李洪海
（中国石油天然气股份有限公司塔里木油田石化分公司，新疆 库尔勒841000）
［摘 要］中国石油天然气股份有限公司塔里木油田石化分公司450 kt/a合成氨装置2014年起发现一段炉炉管开始弯曲变形及颜色变亮，且一段炉出口气甲烷含量逐年升高，2015年更换一段炉转化催化剂，2018年时一段炉炉管弯曲变形等情况更加严重，2019年初部分一段炉炉管出现热斑，炉管表面温度接近或超过设计温度。2019年冬季装置停车检修时再次更换了一段炉转化催化剂，并对弯曲变形较严重的10根炉管进行了更换。本次检修过程中，据一段炉炉管设计布局特点，并结合炉管外壁温度检测结果，对一段炉炉管弯曲变形的原因进行分析，在此基础上提出了调整部分烧嘴热负荷和加强工艺管理的措施。优化调整措施落实后，一段炉运行状况良好，各项工艺参数均控制在了设计指标范围内。
［关键词］合成氨装置；一段转化炉；运行状况；炉管弯曲变形；原因分析；烧嘴热负荷调整；工艺管理措施
［中图分类号］TQ113.25+4 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2021）01-0034-04
1 概 述
一段转化炉（一段炉）为气头合成氨装置的核心设备，其投资大、维护难度高，一旦出现问题影响面广，一段炉转化管（简称炉管）是一段炉内的关键部件，维护好一段炉尤其是一段炉炉管的运行意义重大。中国石油天然气股份有限公司塔里木油田石化分公司（简称塔石化）合成氨装置设计产能为450 kt/a，采用丹麦托普索传统蒸汽转化工艺，蒸汽转化过程在3.9 MPa压力条件下进行，转化系统原料气水碳比为3.04（摩尔比）。较高的转化压力可有效节省系统总压缩功，而较低的水碳比既能保证装置的长周期、安全、稳定运行，又可降低系统能耗。
塔石化合成氨装置一段炉采用侧烧式，设置2个南北走向的辐射室:北端鼓风机（K202）提供一段炉燃烧所需的空气，燃料气由辐射室南端东侧送入分配至各排烧嘴；南端设置烟气对流段，预热相关的预热盘管内的介质，烟气经热能回收后由引风机（K201）抽出排入烟囱。
一段炉2个辐射室内沿中心线分别设置装有催化剂的炉管120根，总共240根。辐射室炉墙的每个侧面自下而上设置有6排烧嘴，每排15个，共计360个烧嘴，烧嘴火焰通过炉壁辐射对炉管加热而不直接接触炉管。烧嘴助燃空气通过K202强制通风实现，必要的话可以通过调节安装于每排燃料气主管根部的截止阀沿炉管方向调节炉管外的火焰分布，运行时可以根据燃烧情况调节每个烧嘴的燃料气量和供风量以调节其热负荷。实际生产中，由于一段炉烧嘴数量多，将每个烧嘴热负荷调整绝对均匀几乎是不可能的，其调节过程主要是靠目视，即观察每个烧嘴的燃烧情况，再结合每个集气管出口温度来判断烧嘴的燃烧状况。
燃料气源自原料天然气、弛放气及系统开车时过剩的工艺气，燃料气系统投用过剩工艺气或弛放气时，由于调节的幅度和操作熟练程度不同，会造成其热值的变化，进而影响转化反应的进行，最终造成炉管两侧热负荷的变化。
2 转化系统工艺流程
原料气压缩机加压后的原料气（原料天然气），经原料气预热盘管（E204 2/1）加热至380 ℃后进入脱硫系统，脱至硫含量低于0.05 mg/m3后与工艺蒸汽混合，并在混合气预热盘管（E201）中再次被加热升温至535 ℃；预热后的混合气进入一段炉炉管，在转化催化剂的作用下进行转化反应，主要生成H2和CO，转化反应所需热量由辐射室两侧的烧嘴提供；经过转化反应的工艺气在一段炉出口被加热至805 ℃后送入二段炉，控制一段炉出口气中甲烷含量在11.08%（摩尔分数）以下。蒸汽转化反应方程式如下：
CnH2n+2+2H2O====Cn-1H2n+CO2+3H2-Q（1）
CH4+2H2O====CO2+4H2-Q （2）
CO2+H2====CO+H2O-Q （3）
反应式（1）为高碳烃不断地转化为低碳烃，一级一级地转化，最终转化为甲烷；反应式（2）为甲烷的转化反应；反应式（3）为变换反应，其需要的热量比反应式（1）和反应式（2）少得多。
一段炉的生产中，在转化催化剂颗粒的内部或表面有可能发生析炭，炭沉积在催化剂外表面会增加催化剂床层的阻力（压降），炭聚集在催化剂内部则会降低催化剂的活性以及机械强度；工况突变时，催化剂极易粉化，会使炉管的压差和热点温度增大。转化系统设计原料气水碳比为3.04，但在系统背压、中压蒸汽管网压力等波动时，原料气水碳比会发生波动，会影响到炉管内的转化反应，这些变化都可能以炉管外表面温度的变化得以体现。
3 近年一段炉（炉管）的运行状况
塔石化合成氨装置自2010年投产以来，一段炉（炉管）一直运行稳定；2014年起发现炉管开始弯曲变形及颜色变亮，且一段炉出口转化气甲烷含量逐年升高；2015年一段炉转化催化剂进行过一次更换，2018年一段炉炉管弯曲变形等情况更加严重；2019年初部分炉管出现热斑，炉管表面温度接近或超过设计温度，操作人员及时调整烧嘴背压，降低了炉管温度。通常情况下，为确保炉管的安全、稳定运行，其操作温度应低于设计温度，且据经验现阶段炉管已处于使用寿命的中后期，更应注重操作温度的把控。在目前这种情况下，对一段炉炉管提高操作温度的可行性进行论证和预测炉管的剩余使用寿命显得非常重要。因此，2019年冬季装置停车检修时，塔石化再次更换了转化催化剂，并对弯曲变形较严重的10根炉管进行了更换。
检修过程中发现，一段炉炉管变形部位位于炉管的中下部，对应第一、二、三、四排烧嘴的高度，并且变形较严重的炉管主要分布在东侧炉膛内的南端部位，而西侧炉膛内的炉管的状况相对较好，没有出现严重的弯曲变形或管体材质变化现象。烧嘴与炉管（由北向南顺序排列）的对应分布关系如表1。
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