计算的结果基础上， 较全面对一段炉存在的问题进行了分析研究，从而得出了以下结论，设计工 况与实际工况相差大、从空气压缩机燃气轮机来的乏气进入一段炉辐射段及 对流段量分配不合理、一段炉辐射段热损失大、引风机能力不足等是主要原 因，针对分析出来的具体原因，提出了相应的解决措施：选用优质高效的材 料更换一段炉耐火材料，来降低热损失；在废气管线上增设粉尘过滤器以及 定期对一段炉转化管进行刷管来降低转化管表面温度：通过优化工艺操作来 aj | 。誊0 ， 叫川入学硕0 学位论文 降低对流段底部温度，选择适宜的一段炉催化剂类型及采用科学装填使转化 管表面温度分布均匀；在一段炉过渡段增设导流板使对流段底部温度分布均 匀：在一段炉前增设预转化炉可以在安全稳定的情况下提高负荷1 0 。 在本文的最后，针对一段炉平时运行过程中的正常维护，提出了一些针 对性建议。 关键词：布朗一段炉问题分析措施 1 1 些业点兰堡生兰篁堡皇 一一一 s t u d y a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e s o u p r o b l e m e x i s t i n g i np r i m a r yr e f o r m e ro f b r a u np r o c e s sa m m o n i a p l a n t m a j o r ：c h e m i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：w a n gy o n g m i n g a d v i s e r ：x i ad a i k u a n ( p r o f e s s o r )y a ox i a o m i n g ( s e n i o re n g i n e e r ) t h ep r i m a r yr e f o r m e ri su s e dt or e f o r mm a t e r i a lg a ss t e a mi n t op r o c e s sg a s ( h 2i n c l u d e d ) a st ol a r g ea m m o n i ap l a n t ，t h ec a p i t a lo fp r i m a r y r e f o r m e ri s3 0 o ft o t a li n v e s t m e n t i ti sa l s ot h ek e ye q u i p m e n tt h a th a sa ne f f e c to no p e r a t i o no f t h ew h o l es y s t e mw i t h s a f e t y , s t a b i l i t y a n d s u p p e ro p e r a t i o n l o a di n g o o d c o n d i t i o n si nal o n gt e r m ，t h e r e f o r e ，t h ep r i m a r yr e f o r m e rp l a y sa l li m p o r t a n tr o l e o ne i t h e ri n v e s t m e n to rt h ew h o l em a n u f a c t u r e p r o g r a m j i a n f e n gc h e m i c a la m m o n i a p l a n ti sd e s i g n e dw i t hc a p a b i l i t yo u t p u t1 0 0 0 t l i q u i da m m o n i ap e rd a y , a d o p t e da m e r i c a ne n e r g y s a v e dt y p eb r a u nt e c h n o l o g y a n dt h ep r i m a r yr e f o r m e ri st h el a d l ea n ds t a gt y p eo n es u p p l i e db yf r e n c hf o s t e e w h e e l e rc o t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h eb r a u na m m o n i at e c h n o l o g yp r o c e s sa t f i r s t ，e m p h a s e so n t h ep r i m a r yr e f o r m e rp r o c e s sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ff r a m e w o r k s o f e q u i p m e n t ，a n da l s oi n t r o d u c e st h ef a i l t u r e sw h i c h h a v ee v e rh a p p e n e di nt h e p r i m a r y r e f o r m e rs i n c et h ef a c t o r yp u ti n t os t r e a m1 2y e a r sa g oa n dt h er e a s o n so f t h e 硒l u r e sa n dc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e se t c t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ec o n d i t i o na tp r e s e n ta n dt h ep r o b l e me x i s t i n gi n p r i m a r y r e f o r m e ri n j i a n f e n g c h e m i c a lp l a n t t h e p r o b l e m f o c u so nt h e t e m p e r a t u r eo f b o t t o mc o n v e c t i o np a r to f p r i m a r yr e f o r m e ra n dt h er e f o r m e rp i p e s u r f a c ei sh i g ha n dn o td i s t r i b u t e de v e n l y , a n dt h et o t a lh e a te f f i c i e n ti ss ol o wt h a t 1 1 1 些型查兰堡! ：兰些堡兰 一 i ti sn o tc o m p a t i b l ef o rs u p p e ro p e r a t i o nl o a do p e r a t i o n ，e t c m a k i n gu s eo f t h e r e l e v a n ts o f i w a r e ( m a i nb r a u n p r o c e s sa m m o n i at e c h n o l o g yc a l c u l a t i o ns o f t w a r e ) t oc a r r yo u tt h e o r yc a l c u l a t i o no ft h eq u a n t i t yo fm a t e r i a l sa n dq u a n t i t yo fh e a t ，o n t h eb a s i so ft h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h ea u t h o ra n a l y z et h ep r o b l e me x i s t i n gi n p r i m a r yr e f o r m e r , a n dd r a wac o n c l u s i o nt h a t t h ed e s i g n a t i o ni sv e r yd i f f e r e n t f r o mt h ea c t u a l s t a t u s ；i t i sd i s t r i b u t e d u n r e a s o n a b l y t h a tt h e g a s f r o ma i r c o m p r e s s o rt u r b i n ee n t e r e st h er a d i a t i o np a r ta n dc o n v e c t i o np a r t ；t h eh e a tl o s si s l a r g ei nr a d i a t i o np a r to ft h ep r i m a r yr e f o r m e r ；a n dt h ea b i l i t yo fa t t r a c t i o na i r m a c h i n ei sn o ts u f f i c i e n ta n ds oo n a c c o r d i n gt ot h e s ed e t a i l so f a n a l y s i s ，t h e c o r r e s p o n d i n g m e a s u r e sa r eg i v e n o u t ：r e p l a c i n gt h ef i r e p r o o f m a t e r i a l si np r i m a r y r e f o r m e rw i t hh i g l lq u a l i t ya n dh i g he f f i c i e n to n e st or e d u c et h eh e a tl o s s ；s e t t i n g u pad u s tf i l t e ro nw a s t eg a sp i p e l i n ea n db r u s h i n gt h ep i p e l i n ea tr e g u l a ri n t e r v a l s t og e tt h es u r f a c et e m p e r a t u r eo fr e f o r m e rd o w n ；o p t i m i z i n g p r o c e s so p e r a t i o nt o g e tt h eb o t t o mt e m p e r a t u r eo fc o n v e c t i o np a r td o w n ；c h o o s i n gs u i t a b l ec a t a l y s t t y p ea n ds c i e n t i f i cf i l l i n gm e t h o dt om a k et h es u r f a c et e m p e r a t u r eo fr e f o r m e r p i p ed i s t r i b u t ee v e n l y ；a d d i n gag u i d e dp l a t ei nt r a n s i t i o ns e c t i o nt om a k et h e b o t t o m t e m p e r a t u r e o fc o n v e c t i o n p a r t d i s t r i b u t e e v e n l y ；a n da d d i n g a p r e - r e f o r m e rb e f o r et h ep r i m a r yr e f o r m e r ，w h i c hc a ni n c r e a s e10 o p e r a t i o nl o a d i ns a f ea n ds t a b l ec o n d i t i o n s a tt h ee n do ft h i sa r t i c l e ，s o m er e l e v a n ts u g g e s t i o n sa r ea d v a n c e df o rt h e n o r m a lm a i n t e n a n c eo f t h e p r i m a r yr e f o r m e rd u r i n gd a i l yo p e r a t i o n k e y w o r d s ：b r a u n p r i m a r y r e f o r m e rp r o b l e m a n a l y s e s m e a s u r e s p t l 川大学坝士学位论文 1 概述 建峰化工总厂化肥厂合成氨装置设计能力为日产1 0 0 0 n 屯液氨，采用节能 型美国布朗深冷净化工艺，二氧化碳脱除采用u o p 提供的苯菲尔脱碳工艺， 本装置主工艺流程总体分为原料气压缩、脱硫、一段转化、工艺空气压缩、 二段转化、高低温一氧化碳变换、二氧化碳脱除、甲烷化、分子筛干燥、深 冷净化、合成气压缩、氨合成和冷冻分离；显著的特点是：温和的一段转 化，减少了天然气的消耗：二段炉加入过量5 0 空气，增加二段转化的负荷：脱 碳采用二吸一生，四级喷射，一级压缩：深冷净化氢氮气，使进入合成气压缩 机为较纯净的3 ：1 氢氮气：采用燃气透平，把燃气轮机出口温度为5 3 8 、含 氧量为1 4 一1 7 的乏气进入一段炉，提高热效率：采用三个绝热式合成塔，回 收热量，产生高压蒸汽。一段转化炉为法国f o s t e ew h e e l e r 公司提供的 梯台型炉( 示意图见图1 1 ) 。 烟气去烟囱 图卜i 一段转化炉工艺流程图 口 心川人学颂j 学位论文 1 1 合成氨装置工艺流程叙述 1 1 1 原料气压缩机和脱硫 由界区外天然气末站来的原料天然气经粉尘过滤器( f 1 8 a b ) 除尘和分 离器( v 4 ) 除水后，除少部分作为一段炉( h 1 ) 燃烧天然气外，其余大部分 进入原料气压缩机( c 4 ) ，经一段压缩和冷却分离后，抽出一部分作为燃气透 平燃料气，其余气体最终压缩为9 6 ，3 6 7 m p a 。 经原料气压缩机( c 4 ) 压缩后的原料气，与后端氨吸收塔( e 4 8 ) 返回的 富氢气混合，使混合气中含氢为3 9 9 ( m 0 1 ，以下均为m 0 1 ) ，然后经一段 炉对流段加热到3 7 0 后，通过钴钼加氢器( v 5 ) 把原料气中的有机硫转化 为h ：s ，然后经两个串联的氧化锌脱硫槽( v 6 a b ) 将原料气的硫化物脱除， 使最终出口原料气中总硫含量小于0 1 5 r a g ，。 1 1 2 一段转化 脱硫后的原料气与工艺蒸汽混合为水碳比为2 7 的混合原料气，经高温 变换炉出口气原料气换热器( e i o ) 预热到4 1 5 0 ，并经一段炉对流段进一 步加热到5 9 9 ，然后进入辐射段的装有镍催化剂的8 8 根转化管，在这里原 料气和蒸汽在镍催化剂的催化下发生吸热转化反应，生成碳氧化合物和氢的 混合物，出转化管的气体含残余c h 。为2 9 5 6 ( 干基) ，温度6 9 4 。c 、压力3 o m p a 去二段炉( r 1 ) 顶部。 一段炉为f o s t e rw h e e l e r 公司提供的梯台型炉，辐射段内有一排转化管， 在转化管排列两侧炉壁上( 沿炉管轴线方向) 各对称地分布上下两排烧嘴， 每排2 2 个( 共8 8 个) 烧嘴，每个烧嘴有两个独立的气体分布器，一个用于 燃烧天然气，一个用于燃烧废气，其中天然气分布器设计最高允许提供炉子 正常热负荷的7 5 ，但不推荐在这样高的比率下操作，正常情况下天然气分 布器仅提供炉子正常热负荷的4 7 ，废气分布器提供5 3 。正常运行中由燃气 透平( c b t l ) 排出的5 3 8 c 的部分乏气作为烧嘴的燃烧空气，其余乏气送入 对流段底部以回收热量。在c g t l 停运时由环境中冷空气作燃烧空气。 对流段在辐射段的顶部，对流段内有高压蒸汽、混合原料气、空气、原 料气及锅炉给水等七组盘管( 其中高压蒸汽盘管有三组) 以回收烟气中的热 阴川大学砸l 学位论立 量，出对流段的烟气温度为1 6 8 。c ，由位于对流段顶部的两引风机( c 6 a b ) 抽出排入大气。 1 13 二段转化 在二段炉( r 1 ) 的上部，工艺空气是按比传统流程过量5 0 的量加入的 ( 传统流程是按照合成气中h ：n ：比为3 的标准加空气的) 。工艺空气中的氧 与一段炉出口气中的氢在r 1 内上部空间发生燃烧反应，放出大量的热量，保 证工艺气中残余c k 在r l 内镍催化剂表面继续发生天然气蒸汽转化反应，最 终出r l 的气体含残余c 也约为1 6 5 ( 干基) ，温度8 6 9 、压力2 9 6 m p a 。 二段炉出口气体经高压废热锅炉( e 8 ) 冷却为4 7 9 c ，同时副产1 2 5 m d a 的高压蒸汽，然后工艺气经高压蒸汽过热器( e 9 ) 冷却至3 8 8 进入高温变 换炉( r 2 ) 。 1 1 4 一氧化碳变换 二段炉出口气体的冷却至3 8 8 的工艺气进入高温变换催化荆床层( r 2 ) 在此，一氧化碳与蒸汽反应，生成二氧化碳和氢，在高温变换炉中，大约6 5 的 一氧化碳被变换高变炉出口气体残余一氧化碳为3 5 ( 于基) 、温度4 4 3 、 压力2 9 1 m p a ，经换热器( e 1 0 ) 及锅炉给水预热器( e 1 1 ) 被冷却到2 0 4 ，然后 进入低温变换炉( r 3 ) 中，剩余的一氧化碳有8 9 变换为二氧化碳，低温变换炉 出口气体残余一氧化碳0 3 8 ，富含二氧化碳1 7 1 7 ( 干基) ，温度2 3 l 、匿 力2 8 1 m p a 进入二氧化碳脱除工序。 1 1 5 二氧化碳脱除 低温变换炉出口气体经苯菲尔冷凝液再沸器( e 1 2 ) 冷却至1 5 7 。c ，同时副 产0 3 1 m p a 的蒸汽作为溶液闪蒸喷射器( j 2 a b c d ) 的动力蒸汽。然后工艺 气经苯菲尔溶液再沸器( e 1 3 ) 冷却至1 3 8 5 c ，再经锅炉给水预热器( e 1 4 ) 冷却至1 0 4 ，最终在分离器( v 8 ) 中分离出冷凝水，冷凝水被送到工艺冷 凝液汽提塔进行汽提处理后回收。工艺气进入二氧化碳吸收塔( t 1 ) ，在此被 苯菲尔溶液洗涤。离开二氧化碳吸收塔顶的气体所含二氧化碳量小于8 0 0 p p m ( 干基) ，此气体通过除雾器和分离器( v 9 ) ，除去气体中的微量苯菲尔溶液 婴坐查兰塑：! 兰垡堡苎 后送入甲烷化工序。 1 1 6 甲烷化 由二氧化碳吸收塔顶出来的气体与甲烷化炉出1 2 1 气体换热( e 2 7 ) ，被预 热到3 1 6 。c 。如果需要也可在甲烷化炉开工加热器e 2 8 中有1 2 5 m p a 的饱和 蒸汽加热，气体进入甲烷化炉( r 4 ) ，在镍催化剂上气体中的碳氧化合物与氢 反应，生成甲烷和水。甲烷化炉出口气体中残留的碳氧化合物小于l o p p m ( 干 基) 。 1 1 7 分子筛干燥 为分子筛干燥作准备，甲烷化炉出口气体首先在换热器( e 2 7 ) 中与甲烷 化炉入口气体换热被冷却到1 0 6 ，然后被水冷却( e 3 0 ) 到3 7 c ，然后同后 端氨吸收塔返回的部分气体一道被氨冷( e 3 1 ) 到4 4 ，然后通过分离器 ( v 1 7 ) 分离出冷却水，再进入装有固体干燥剂的分子筛干燥器( v 1 8 a b ) ， 分离器( v 1 7 ) 中的冷凝水用泵( p 1 0 ) 送入吸收塔入口分离器( v 8 ) ，然后再 送往工艺冷凝液汽提塔。 分子筛干燥器能力按2 4 h 一个在线运行周期除去气体中的氨、残余二氧 化碳和水分来设计的，干燥器设计加热再生时间6 7 h ，废气吹冷时间3 3 h ， 静置备用时间1 2 h ，期间泄压、充压、切换共耗时2 h ( 但实际运行中却达不 到设计要求，实际加热再生时间约1 2 h ，废气吹冷时间7 h ，工艺气吹冷3 h ， 期间泄压、充压、切换共耗2 h ，无静置备用时间) 。 干燥器的再生和冷却，采用来自净化装置的干燥废气进行。加热在分子 筛再生加热器( e 3 5 ) 中进行，用3 6 m p a 蒸汽。 1 1 8 深冷净化 干燥器出口气体在深冷净化器中与净化后的合成气及净化器废气换热 ( e 3 2 ) ，自身被冷却到- 1 2 9 。c ，然后气体通过透平膨胀机( x 1 ) ，被取出的能 量即为净化器所需的致冷量。膨胀机出口气体经换热( e 3 3 ) 被进一步冷却到 一1 7 5 ( 2 ，然后进入净化器精馏塔( t 7 ) 底部，在这里。来自二段炉的过量氮， 来自二段炉和甲烷化炉的甲烷，6 0 9 6 以上的氩因冷凝被分离下来形成液体，运 4 四川火学碗1 二学位论义 行中可通过调节膨胀机的致冷量来控制精馏塔的液位。来自精馏塔底的液体 在节流调节阀a v l 0 2 的控制下在精馏塔顶冷凝器( e 3 4 ) 的壳侧闪蒸致冷，使 自精馏塔底上到( e 3 4 ) 管侧的工艺气组分发生冷凝回流，从而使( e 3 4 ) 出 口工艺气组分发生改变，在实际操作中是根据净化器出口管线上的氢分析仪 a c l 0 2 的设定值适当调节节流阀a v l 0 2 的开度来控制净化器出口合成气的氢 氮比的。来自精馏塔顶部冷凝器顶部的净化后的合成气与净化器进口原料气 换热，被加热( e 3 3 和e 3 2 ) 到2 2 后送入合成气压缩机入口。离开精馏塔 底冷凝器的部分闪蒸的液休，通过与净化器进口原料气换热( e 3 3 和e 3 2 ) 被 重新加热汽化到z 2 然后作为净化器废气离开净化器，部分废气被用来再 生分子筛干燥器。然后一起送到一段炉废气烧嘴作燃料。 1 1 9 合成气压缩 已净化的合成气经合成气压缩机( c 2 ) 三段压缩到大约1 4 6 m p a ，然后同合 成系统冷段返回的循环气一起进入压缩机的循环段进一步压缩至1 5 8 m p a ， 然后经合成塔进出口换热器( e 4 0 刖b ) 预热后送入合成塔。合成气压缩机的 控制是维持吸入压力。在减负荷操作时，把冷循环气返回到三段入口，以防 压缩机喘振。 1 1 1 0 氨合成 氮是在三台串联的固定合成塔( r 5 、r 6 、r 7 ) 中产生的，每两台合成塔 间有冷却器。每台合成塔都装有铁催化剂。合成气压缩机送来的原料气和循 环气在合成塔进出口换热器( e 4 0 a j b ) 中从7 1 加热到3 0 5 ，然后在第一 合成塔进出口换热器( e 4 1 ) 中加热到3 8 0 进入第合成塔( r 5 ) 。进第一 合成塔的原料气中含有大约3 5 所氨。第一合成塔出口气体氨含量为 1 1 6 7 ，温度5 1 2 c ，通过进出口换热器( e 4 1 ) 和高压蒸汽过热器( e 5 3 ) ， 被冷却到3 9 2 。c 进入第二合成塔( r 6 ) 。第二合成塔出口气体含氨量约为 1 6 8 4 ，温度4 6 7 ，通过废热锅炉( e 4 2 ) 被冷却到3 8 8 进入第三合成塔 ( r 7 ) 。第三合成塔出口气体含氨量约为2 1 0 2 ，温度4 3 7 ，通过废热锅炉 ( e 4 3 ) 被冷却到3 4 1 ，然后经合成塔进出口换热器( e 4 0 a b ) ，水冷器( e 4 4 ) ， 冷交换器( e 4 7 ) 及二级氨冷( e 4 5 和e 4 6 ) 被冷却到4 4 。c ，然后进入第一 5 u q 川1 人学坝_ ：学位论义 分离器( v 1 9 ) 。当合成塔出口气温度降至约5 0 。c 时氨便开始冷凝，最终产品 液氨在第一分离器( v 1 9 ) 中被分离下来，液氨又进入减压罐( v 2 0 ) 中减压 到大约3 6 m p a ，再进入氨受槽( v 2 5 ) 中进一步减压到1 6 m p a 。第一分离器 ( v 1 9 ) 出口的循环气体经冷交换器( e 4 7 ) 冷却合成塔出口气体，此后返回 到合成气压缩机循环段入口。 1 1 1 1 冷冻 合成塔出口气流中的氨通过两级氨冷而被冷却下来“，第二氨冷器( e 4 6 ) 与甲烷化出口氨冷器( e 3 1 ) 的闪蒸气氨进入冰机( c 3 ) 的低压缸入口，第二 氨冷器( e 4 5 ) 的闪蒸气氨进入高压缸入口，通过透平带动压缩机做功，提供 氨冷器所需的闪蒸压力。气氨压缩的最终压力大约为1 6 m p a ，然后在用水冷 却的氨冷凝器( e 5 4 ) 中被冷凝，送到氨受槽( v 2 5 ) 的热氨区。 在氨受槽中有少量不凝气通过氨受槽的填料层，被减压罐( v 2 0 ) 来的4 氨洗涤，然后不凝气通过个排放气冷凝器( e 5 5 ) 被- 2 5 c 的气氨冷却， 冷凝下的液氨回流入氨受槽，剩下的气体排入废气总管作燃烧气。 氨受槽的冷液氨用作第一、二氨冷器( e 4 5 e 4 6 ) 及甲烷化出口氨冷器 ( e 3 1 ) 的冷冻介质。 1 1 1 2 氯产品 产品氨由氨受槽( v 2 5 ) 的热氨区抽出，经氨产品泵( p 1 2 a b ) 送到尿素 装置。当尿素装置停车或减负荷生产时，多余液氨被送到两台容量各2 5 0 0 吨的球罐( 2 0 0 t k 0 1 a b ) 。当合成装置减负荷运行或停车时，可通过液氢泵 ( 2 0 0 p 0 1 a b ) 将氨球液氨送往尿素装置，维持尿素装置的正常运行。 1 2 一段炉设备结构简介 一段炉主要由辐射段，对流段组成，包括过渡段。 1 2 1 辐射段 辐射段主要由炉体、炉管、混合原料气分配体系、燃烧体系、出口集气 6 凹川人学确士学位论文 管、输气总管及平衡吊挂几部分组成。 炉管在辐射段内纵向排成一排，共有8 8 根。分别由进1 2 1 猪尾管与混合 原料气总管( 上集气管) 相连，混合原料气均匀分配至每一根炉管。 炉管顶部用水泥墩子作为平衡配重块，以平衡炉管的荷载。 出口集气管通过8 8 根猪尾管与炉管相连，经内衬耐火材料的输气总管 将工艺气送入二段炉。 输气总管由承压壳体、耐火衬里组成，表面涂刷了热敏油漆以监护其工 作状况。 在转化管排列两侧炉壁上各对称地分布上下两排烧嘴，每排2 2 个( 共 8 8 个) ，每个烧嘴有两个独立的气体分布器，一个用于燃烧天然气，一个用 于燃烧废气( 主要是冷箱返回废气) ，正常情况下，天然气分布器提供炉子正 常热负荷的4 7 ，废气分布器提供5 3 ，正常运行中由燃气透平排出的5 3 8 大部分乏气作为烧嘴的燃烧空气，其余乏气送入对流段底部以回收热量， 也达到降低对流段底部温度的目的。 炉体为钢结构内衬隔热材料，不但承受整个炉子的荷载，也通过铺设在 炉壁上的耐火材料将热量反射到炉管上，达到满足转化反应需要热量的目的。 1 2 2 对流段 从辐射段出来的高温烟气，通过设置在辐射段顶部的对流段内的七组盘 管回收热量，用于加热盘管内的介质。 按气流方向，从下向上各组盘管依次是：下层高压蒸汽盘管，混合原料 气盘管，高压蒸汽盘管，工艺空气盘管，上层蒸汽过热盘管，原料气预热盘管 及锅炉给水预热盘管。 各组盘管有三个中间支撑板，支撑板由浇注耐热不锈钢制作成隔板形 式，两侧与对流段型钢立柱相连，以承受盘管荷载，防止盘管变形或移位。 对流段底部与辐射段的烟道为过渡段，过渡段底板上开有l o 个长方形 孔，部分燃气透平来的乏气从底板上的孔进入对流段底的过渡段，以调节进 入对流段入口烟气为8 3 6 。 p q 川大学硕士学位论文 表1 1盘管、炉管主要机械性能 f 部蒸汽过混台原料工艺空气预上层蒸汽原料天然气鹃炉给水预 项目转化管 热盘管气预热 孰 预热预热热 设计压力 3 6 21 3 53 6 43 5 41 3 54 021 5 5 ( m p 小 管壁晟高设 8 1 56 0 06 8 05 9 5 4 9 54 7 13 7 0 计温度( ) a s t m 材质a 9 7 g r h p a s t ma 3 1 2 g ra s t ma s t ma s t ma s t m a 3 35 - p 1 1t p 3 0 4a 3 3 5 g 忭 2 2a 3 3 5 p 1 1a 2 3 5 g r p i la 1 0 6 g l c n 6 1 3 一段炉结构特点 1 3 1 炉体 炉体的排列方式由下至上依次为：辐射段、过渡段、对流段，对流段顶 上安置了两台引风机。这种布置方式，结构紧凑，减少了占地面积，也减轻 了引风机的负荷，但同时也给炉体框架增加了负载，并且给对流段的检修带 来了不便。 两侧墙体有1 0 。的倾斜角，烧嘴箱与其呈垂直安装，火焰受烧嘴砖引导 竖直向上，在斜墙的作用下均匀地辐射到转化管上，由于炉墙的倾斜作用， 单一台阶内，墙体与转化管之间的距离和与烧嘴的距离成反比。也就是说， 离烧嘴箱越商，炉墙与炉管的距离就越近。这种结构，使炉膛内的温度分布 趋于均匀，转化管的受热状况也趋于合理，避免了顶烧式炉的转化管周向温 度均匀而轴向温度不均匀和侧烧式炉的周向温度不够均匀( 炉管使用一段时 间后，迎火面比背火面伸长量大，出现弯曲) ，以及它们共同的弱点：烧嘴在 不正常状态下工作时，火焰易舔转化管。 烧嘴箱以上2 1 0 6 m m 范围内是砌筑的轻质耐火砖，再往上是陶纤。与顶烧 和侧烧式炉型相比，这种结构既可减轻炉体重量，又可避免辐射段顶部因耐 火砖损坏而引起炉顶超温的事故。 过渡段有1 0 个1 5 0 0 r a m x 4 8 0 r a m 的乏气口均匀地分布在过渡段底部，使 辐射段来的烟气与l o o c g t l 来的乏气能较好地混合，改善了对流段盘管及其 支撑的受热状况。 叫j 1 1 人学坝i 。学位论文 13 2 烧嘴箱 烧嘴箱由a 、b 、c 三种型号的烧嘴砖合成，c 型砖主要用来限制和导向 火焰。每个烧嘴箱内安装了3 个废气烧嘴和2 个燃料气烧嘴。 1 3 3 转化管 转化管也称炉管，规格为内径中1 5 2 4 m m ，外径巾1 7 1 r a m ，密实层厚度 8 2 m m ，管子有效长度1 0 5 9 0 m m ，管中心距2 4 5 m m ，设计流体温度6 9 6 c ， 最 高管壁温度7 7 0 。c ( 计算) ，材质a 2 9 7 h p - n b 离心浇铸管，炉管的特点是：内 径大、管壁薄。内径大，单管流通量大，炉管数量少，投资费用低；管壁薄， 对热传递有利，管壁温度梯度小，热应力减小，抗热疲劳能力增大。炉管的 下部法兰有两个支撑，安装在框架的限位槽中，限位槽仅限制炉管的上下移 动。上部法兰有两个吊耳，吊耳上是一个可调的钢架，每两根炉管为一对， 用滑轮和钢丝绳调节平衡，两对炉管为一组，分别置于可调钢架的两侧，检 修完毕后调节好钢丝绳的松紧程度，挂好配重块，可调钢架便自动使四根炉 管每根都受力平衡，配重块通过杠杆作用来保证每根炉管在任何温度状态下 运行都不至出现弯曲。上猪尾管在辐射段顶外，下猪尾管在炉膛外的密封箱 内，一但某根炉管出现故障，可不停炉检修，只需截断上下猪尾管后便可继 续运行，待系统计划检修时再作处理，对系统损失较小。下法兰在炉体外部， 下法兰上面装的是填充了用耐火泥隔热的触媒筐。暴露在炉体外部的炉管和 法兰部分温度不高，一般不超过1 0 0 ，由于炉管内径大，装填触媒时不易 出现架桥现象，触媒装填快；卸触媒时只需拆下上下法兰，取出触媒筐后触 媒便自动滑出，既省工省时，又不需要抽触媒的装置。 1 3 4 对流段嘲 对流段是按图纸要求分为6 段，在国外生产为半成品运至现场后搭接而 成的。这种安装方式，现场施工速度快，但不利于盘管和对流段耐火砼的检 修。 四川大学硕士学位论文 2 一段炉运行时出现的事故分析及处理 2 1 对流段底部管束支撑板碳化 1 9 9 6 年出现对流段底部管束支撑板碳化且有融化脱落现象，两端耐火墙 脱落，管束变形，翅片烧坏 原因分析：( 1 ) 过渡段的耐火陶纤在使用过程中收缩( 收缩率4 ) ， 与上方对流段的耐火砼之间形成缝隙后火焰窜入，导致管板逐渐过热变形， 耐火砼开始脱落。 ( 2 ) 运行过程中，套管与换热管之间填充的保温陶纤脱落，烟气乘“虚” 而入，窜到管板处( 管板材质为碳钢) ，导致管板逐渐变形，至使耐火砼松动， 然后脱落。 ( 3 ) 开停车过程中，管束的伸长与缩短对两端管板有推拉作用，尽管 管板上安装有套管，可以减少管束在开停车过程中对管板的作用力，但在管 束的重力作用下，只要管束稍有变形，其产生的作用力就足以使管板发生弹 性变形，而耐火砼是脆性材料，不随其发生弹性变形，咀致它 t - - - 者脱离开 来，耐火砼松动。随着开停车次数的增加，耐火砼由松动转化为脱落，管板 过热损坏。 以上三种原因都可能导致耐火砼损坏，而第三种原因损坏的可能性最大 ”3 。由于两端乏气较少，温度在9 0 0 。c 以上，失去耐火砼保护的碳钢管板在高 温下逐渐碳化并融化，继而导致耐火砼进一步脱落，形成恶性循环。 处理情况：( 1 ) 靠近乏气烟道侧修复：取出夹在中间的损坏管板，用6 个1 吨的葫芦，将管束的横排调整为高度基本一致后，用6 = 1 8 m m 的3 1 0 钢 板做成相应高度的“工”型钢，在两边立柱上焊上相应的牛腿来支撑工型钢， 代替原管板的承重作用；牛腿两边加限位，限制工型钢的东西方向移动。将 6 = 3 m m 的3 1 0 钢板裁成与现场管束空间基本一致的形状，一排一排地连同原 管套拼焊成管板形状，并在上面焊上保温钉，固定上保温陶纤，代替原耐火 硷隔热，并保证火焰不窜出对流段。为防止陶纤在运行中脱落，在陶纤外加 不锈钢丝网固定 ( 2 ) 乏气烟道对面侧修复： 将下部第一节的管板及耐火砼全部去除， 1 0 用修复东面的方法调整和固定管束及工型钢，6 - - - - 3 m m 的不锈钢板插在耐火 砼里侧，拼和焊接方式与东面相同，板外加保温陶纤，并用保温钉固定，外 加不锈钢丝网。 2 2 混合原料气盘管爆管 2 0 0 0 年1 2 月2 6 日发生混合原料气盘管北侧第二组爆管。 原因分析：( 1 )自原始开车以来，辐射段热效率一直偏低，造成对流段 底部烟气温度长期偏高，使混合原料气盘管长期在温度偏离的环境下工作， 材质提前劣化，进而爆管。 ( 2 ) 设计存在一定缺陷，对流段底部乏气分布不均，使得对流段底部南北 温度分布不均，导致对流段底部盘管受热不均，局部承受温度过高，东面温 度高于西面，北面温度明显高于南面，最大温差超过了1 0 0 0 c ，爆管位置正好 在高温区。 处理情况：现场采用材料2 5 2 06 = l s m m 中= 1 5 0 m m 的堵板堵第二组盘管 的进出口的方法修复。 2 3 转化管上分布管三通前的弯头内侧焊缝破裂 2 3 1 第一次 2 0 0 1 年4 月2 3 日，上分布管三通前的弯头内侧焊缝破裂，裂纹分布在 焊缝的上下两侧熔合线上，上面一条裂纹长约1 3 0 啪，下面一条裂纹长约 2 2 0 m m ，拆保温后发现三通处的平面移动限位早被挤掉，从限位焊痕察看，上 分布管向南、向西各有5 5 咖左右的位移。 测厚结果表明，弯头壁厚基本均匀( 弯头材料a 4 0 3w p 3 0 4直径中 4 0 6 4 m壁厚1 6 m m ，实测壁厚最大1 6 5 r a m最小1 5 ，7 m m ) ，无冲蚀 减薄现象，最薄处在内侧焊缝中间段，也就是在裂纹的上下边缘。 原因分析：开车初期，开停车频繁；开停车速度有过快现象；触媒使用 一段时间后活性降低，为了保证工艺气出口的甲烷含量不超标，就得提高炉 膛的烟气温度，炉管壁温随之升高，致使炉管伸长量超标，上分布管的位移 型型墨兰竖! ：兰些鲨兰 一 加大，系统设计的限位自然阻碍着上分布管的自由伸长，当系统变形量超过 设计值时，跨接管系统就增加了很多附加应力值，这些应力值在高温的作用 下，加快了薄弱部位的破坏速度，根据应力最小定律，壁厚1 5 7 m m 处首先被 破坏( 根据实测数据，焊缝中间段为1 5 7 m m ，其余部位大于1 6 r a m ) 。其次， 母材局部可能存在偏析。 考虑到计划在6 月将有一次中修，所以采用的修复方法是：在焊缝两端 钻止裂孔，将裂纹磨下l o m m 深，用1 8 2 e n i c r 一3 焊丝氨弧焊打底，3 0 8 l 焊条 填充，最后再用氩弧焊盖面。 2 3 2 第二次 2 0 0 1 年6 月2 2 日，弯头内侧再次开裂。由于购置的弯头未到货，且计 划的中修时间推迟，所以仍然用第一次修复的方法进行了第二次补焊。但由 于一段炉处于焖炉状态，前端盘管温度有2 0 0 。c 之多，在停止氮气进气后， 蒸汽便从裂纹吹出，经过了一个多小时的工艺处理后强行电焊封口。其余处 理方式与第一次相同。 原因分析：第一次补焊是按两个月后更换弯头组织进行的，缺陷打磨深 度不够，补焊过程中熔合不好，留下了补焊缺陷。 6 月5 日至6 日冷箱吹扫时，废气返回量增多，使得一段炉内h 。含量增 加，烟气温度升高，导致炉管壁温升高，最高的达8 9 0 。c ，其余的比往日高 出3 0 左右，炉管伸长量远超过设计值，使得弯头处变形量增加，热应力加 大。加大的热应力必然在薄弱环节释放，导致第次补焊处再次开裂。 2 3 ，3 第三次 2 0 0 1 年7 月2 0 日，弯头修补部位又一次开裂，由于购回的弯头不合格 ( 最小壁厚1 1 9 m ，直径比原设计大2 0 r a m ，并且内表面形状嘤凸明显) ，不 能更换弯头，采用了在前两次修复方法的基础上，将购回的不合格弯头的相 应部位切下，贴补在补焊焊缝的外部以加强焊缝的牢度，并在补丁上钴了六 个中2 0 m 的塞焊孔，以加大补丁对弯头母材的拉力。 原因分析：第二次处理时缺陷打磨深度不够，且焊接过程中焊接表面不 干净，有夹汽现象，造成焊缝底层焊接质量差，致使弯头焊缝使用不到一个 心川大学坝上学位论文 月再次开裂。 3 目前一段炉存在的主要问题 3 1在满负荷时，一段炉出口工艺气温度达不到设计值6 9 4 c ，一般在 6 6 0 6 8 0 c ，即使在这种状况下，对流段底部温度仍高( 设计为8 3 6 。c ，最高 为9 1 5 。c ) ，且分布不均匀( 见表3 - 1 ) 。 表3 - 1一段炉对流段底部温度分布 i 一段炉工艺气 一段炉对流段底部温度分布( ) i 出口温度( ) lt 】1 0 7t 1 2 3 9t 1 2 3 9 at 1 2 3 9 bt 1 2 4 3 t 1 2 4 4 i 6 8 09 1 09 1 59 1 38 4 68 5 0 注：表中所列温度为多次测得温度的平均值。 3 2 转化管表面温度高，设计正常温度为7 7 0 。c ，最高为8 1 5 c ，可实际一 般在8 0 0 ，最高为8 2 5 。c ，且分布不均匀( 具体数据见表3 2 ) 。 表3 - 2转化管表面温度分布 转化管管号( 编号从乏气烟道t 目t l t e 己占至对面炉墙) 位置 21 02 03 04 05 06 07 08 08 6 上层( )8 2 58 1 78 0 48 1 47 9 87 9 18 1 07 8 68 0 27 9 9 下层( )8 1 08 0 57 9 88 0 37 8 47 8 07 9 77 7 27 9 57 8 6 3 3 转化管入口工艺气温度偏高，设计为5 9 9 ，实际最高达到6 3 0 以上。 3 4 热效率低，设计一段炉总热效率为8 7 4 l ，而实际热效率为8 3 9 5 。 3 5 一段炉设计弹性小，难以适应超负荷运行。 在超负荷运行时，若要保证一段炉出口工艺气残余c h 4 含量在一个较低 值( 即出口温度在一个较高值) ，只有提高一段炉的热负荷，这势必造成随着 负荷的提高一段炉辐射段( 炉膛) 及对流段底部温度就相应的增加，在满负 荷状态，一段炉对流段底部温度已经超过设计值，温度的提高会造成一段炉 部件或对流段盘管寿命降低甚至损坏。 些型查堂堡! 兰笪堡兰 4 一段炉存在问题分析 4 1 一段炉热量计算