一段炉烧嘴改造小结及日常运行维护建议

王爱民，王 瑞，林美玲，廖晓兵

（中石油塔里木油田分公司塔西南炼油化工厂，新疆 泽普 844804）

1 概 述

中石油塔里木油田分公司塔西南炼油化工厂200kt／a合成氨装置采用美国Kellogg公司的低能耗、加压催化转化工艺，装置于1999年7月16日开工建设，2001年10月竣工并一次试车成功，2005年合成氨装置产量达标（达设计产能600t／d）。

一段炉（101-B）是1台燃气转化炉，含辐射段和对流段。350℃的混合气体和蒸汽流经101-B对流一段混合气预热盘管预热至621℃后，混合气离开盘管，流至辐射段顶部，在此等分进入3根平行支管，3根支管把气流分配到装有2种尺寸镍转化催化剂的156根转化管（亦称催化剂管，每根管子底部有1个多孔催化剂支撑板，催化剂就放在催化剂板上）；转化管共有3排，每一排分东、西各有26根，每一根转化管下端连接1根水平的集气总管，共有3根集气总管；每根转化管装有0.0593m3的催化剂，156根转化管共装填9.25m3的催化剂。

3根集气总管的气流汇集到1根位于中部的上升管中，使气流向上返回通过辐射炉膛到一段炉出口气输气管线（107-D）。输气管线采用耐火材料衬里并带水夹套，连接一段炉与二段炉（103-D）。每根集气总管都设有1个用于开车的双截止导淋阀。

转化反应所需的热量由72个燃料气烧嘴提供，这些烧嘴位于管排的两侧，每排18个烧嘴，共4排。转化炉顶烧嘴有2种：管排之间的每个烧嘴放热能力为4.625GJ／h；考虑到炉墙的辐射热，外烧嘴设计要小一些，炉墙与外管排之间的每个烧嘴放热能力为3.006GJ／h。炉顶烧嘴火焰向下，转化管出口转化气温度为813℃、设计压力为3534kPa。

一段炉烧嘴由美国UOPCallidus公司生产，型号为LE-CSG-2PDF，烧嘴总热负荷228GJ／h。2014年9月大检修期间，我们对全部烧嘴进行了更换，将其更换为新型烧嘴——CH-G-F3.85／CH-G-F2.51型超低NOX排放扁平火焰燃气烧嘴。旧烧嘴及新烧嘴状貌见图1。

图1 旧烧嘴及新烧嘴状貌

2 旧烧嘴的运行状况

更换前，旧烧嘴使用中逐渐出现以下主要问题：①一段炉烧嘴前压力上涨近40kPa，达200 kPa，接近燃料气压力高高联锁值（250kPa）；②一段炉烧嘴燃烧火焰呈黄红色，混浊不通透，炉膛内可见明显的火焰舔管现象；③部分炉管表面温度超过设计温度925℃，最高达965℃。

正常生产过程中，操作人员调节一段炉整体温差最好的成绩为15℃左右，并需要现场操作人员在一段炉顶操作3h左右；同时，经过长周期使用后，一段炉炉膛内经常发生火焰舔管和回烧的现象，一般采取的处理方法是将其烧嘴阀门关闭，但这样做显然对炉管也不利，同时每一个烧嘴阀门开度不一致也会造成受热不均匀，对设备损伤很大，造成一段炉烧嘴维护维修费用较高，而且烧嘴安装和拆卸比较费劲，工作量也较大。简言之，旧烧嘴笨重、体积大、安装和拆卸较困难，且每一个烧嘴阀门开度都不一样。

3 改造缘由

鉴于旧烧嘴使用中存在的诸多问题，加之由于客观条件发生改变——我厂从2014年开始采用和田河天然气加弛放气作为燃料气，燃料气的组分发生了显著变化（见表1、表2），燃料气低位热值只有40527kJ／kg。

表1 燃料天然气组分对比分析表

表2 弛放气组分对比分析表

由表1可以看出，与设计值以及柯克亚天然气相比，和田河天然气中可燃性气体组分明显偏低，其中乙烷含量不及柯克亚天然气的16%，而氮气和二氧化碳等不可燃组分含量显著增加，尤其是二氧化碳含量更是较柯克亚天然气增加了近14倍；和田河天然气密度也比柯克亚天然气低近25%，低位热值则降低了近17%。而由表2可以看出，弛放气组分基本上与设计条件相同。因此，在同样的一段炉负荷条件下，燃料气的消耗量势必大大增加，燃料气与助燃空气在喷嘴中流动、预混、助燃的工况必然与使用柯克亚天然气时有所不同。

而从实际运行情况来看，合成氨装置全部使用和田河天然气后，实际工况下燃气和田河天然气的流量为12391.4m3／h（据烧嘴总负荷和弛放气流量设计值3546kg／h计算需要配入的燃料天然气流量，得到设计工况下燃料柯克亚天然气的流量为11607m3／h）；同时，在配入和田河天然气后，一段炉烧嘴前压力上涨，最高达200 kPa，较之前上涨近40kPa，燃料气单耗较之前年度增加40m3／h，而本合成氨装置采用和田河天然气是今后的必然趋势。另外，从一段炉烧嘴燃烧状况看，火焰较长，炉膛内可见明显的火焰舔管现象，炉膛燃烧状况较乱，炉管表面超温，增加助燃空气量后，燃烧状况无明显改善，炉管表面超温现象仍然存在（2014年4月2—3日，委托乌石化监测中心对我厂一段转化炉的炉管及外壁进行了2次红外检测，从检测情况来看，炉管整体温度较上次检测上升10～20℃，最高达965℃，已超过设计值925℃），严重威胁一段炉炉管的安全运行。

因此，若一段炉继续使用LE-CSG-2PDF型烧嘴，必然会导致炉管长期处于高温状态中，形成事故隐患。为解决燃料气单耗上升、一段炉安全隐患增大的问题，经过与国内同类厂家交流及市场调研，综合考虑我厂生产工艺要求和系统运行状况，最终选用了CH-G-F3.85／CH-G-F2.51型超低NOX排放扁平火焰燃气烧嘴及配套烧嘴砖来提高一段炉的燃烧效率，避免燃烧效果差而导致转化管表面温度高，并降低燃料气消耗。于是，决定更换全部烧嘴和烧嘴砖，新烧嘴砖的外形尺寸与原烧嘴砖外形尺寸一样，这样可保证安装工作量最小，并于2014年9月大检修期间实施了烧嘴更换工作。

4 新烧嘴的运行状况及优化调整

4.1 采用新烧嘴后一段炉温差的调整

新型超低NOX排放扁平火焰燃气烧嘴型号为CH-G-F3.85／CH-G-F2.51，所运用的低NOX燃烧技术采用分级二次配风的形式补充足量的空气，使烧嘴的燃烧状况得到明显改善，一段炉整体温差有效降低。生产过程中，一段炉温差调整的具体步骤如下：①在氨合成塔生产正常后，将弛放气全部投入到一段炉中，吩咐现场操作人员将一段炉72个烧嘴的阀门逐渐全开；②观察一段炉的燃烧情况，确认一段炉内燃烧状况良好的情况下，对4个大风门进行调整，观察一会儿一段炉各点温度的变化情况，然后用各个烧嘴中的小风门进行炉内温差调整，即根据烧嘴东西方向风门开关来进行调整；③对于同一平面的温差，哪点温度高，就将东西方向的烧嘴风门进行微调，温度高就将风门开一些，观察一段时间，再进行进一步的调整。按照上述方法逐步对一段炉温差进行调整后，使一段炉整体温差控制在10℃以下。

4.2 新烧嘴的运行状况

（1）烧嘴燃烧状况的对比：火焰形状规整、稳定、刚性好、整体明亮，尾部无黑烟，根部呈蓝色，解决了因燃料气组分变化导致烧嘴燃烧状况不好、烧嘴火焰舔炉管、炉膛燃烧状况差等问题，炉管表面温度降到880℃以下。

（2）烧嘴压力的对比：一段炉总管压力由178kPa左右降至164kPa左右，解决了因燃料气组分变化导致烧嘴前压力高的问题。

（3）一段炉整体温差的对比：一段炉在生产正常（弛放气投用）后，能够将全部烧嘴阀门全开，避免了炉管受热不均匀的问题，并通过每一个烧嘴的小风门调节一段炉的温差，使一段炉整体温差由约15℃降至10℃以下，有利于延长转化催化剂的使用寿命。

（4）NOX减排效果的对比：新型烧嘴所运用的低NOX燃烧技术采用分级二次配风的形式补充足量的空气，可以有效地协调燃料气和助燃空气流量，增强预混效果，有助于改善燃烧条件，燃料气利用率显著提高，产生的烟气中NOX含量明显降低。

（5）检修工作量和操作性的对比：旧烧嘴笨重、体积大、安装和拆卸困难，检修工作量大，操作难度和强度大；改造后的烧嘴轻巧，便于安装和更换，调节简单且操作灵活，操作调整难度及强度明显下降。

（6）经济效益的对比：经测算，采用新型烧嘴可使燃料气消耗量下降4%，以装置每年满负荷运行330d计算，年可节约用气超过950t，节能效益达105万元，再加上节约的检维修费用等，年可节约生产成本139.3万元。

4.3 新烧嘴的进一步优化

2015年4月复工检修对一段炉催化剂进行更换的同时，发现一段炉72个烧嘴当中有很少一部分烧嘴发生了火焰舔火盆（耐火砖）的现象。为避免新烧嘴发生火焰舔火盆的现象，同时也为了延长耐火砖的使用寿命，特采取以下措施：①一段炉烧嘴全部卸下，进行全面检查及清理；②将一段炉烧嘴盖板往上提升1cm，使得火盆不被火焰舔；③一段炉烧嘴装好后，全面进行试漏，确保不发生泄漏。

一段炉烧嘴盖板提升1cm后，一段炉烧嘴喷出的火焰往深的方向延伸，避免了火焰舔火盆现象的发生，延长了耐火砖的使用寿命，无形中降低了生产成本。

5 日常运行维护建议

（1）一段炉烧嘴全部投用后，尽量全开烧嘴阀门，用风门（大、小风门）进行温差调整。

（2）生产运行中每一个阶段均需进行弹簧吊架刻度的检查和记录，并与以往的记录进行比对，发现问题及时查找原因并予以处理。

（3）生产运行中每一个阶段都要联系相关部门进行一段炉红外温度监测（检测炉管温度的一种方法）等，了解一段炉炉管的运行情况，判断一段炉烧嘴的燃烧状况以便进行相应的调整；多注意燃料气组分及弛放气气量的变化，发现异常及时汇报并进行相应调整，确保一段炉炉管正常运行。

（4）一段炉开停车过程中注意控制升降温速率，并确保事故状态下不发生超温现象。

（5）按时进行原料气和燃料气分离罐排冷凝液工作。

（6）任何时候需把握一个原则，水碳比不能低，只要开车条件满足就投用水碳比联锁，以防水碳比低而造成一段炉炉管及催化剂损坏等。

一段炉的正常运行得益于运行和停运期间检修人员的良好维护，更得益于操作人员的精心操作与维护。谨以以上浅见与大家分享，期望能为同行提供一点参考和借鉴。