合成氨二段炉烘炉设计方案与实施

易志勇

（中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223）

二段炉转化炉是合成氨装置的关键设备之一，是合成氨装置中温度最高的一台设备（直接燃烧的炉子除外），内部反应温度高达 1 300～1 400 ℃。壳体防止超温的方法一般有两种，一种是以KBR 为典型的外部水夹套设计；另一种是以Topsoe 为典型的无水夹套而在外壁涂刷热敏漆的方式，当壳体外壁温达到一定温度，颜色发生改变，说明内部衬里已经失效。但无论采用何种方式，因内部高温高压环境，且直接与工艺介质接触，衬里的质量直接影响设备的安全运行。衬里烘炉作为衬里施工最后一道环节，直接影响衬里最终质量，因此显得尤为关键。本文以我公司实际已执行的某国外合成氨尿素项目的二段炉烘炉为例，详细介绍整个衬里的烘炉方案设计、烘炉过程实施及最终检查并对其中的关键问题进行分析。

1 二段炉内部工艺反应

本项目合成氨装置采用瑞士Casale 专利包工艺。二段炉工艺原理是：从一段炉出来的转化气在上部与工艺空气进行混合燃烧反应，放出大量热量，然后进入镍基催化剂床层进行甲烷转化和CO 变换反应，最终将一段转化气中的残留甲烷含量从13.5%降至0.5%左右, 以减少进入氨合成系统的惰性组分（CH4）含量，有利于氨合成的正反应，降低装置能耗。通过调节加入空气的量控制进入合成反应的H2与N2含量比为3∶1。其内部的基本化学反应为：

2 二段炉衬里设计及烘炉原理

2.1 衬里设计

本项目二段炉的衬里设计由专业耐火材料厂家Calderys 负责设计和供货，主体为双层衬里结构，靠近承压壳体的隔热层及与工艺介质接触的耐火层，与废锅连接段因有内衬筒结构，设计为单层氧化铝空心球衬里结构，底部需砌筑高铝耐火砖拱顶结构，以支撑内部瓷球及催化剂。选用衬里材料信息见表1。

表1 衬里材料信息

2.2 烘炉原理

不定形耐火浇注料在浇筑完成后，一般需在5～35 ℃环境温度下进行至少24 h 的潮湿养护，此阶段水泥与耐火骨料和粉料遇水后发生水化反应，形成常温强度，但内部仍存在较多的游离水和结晶水，如果正式开车前不将大部分水烘干，开车升温速度较快时，大量水蒸气在浇注料内部聚集，压力聚集到一定程度就可能导致衬里开裂，严重时可能发生衬里炸裂脱落。因此，浇注料施工后都需要进行烘炉，一方面是将大部分游离水和结合水脱出，另一方面是使浇注料（特别是耐火层）形成稳定的晶相结构，达到高温强度。

烘炉的方式可采用离线烘炉或者在线烘炉，如果烘炉过程涉及到整个系统或工序装置的运行，设备无法单独隔离，一般采用在线烘炉的方式，直接利用工艺介质或者燃烧烟气进行烘炉。而对于多数设备，都可以将设备隔离进行离线烘炉，开车时可直接按一定温度升温即可，缩短开车时间。对于二段炉，通常都是采用离线烘炉的方式，但烘炉时外部水夹套需要投用，以防止烘炉过程中壳体超温。

3 烘炉方案及准备措施

3.1 烘炉方案

二段炉烘炉布置方案见图1。

（1）烟气入口：高温烟气从二段炉底板人孔通入，燃料采用液化石油气，前端设置汽化器，通过调节燃料消耗和供风量，控制烘炉烟气温度。

（2）烟气出口：从一段炉和二段炉连接的传输管线顶部人孔排出。将于废热锅炉、二段炉顶部、传输管线前端用陶瓷纤维毯封堵。

图1 烘炉布置方案示意图

（3）测温点：分别在烟气入口、与废锅连接处、筒体中段、顶部及烟气出口设置测温点。其中以筒体中段作为烘炉曲线参考温度点。

（4）拱砖砌筑：烘炉前完成基砖（A、B 砖）砌筑，主要起一定隔热作用，防止高温烟气与壳体直接接触，同时也是由于基砖内外侧有镍基护板，烘炉后镍基护板可能发生高温变形，之后基砖无法砌筑。

3.2 烘炉曲线

烘炉曲线由厂家根据浇注料的类型和厚度提供，图2 为厂家推荐烘炉曲线，表2 为升降温计划。

图2 厂家推荐二段炉烘炉曲线图

在烘炉过程中，需注意以下几个关键点：

3.2.1 温度控制

包括两方面的内容：

（1）炉内烟气：严格按烘炉曲线控制升温速率、保证恒温时间。无特殊情况，应连续进行，不得中断。若遇特殊情况烘炉中断，当处于升温阶段时，按50℃/h 重新升温到中断前温度；处于恒温阶段时，按50℃/h 重新升温到中断前温度，同时适当延长此段恒温时间。

表2 烘炉升降温计划

（2）外壳温度：承压壳体外壁温要求不超过130℃，因夹套内部为设计表面热电偶，因此采用观察水夹套壁温的方式监控外壳温度变化。

3.2.2 液位控制

整个烘炉过程夹套内部应充满水且保持溢流状态。烘炉结束关闭烧嘴后，可中断供水，保持液位24 h。

3.2.3 裙座温度

裙座温度需控制在250 ℃以下，为防止裙座内部高温烟气聚集导致超温，在裙座人孔处设置鼓风机，烘炉烟气温度达350 ℃后，保持开启状态。

4 烘炉实施

烘炉具体操作实施由当地专业烘炉厂家Artash公司负责，其负责具体的烘炉操作，炉内烟气温度记录监控，五环负责外部温度和液位巡检及夹套水供应和控制。烘炉前需对燃料管线进行气密性试验，进行烧嘴调试、温度测点和阀门调试。待烘炉条件检查确认后，氮气置换燃气管道，先开风机进行对设备内部进行吹扫，完成后即可烧嘴点火开始升温烘炉。

图3 为二段炉实际烘炉曲线。

关于烘炉过程，说明如下：

（1）烘炉过程基本平稳，T3A 温度点与烘炉曲线设置的温度Target 基本吻合。

（2）在600 ℃恒温阶段，因与废锅连接段陶纤毯及耐火砖隔离墙未固定牢靠，在炉膛正压作用下吹倒。发现后立即关闭烧嘴，临时修复封堵处，中断约45 min 后重新点火并按30 ℃/h 升温到600 ℃，因此从曲线可看出有一段温度突降和突升。但T2A/B 热电偶接线在此时损坏，后续阶段无法记录温度，因此曲线中未予体现。

图3 二段炉实际烘炉曲线图

（3）当炉内温度（T3A 点）降至 247 ℃时，发现烧嘴调至最小负荷时炉内温度已下降很慢，因此决定可以停炉，炉内自然降温。停炉后，从设备自带热电偶的观察，温度下降已经很慢（3～5 ℃/h）。

（4）烘炉过程中每间隔1 h 对裙座、水夹套、顶部大盖的温度进行人工测量。从结果看，裙座温度控制在小于68 ℃。水夹套温度最高达到96 ℃，且顶部蒸汽放空管有白汽冒出，考虑夹套内部温差，认为壳体温度应已达到110 ℃，判断基本上可将最内侧隔热浇注料的游离水排出。顶部大盖最高温度达到100.4 ℃，比预期温度稍低一些，大盖最内层浇注料水分可能未完全烘干，分析原因主要是由于最顶部没有排气口，存在死区，升温受限，但考虑此处实际运行时操作温度较低，残余水分可以在开车运行阶段逐渐排出。

5 烘炉后衬里检查

烘炉完成后与衬里厂家一同对二段炉内部的衬里进行了详细的检查，结果如下：

（1）衬里整体结构基本完好，主体无大于3 mm且深度达衬里厚度一半裂纹，多为微裂纹（见图4），满足专业规范和设计要求。

（2）底部锥段靠近烟气入口处发现衬里表面脱落情况（见图5），主要是高温气流冲刷所致，脱落厚度最大约5 mm，小于衬里厚度的10%（10 mm），满足要求。

图4 烘炉后衬里内部状态图

图5 衬里表面脱落实物图

（3）顶部大盖接管周边衬里开裂脱落（见图6），开裂处正好在椭圆拐角处，分析原因为此处耐火层锚固钉布置不够（见图7），且接管与浇注料之间膨胀间隙不足。最终确定处理措施为：将此部分衬里清除至漏出隔热层锚固钉，再用相同材质焊接延长锚固钉至耐火层，然后重新浇筑至图纸厚度，浇筑前接管外侧缠绕两层3 mm 陶纤纸。

图6 顶部大盖接管周围衬里开裂实物图

图7 顶部大盖锚固钉设计实物图

（4）烘炉后发现部分基砖开裂，疑为基砖内外锥与浇注料之间膨胀间隙不足所致，但详细分析后与烘炉过程关系不大，在此不做具体分析。

根据烘炉的检查结果，可以说明整个烘炉方案是合理的，烘炉后衬里整体质量符合使用要求，对于局部出现的衬里开裂问题修复后即可解决。对于烘炉过程遇到的问题，有以下几方面值得改进：

（1）烘炉时临时封堵部位应密封好，且用临时支撑固定牢靠，防止炉内在正压作用下倒塌。

（2）本项目为考虑顶部大盖衬里需与设备本体一同烘炉，将顶部大盖安装后一起烘炉，烟气从侧边排出，导致顶部存在小部分死区，蒸汽排出不便，顶部法兰有蒸发水流出，建议今后项目可以在顶部设置排气孔，以便水汽排出和此部分衬里的烘干。

（3）二段炉的烘炉应尽量避免中断，即使中断应尽量缩短中断时间，中断时及时停止夹套供水，保持炉内温度。特别注意的是在高温阶段（600 ℃以上），停炉后炉内温度会迅速下降，1 h 可能下降150 ℃，温度的急剧变化可能导致加剧衬里的开裂、 裂纹增大和衬里脱落风险。因此，烘炉过程必须做好应急预案，确保水源、电源的稳定供应。

（4）水夹套内部承压壳体表面建议设置表面热电偶，一是可以在烘炉过程监控壳体温度变化，观察壁温是否达到烘炉要求，同时在运行阶段也便于对承压壳体温度的监控，判断内部衬里是否完好。

6 结语

二段转化炉作为合成氨关键设备之一，要求衬里必须满足长周期稳定运行的要求。二段炉烘炉之前必须根据耐火材料厂家提出烘炉指导方案和实际条件制定详细的实施方案，包括烘炉布置、 烘炉曲线、温度及液位控制要求，并由专业的烘炉厂家负责实施，在烘炉完成后应进行详细的质量检查，不符合要求应予返修，以保证最终衬里质量。本文最后对烘炉过程提出的改进建议，希望为今后类似项目的烘炉提供一些参考和借鉴。