刘保林
（河北金牛旭阳化工有限公司，河北 邢台054000）
［摘 要］焦炉煤气制甲醇装置甲烷转化系统二段转化炉运行过程中，由于高温烘烤、气流冲刷、热震等因素的影响，二段转化炉炉底球冠形刚玉砖拱之刚玉砖的强度会逐渐下降，出现局部裂纹、砖块剥落的现象。结合河北金牛旭阳化工有限公司的实际生产情况，简介刚玉砖拱的作用及结构、 刚玉砖拱的使用情况，分析与探讨导致二段转化炉炉底球冠形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，并提出了相应的生产操作注意事项。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。
［关键词］焦炉煤气制甲醇装置；二段转化炉；刚玉砖拱；使用情况；损坏原因分析；操作注意事项；设计、制作及砌筑质量
［中图分类号］TQ054+.9 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2022）05-0066-03
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
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