二段转化炉炉底球冠形刚玉砖拱使用问题分析及预防

刘保林

(河北金牛旭阳化工有限公司，河北 邢台 054000)

0 引 言

河北金牛旭阳化工有限公司(简称旭阳化工)200 kt/a甲醇装置以焦炉煤气为原料生产甲醇，于2009年6月1日建成投产，装置主要工艺单元包括焦炉气压缩、脱硫、甲烷转化、甲醇合成、甲醇精馏等；其中，甲烷转化系统的主要任务是，在高温和转化催化剂的作用下，使焦炉气中的甲烷与蒸汽发生转化反应生成CO、CO2和H2，以提高甲醇合成原料气中的有效气含量，这一过程在转化炉内进行，旭阳化工采用的是二段转化炉。由于二段转化炉操作温度很高，最高达1 200 ℃以上，对二段转化炉各部件(构件)均有很高的要求，任何局部结构出现问题均会影响二段转化炉的安全、稳定运行。以下结合旭阳化工的实际生产情况，分析与探讨导致二段转化炉炉底球冠形刚玉砖拱(简称刚玉砖拱)损坏的原因，以及设计、制作与砌筑质量对刚玉砖拱使用寿命的影响，并提出相应的生产操作注意事项。

1 刚玉砖拱的作用及结构

刚玉砖拱安装在二段转化炉内下部，位于设备总高度约1/4处。其作用主要有二：一是收集、流通气体；二是支撑转化炉内催化剂及耐火球的重量。早期的刚玉砖拱设计为塔型结构，每层刚玉砖为台阶形砌筑，砖与砖之间仅靠环形凹槽配合，且砖面之间没有咬合[1]，此种结构稳定性较差、易损坏，影响转化炉的安全、稳定、长周期运行，已逐步弃用。目前，二段转化炉内刚玉砖拱已改进为球冠形结构。球冠形刚玉砖拱是由多种不同型号的楔形刚玉砖砌筑而成，拱脚砖斜插嵌入转化炉本体衬里内部环形支撑平台上，除拱脚砖外，其他的刚玉砖上两面均设有凹槽，呈工字形结构，当两块砖按设计要求组合在一起时，便形成一个完整的气流通道；同一型号的刚玉砖在同一水平面上砌成一圈，相互挤压，构成一个倾斜状的圆环，之后在此圆环面上继续砌筑，圆环直径逐步缩小直至拱顶；砌筑成的不同直径的圆形拱，从拱脚砖开始到拱顶沿曲面方向上相互挤压，最终形成一个完整的球冠形砖拱。

2 刚玉砖拱的使用情况

生产过程中，由于二段转化炉内高温烘烤、气流冲刷、热震等因素的影响，构成砖拱的刚玉砖的强度会逐渐下降，随着使用时间的延长，部分刚玉砖出现局部裂纹、砖块剥落的现象，造成刚玉砖拱整体强度和稳定性变差，脱落的刚玉砖碎块还会后移堵塞转化炉出口通道及换热器等，造成系统阻力上升，影响系统正常、稳定运行。

刚玉砖拱强度下降、损坏到一定程度，就会出现突然塌陷的情况，不仅严重影响生产，有时还会诱发较大的安全事故。例如：内蒙古庆华集团有限公司甲醇厂之二段转化炉炉底砖拱突然塌陷后，催化剂快速下沉过程中将位于催化剂床层的热电偶套管拉裂，导致高温转化气泄漏着火，二段转化炉筒体被烧穿、变形；2021年7月19日旭阳化工甲醇装置开车加负荷过程中，突然发生二段转化炉炉底砖拱垮塌，所幸处理及时未诱发安全事故，其后检修过程中发现刚玉拱砖强度下降明显，拱砖上有明显的裂纹且破碎严重。

设计上刚玉砖拱的跨径、矢高主要取决于二段转化炉本体直径以及砖拱的整体受力情况。旭阳化工刚玉砖拱的跨径为2 930 mm、矢高为1 100 mm。刚玉砖拱在生产中不仅要耐受高温气体的冲刷、烘烤，而且要负载二段转化炉内催化剂的重量，因此其使用寿命相较于二段转化炉内的隔热衬里(隔热衬里使用寿命可达10 a以上)要短很多，实际使用寿命一般小于5 a。

3 刚玉砖拱损坏原因分析

导致二段转化炉刚玉砖拱损坏的原因有很多，主要有高温烘烤、压力波动、水冷激等，具体分析如下。

3.1 温 度

温度对刚玉砖拱的影响是巨大的，主要体现在三方面：一是高温气体的直接烘烤，会导致刚玉砖强度逐步下降，这是不可避免的正常强度衰减；二是温度的波动，会导致刚玉砖的表面层产生热疲劳，尤其是频繁的较大幅度的温度波动，会造成刚玉砖膨胀量频繁变化，产生许多膨胀裂纹，时间久了刚玉砖就会变得疏松，继而造成小块砖剥落现象发生——尤其是开/停车过程中，温度的急剧变化会使刚玉砖产生巨大的内应力而加速损坏；三是超温，超温会使刚玉砖强度迅速下降，超温严重至达到或超过刚玉砖的荷重软化温度时，就会直接导致刚玉砖拱垮塌。

3.2 压 力

压力的影响一方面是源于压力的波动。压力波动会使砖拱的承重随之波动，引起砖拱各刚玉砖间挤压力变化，不利于砖拱的稳定，尤其是在开/停车过程中，系统升压、降压速率较大，刚玉砖拱受到频繁的受压和松压作用，会造成刚玉砖拱整体稳定性变差。山西潞宝集团焦化有限公司甲醇厂二段转化炉某次检修时，认为刚玉砖拱整体结构完整、无明显缺陷，当时决定不予更换，只对催化剂进行更换，然而转化炉重新开车后不久，刚玉砖拱突然塌陷，转化炉不得不再次转入检修，虽未诱发大的安全事故，但严重影响了生产进度；事后分析表明，虽然检修时刚玉砖拱表观上完好，但使用时间久了其强度下降严重，且在旧催化剂卸出、新催化剂回装的过程中，承重的变化会引起砖拱各刚玉砖间挤压力发生变化，受力的一松一紧使刚玉砖拱产生一定的形变而稳定性变差。

压力的影响另一方面是源于二段转化炉压降的增加。二段转化炉压降包括转化催化剂床层的阻力和刚玉砖拱上下的气流阻力，压降增加，刚玉砖拱前后的操作压差增大，无形中增加了砖拱的承重。转化催化剂床层阻力的增加，主要是因为转化炉内的甲烷转化反应往往伴随着析碳反应，而分子形态的碳渗透性很强，久而久之会使转化催化剂活性下降、粉化、结块，造成催化剂床层阻力增大；气流阻力的增大，则主要是因为刚玉砖拱上方的刚玉球强度降低破碎以及剥落的刚玉砖碎块堵在气流通道中，导致气流通道减小而阻力增大。

3.3 水冷激

水冷激会使刚玉砖拱产生极速的热胀冷缩，对刚玉砖的强度造成较大的影响。正常生产时，高温环境下不会出现蒸汽带水，但开/停车期间需格外注意水对刚玉砖拱的影响。开车时氮气升温切换为蒸汽升温的过程，操作不当时，如蒸汽管线内冷凝液排放不彻底或入炉蒸汽过热度不够，均会产生蒸汽带水而对炉底砖拱形成水冷激；停车过程则要重点关注与转化炉底部出口相连的废热锅炉的运行情况及其汽包液位的变化，若废热锅炉换热管窜漏，会有大量的锅炉水窜漏、倒流至转化炉底部，发现不及时则会淹没刚玉砖拱造成水冷激。例如：中石油乌鲁木齐石化分公司二化肥厂二段转化炉曾因废热锅炉换热管窜漏致水倒流入转化炉底部，造成刚玉砖拱水激崩裂[2]；建滔(河北)化工有限公司二期100 kt/a甲醇装置二段转化炉也曾因废热锅炉窜漏导致转化炉底部被淹，所幸发现及时未淹没刚玉砖拱而未造成水激崩裂。

4 生产操作注意事项

为减少或避免因操作不当对二段转化炉内刚玉砖拱造成不利影响，经梳理与总结，其操作注意事项如下。

(1)尽量控制转化炉操作温度稳定，避免频繁、大幅度地波动；开/停车过程中，转化炉升/降温速率需控制在设计许可范围内，避免刚玉砖拱急剧热胀冷缩；生产中严禁持续的大幅度超温现象发生。

(2)控制转化炉内操作压力稳定，避免频繁波动；开/停车过程中，控制转化炉内压力变化速率在合理范围且均匀；生产中多关注转化炉床层阻力的变化，及时调整进入转化炉的焦炉气量和蒸汽量，控制适宜的水碳比，保持析碳和消碳反应平衡，减少析碳的发生，避免转化炉催化剂床层阻力上涨。

(3)转化炉开车期间，在氮气升温切换为蒸汽升温的过程中，一要高度重视氮气升温温度，须升温至超过进入转化炉的蒸汽温度50 ℃以上；二要排净蒸汽管线内的冷凝液，确保进入转化炉的蒸汽不会带水且处于过热状态，避免水冷激现象发生。停车过程中，要重点关注与转化炉底部出口相连的废热锅炉的运行情况及其汽包液位的变化，避免水倒流入转化炉底部。

5 设计、制作及砌筑质量对刚玉砖拱的影响

刚玉砖拱自身的设计、制作及砌筑质量也会影响其强度和使用寿命。由于二段转化炉内整个刚玉砖拱是由刚玉砖互相组合、挤压、砌筑而成的，系统运行过程中，刚玉砖拱的承重越大，各刚玉砖间的挤压力也就越大，对其强度的要求也就越高。而对于拱形结构，在同样的承重下，若拱的跨径越大而矢高越小，则构成砖拱的各刚玉砖间的挤压力就会越大，且对设备筒体也会形成更大的径向水平推力。若拱的曲率半径适当减小、拱角加大，即拱的跨径减小、矢高增加，在承重不变的情况下，作用于砖拱上的压应力会有所减小[3]，对设备筒体的径向水平推力也会减小，如此各刚玉砖间的挤压力会减小。

在二段转化炉刚玉砖拱开孔率适宜即满足气体流通的前提下，砖拱的跨径越小，各刚玉砖间的挤压力越小、砖拱结构越稳固；刚玉砖拱在跨径不变的前提下适当增加拱高即矢高，亦可改善砖拱的受力及其稳定性。建滔(河北)化工有限公司一期100 kt/a甲醇装置二段转化炉炉底砖拱，由于原始设计跨径偏大、矢高偏小，导致各刚玉砖间挤压力偏大，使用过程中局部砖块脱落现象严重，影响其使用寿命；后增加了拱的矢高(几乎做成了半球状)，使砖拱曲率半径减小，砖拱的受力状况明显改善，二段转化炉实现了长周期、稳定运行。

此外，刚玉砖的制作质量和砌筑水平也很关键。早期的刚玉砖以灰刚玉作为原料烧制而成，其强度和耐温性能均一般；随着转化炉操作温度的不断提升，后改进为白刚玉原料，刚玉砖的强度和耐温性能得到大幅提高，砌筑而成的砖拱也更加耐用。近年来又开发出了铬刚玉，据厂家介绍其综合性能较白刚玉更加优良，砌筑而成的刚玉砖拱性能更加优良。

6 结束语

二段转化炉内刚玉砖拱强度的下降与损坏是不可避免的，刚玉砖拱的检修、更换也比较繁琐，而检修、更换时需将催化剂钝化、卸出，耗时较长，对生产的影响较大，因此刚玉砖拱的更换频次跟随转化催化剂的更换频次即可，一般为2～3 a。总之，刚玉砖拱要达到良好的使用效果、延长其使用寿命，首先是刚玉砖拱要设计合理、制作质量优良，其次是生产中要精心操作，保证温度、压力稳定，减少系统开/停车次数和检修频次，减缓刚玉砖拱强度下降的速率。