曾晓波，符君，吴桂波
（海洋石油富岛有限公司，海南 东方572600）
［摘 要］海洋石油富岛有限公司1 000 t/d合成氨装置于1996年10月投产，其转化系统一段炉采用托普索侧壁烧嘴炉（侧烧炉），有2个平行的辐射段炉膛，每个辐射段两侧各有108个自吸辐射无焰式烧嘴，每个烧嘴有两股燃料气——燃料天然气和氨合成回路弛放气回收氨与氢气后的尾气，烧嘴工况的好坏直接影响着一段炉的稳定运行和合成氨装置的能耗。1 000 t/d合成氨装置于2020年6月停车大修，更换了使用24 a的氨合成催化剂，装置重启后，氨合成催化剂还原期间，一段炉多次发生烧嘴回火现象等。通过分析与梳理一段炉烧嘴回火的原因，采取了相应的处理措施，并从处理实践中总结出了烧嘴回火的防范措施，现阶段一段炉烧嘴回火问题已得到有效控制。
［关键词］合成氨装置；一段炉；烧嘴燃烧机理；氨合成催化剂还原；烧嘴回火；原因分析；处理措施；防范措施
［中图分类号］TQ113.24+2 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2022）01-0020-04
海洋石油富岛有限公司（简称富岛公司）化肥一期1 000 t/d合成氨装置，采用ICI-AMV工艺，以南海海底天然气为原料，自1996年10月投产以来，总体运行稳定，自动化程度高，能耗低。其中，转化系统一段炉采用托普索侧壁烧嘴炉（侧烧炉），有2个平行的辐射段炉膛，分别为南炉和北炉，每个辐射段两侧各有108个自吸辐射无焰式烧嘴，为一段炉天然气蒸汽转化提供反应所需的热量；每个烧嘴有两股燃料气，分别为燃料天然气和氨合成回路弛放气回收氨与氢气后的尾气（简称尾气），烧嘴工况的好坏直接影响着一段炉的稳定运行和合成氨装置的能耗。
1 一段炉烧嘴简介
一段炉烧嘴为自吸无焰式烧嘴：消音器滤网口为燃烧一次空气，其内有一挡板控制空气量，称为一次风门；烧嘴安装板上有对称的4个小孔，称为二次风门，其主要作用是调整炉膛内剩余氧含量和点烧嘴；附带水平软管（带压力表）为燃料天然气管，竖直软管为尾气管，生产中这两股气体在弯头处减压混合，产生的喷射作用形成文丘里效应，将一次空气带入烧嘴。
1.1 燃烧方式：预混合燃烧
一段炉烧嘴燃烧方式属混合燃烧，燃料气与空气（助燃气）在燃烧前充分混合，燃料气浓度在爆炸极限范围内，遇到火焰或达到自燃温度后即会燃烧。
1.2 燃烧空气供给方式：自吸式
一段炉烧嘴不需要借助外力配风，自身文丘里式结构吸入外界空气，功率较小。吸入空气量与燃料天然气压力和尾气压力有关，背压大，文丘里效应产生的负压大，吸入空气多；本合成氨装置一段炉烧嘴燃料气主要是燃料天然气，其压力高，能提供更大的喷射动力产生负压区，不能单独投用尾气，同时炉膛负压控制也影响烟气剩余氧量。正常工况下，一段炉烧嘴由一次风门提供燃烧所需的空气，若烟气剩余氧不足，可通过二次风门调整助燃空气量。
1.3 热量传播方式：辐射传热
一段炉烧嘴燃烧产生的热量被转化管吸收，热量传递方式为辐射传热，辐射传热依靠电磁波辐射实现冷热物体间热量的传递，是一种非接触式传热，在真空中也能进行。
1.4 背压产生方式：文丘里效应
一段炉烧嘴背压是燃料天然气压力调节阀至喷射中心孔的压力，开大压力调节阀，燃料天然气压力高，文丘里效应产生的负压高；喷射中心共5个孔，中心孔为大孔，流通燃料天然气，周围4个小孔流通尾气，尾气热值低、压力低，压力波动大，不稳定，未设置压力表。是否产生文丘里效应，由尾气流通速度和混合燃料气离开烧嘴火孔的速度决定，若尾气压力较高，也会产生文丘里效应。
1.5 火焰形状：无焰式
一段炉烧嘴无焰式燃烧并非没有火焰，而是由于燃烧速度很快，火焰短而透明，无明显轮廓，故称为无焰燃烧。无焰燃烧一般出现在混合燃烧时，而有焰燃烧发生在扩散燃烧的方式中。
2 烧嘴燃烧机理
2.1 火焰传播速度
火焰传播速度是指火焰前锋沿其法线方向相对于未燃可燃混合气的推进速度，火焰传播方向与燃料气流动方向相反，火焰传播速度表征了燃烧过程的火焰前锋在空间内的移动速度，其高低取决于可燃混合气自身的性质、压力、温度、过量空气系数、流动状况（层流或湍流）以及周围散热条件等。总之，影响火焰传播速度的因素有过量空气系数、燃料化学结构、添加剂、混合可燃物初始温度、火焰温度、压力、惰性物质含量、热扩散系数、介质比热等。
2.2 混合燃料气流通速度
一段炉烧嘴混合燃料气流通速度指单位时间内离开文丘里管而从烧嘴火孔喷出的燃料量，这个量与燃料气量（背压）、尾气量（背压）、助燃空气量、炉膛负压有关。同时，助燃空气量与燃料气背压有关，尾气量与合成回路弛放气量及弛放气中氢气回收冷箱工况有关。混合燃料气流通速度越快，表明这三股混合气量相对越大。
2.3 混合燃料气燃烧过程
一段炉烧嘴混合燃料气燃烧分为三个过程：燃气和尾气分别加热；燃气、尾气、助燃空气的混合；混合可燃气在烧嘴孔处着火、燃烧。稳定燃烧时，燃气和空气的混合速度与火焰的传播速度相等且稳定，此时火焰传播速度与混合燃料气流通速度大小相等、方向相反。
2.4 烧嘴回火与脱火
当火焰传播速度大于混合燃料气流通速度时，火焰前沿就会窜入烧嘴内部，这种现象称为“回火”；当火焰传播速度小于混合燃料气流通速度时，火焰前沿就会向烧嘴外移动，并被吹熄灭，这种现象称为“脱火”。
3 一段炉烧嘴回火原因分析
富岛公司1 000 t/d合成氨装置于2020年6月10日停车大修，更换了使用24 a的氨合成催化剂，开车阶段氨合成催化剂还原期间，一段炉多次发生烧嘴回火现象，并出现烧嘴砖缝隙变大、一段炉外壁超温现象。经分析与梳理，一段炉烧嘴回火原因具体如下。
3.1 系统负荷过低
一般正常开车过程中，一段炉化工投料结束时生产负荷可达40%，后续开车过程中逐渐加负荷，在合成气压缩机开车前，系统负荷会提到70%，到氨合成塔升温时，由于考虑到系统多产蒸汽利于尿素装置开车（转化废锅、变换废锅、合成废锅副产的蒸汽均补入蒸汽管网，供尿素装置开车用），负荷会相应再提升一点。而本次合成氨装置大修，更换了使用24 a的氨合成催化剂，其后氨合成催化剂还原持续时间约248 h（中途因前系统跳车中断了35 h），为控制氨合成催化剂的还原速率，合成回路采用低循环量，系统负荷（FC03013）只有22 km3/h左右（以工艺天然气流量计，满负荷为33.5 km3/h），由于负荷过低，一段炉所需燃料天然气少，燃料天然气背压低，只有50～78 kPa（指标为100～200 kPa，据燃料天然气总碳、炉管外壁温度、生产负荷等进行调整），即氨合成催化剂还原期间系统负荷长时间过低，混合燃料气流通速度相对较低，在火焰传播速度一定的情况下烧嘴就容易出现回火现象。
3.2 混合燃料气组分变化
更多内容详见《中氮肥》2022年第1期