二段爐分布器的故障分析和改進措施

劉巧玲 杜鵬翔

（華電榆林天然氣化工有限責任公司)

0 概述

二段爐是甲醇生產中的重要設備。華電榆天化公司共有4臺二段爐，其中2臺是2003年的1#、2#兩套甲醇裝置技改時增加的，另2臺分別是2004年和2007年20萬t/a甲醇項目 （3#裝置）及15萬t/a醋酸項目 （4#裝置）建設時增加的。在二段爐投入使用的最初兩年，裝置多次因其部件氧氣分布器或耐火層燒壞故障而被迫停車檢修，嚴重影響了公司裝置的長周期安全穩定運行。

1 二段爐的結構

國內現在使用的二段爐，由于工藝特點有所不同，其裝置結構也不同，但就二段轉化爐整體外形來講是大體相同的，不同之處僅僅是工藝氣介質和工藝空氣 （氧氣）的入口位置、混合氣分布器的結構以及爐體內部所用的耐火襯里不盡一致而已。按國內引進裝置的情況看，二段爐形式主要有凱洛格爐型、托普索爐型、伍德 （UHDE）爐型、布朗爐型等幾種。在結構上各種爐型既有相同之處，也有不同的設計特點。

該公司的二段爐與凱洛格、日本東洋工程公司的T.E.C型二段爐結構基本相同，尺寸大小略有變化，其結構如圖1所示。該二段爐形狀為立式帶錐底的圓筒形容器，在其內之頂部裝有氧氣-蒸汽混合氣分布器 （簡稱分布器），容器內壁襯有耐熱混凝土，下錐體設有耐火磚球拱，最上部的耐熱混凝土內側還設有耐熱不銹鋼襯套，球拱磚上面放氧化鋁球，觸媒最上層平放六角鋼玉磚，筒體外側有水夾套，夾套殼體上裝有監視其運行的溫度計。氧氣、蒸汽混合氣從大蓋頂部進入分布器，分布器為圓形截面的圓管，圓管的底部有眾多小孔 （其結構如圖2所示），混合氣以大約53 m/s（設計值）的速度從小孔噴出。

圖1 二段爐結構

圖2 分布器

2 故障現象

1#裝置和2#裝置的二段爐從2003年配氧投入使用以來，分別在2004年和2005年出現過分布器嚴重燒壞的故障。燒壞的分布器僅剩下部圓環(見圖3)，直管全部燒掉，成片狀脫落 (見圖 4)，燃燒室內襯也有一定的毀壞。后來，經過幾年的使用，在操作及管理上有了較成熟的經驗，損壞情況才有所減輕 （見圖5）。

圖3 分布器燒壞后僅剩的下部圓環

圖4 分布器上部直管燒毀后狀況

圖5 分布器輕微損壞情況

3 二段爐分布器故障分析

通過對分布器損壞情況的分析，結合二段爐的工藝，可以明確二段爐分布器的損壞主要有以下幾個原因。

（1）混合氣的流速偏小。混合氣在正常穩定運行狀況下以53 m/s(設計值)左右的速度從分布器上的小孔中噴出，小孔直徑為6 mm和8 mm兩種，其中分布器外圓上的孔直徑為8 mm，內錐上的孔直徑為6 mm。流速大了，火焰距離分布器就較遠，流速小了，則距離分布器就較近。流速太小可能造成回火或者直接在分布器上燃燒，這樣在很短的時間內就可燒壞分布器。所以流速偏小是分布器燒壞的最重要原因。

（2）頻繁的負荷變化以及多次開停車的影響。頻繁的負荷變化以及多次開停車對混合氣分布器的影響其實也在氣體流速上，火焰一會兒長，一會兒短，或者回火，就有可能燒壞分布器。 另一方面，負荷變化和開停車均可能造成混合氣分布器振動，損壞分布器。

（3）壓縮機組跳車或者喘振的影響。壓縮機倒機、操作不平穩或者跳車也會給混合氣的流速帶來變化，尤其是氣流脈動會引起混合氣分布器振動。混合氣分布器在1250～1300℃的高溫下運行，所用材料為Incoloy 800H或類似于該材質的25-20Ni，壁厚較薄 （3 mm），經受不起振動，一旦有振動或振動頻繁，就可能造成分布器損壞。

（4）分布器本身焊縫質量有問題。分布器本身焊縫質量以及吊拉筋的焊接質量有問題，則分布器易斷裂燒壞。

（5）分布器的結構設計及制作質量有問題。

4 二段爐分布器的故障處理

對燒壞嚴重的分布器進行更換處理，并對損壞的內襯進行重新澆注，對損壞不嚴重的分布器進行修補處理 （見圖6）。處理方法如下：根據情況補焊缺陷。大的孔洞用與分布器同壁厚同材質或高級別材質進行補拼焊接。小的孔洞直接焊接堵孔，打磨光滑后再開孔。用Inconel 82焊絲，在電流≤70 A時采用手工氬弧焊。開孔時，鉆頭與所在曲面保持垂直，持鉆平穩。鉆孔修復后，應保證每個孔的內壁平整光滑，以確保氣流暢通無阻。

圖6 修補處理后的分布器

5 對分布器的改進措施

5.1 結構改進

（1）進氣位置改進

原設計2#裝置的轉化氣混合后是從二段爐上部的一側進入的。經過與設計院溝通、交流，并為設計院提供了現場第一手資料，在建3#、4#裝置時就對進氣位置進行了改進。一段轉化氣混合后對稱地從二段爐上部兩側進入，這樣氣流更容易混合均勻，火焰偏燒的可能性就更小。

（2）測溫點改進

由1#、2#裝置的二段爐運行情況可知，二段爐內的觸媒溫度可間接提供分布器運行好壞的信息。1#、2#裝置的二段爐均只有2處測溫點。在3#、4#裝置建設時，二段爐在觸媒處設了6處測溫點，分別對觸媒的上部、中部、下部對稱設點，可測量同平面觸媒溫差，通過溫差數值可判斷分布器氣流情況。這樣，在日常操作中對二段爐的運行情況就有了科學直觀的了解。

（3）分布器結構改進

2006年，發現二段轉化爐的分布器圓盤頻頻出現孔燒大的現象并出現徑向裂紋，分析其原因是圓盤式分布器在冷彎時產生了彎曲應力，再加之壁厚較薄。因此設計院在設計時將圓盤結構改為正六邊形結構，并增加了壁厚。此外，在制造時也避免了彎制。4#裝置二段爐就采用了這樣的結構，目前未發現有孔燒大的現象。

（4）耐火襯里的改進

3#裝置燃燒室耐火襯里由150 mm厚的重質澆注料和150 mm厚的高純剛玉磚組成，因高純剛玉磚不易修補，所以將其改造為全部用重質澆注料。重質澆注料耐沖刷、易修補，比剛玉磚熱延伸性好，不易產生脆性剝落。

5.2 修復二段爐分布器

二段爐剛投入使用時，1#裝置、2#裝置曾三次停車，打開二段爐檢查分布器時發現氣流噴孔被燒大，因此不得不對分布器進行更換。鑒于二段轉化爐的分布器成本太高 (每件約90萬元)且損壞頻率較高，該公司組織對分布器燒大的孔進行修補處理，修補后的分布器形貌如圖6所示。自2006年11月起，公司已先后修復了3套裝置上的5臺分布器，且使用效果較好，至今未更換過新的。此外，還將原來更換下的2臺廢舊分布器也進行了修復，以供備用 （見圖7）。

圖7 修補備用的分布器

5.3 加強日常維護管理

因二段爐分布器的問題，公司制定了 《二段爐特護方案》，對日常的巡檢內容及操作中需注意的問題作了詳細的規定。設備狀態一旦出現小的波動或異常，能夠馬上在公司層面由各專業人員進行分析調整，以確保二段爐穩定運行。

在日常操作中，規定操作工必須每小時對二段爐封頭、上下大法蘭、頸部錐體、夾套外壁等幾十個監測點進行溫度監測，形成記錄報表，并對同一點的溫度進行動態的比對分析。若外壁溫度升高，同平面觸媒溫度忽大忽小，則可能是分布器被燒壞，耐火襯里也可能損壞；若外壁溫度一邊偏高，同平面觸媒溫度一邊高一邊低，則可能是分布器的孔燒大造成偏流，耐火襯里也可能被燒壞。無論出現哪一種故障，均應立即著手進行檢修的準備工作，包括修補分布器的準備、耐火澆注料的準備等。停車后，就可進行更換或修復分布器，對燒壞的耐火層進行重新澆注。在管理上，將二段爐納入每月設備管理考核范圍，每月月底根據考核情況進行適當的獎懲，從制度上保障數據的真實性。

5.4 加強檢查

每遇裝置停車，若時間允許，均對二段爐分布器及爐內襯澆注料進行檢查，并對分布器進行適當的補焊修復。若澆注料局部燒掉，要進行局部修復，以確保故障不超過可控的范圍。

6 結語

本文對二段爐分布器的故障進行了分析，并采取了一系列整改措施。對分布器的使用經驗進行了總結，以利于減少或避免分布器故障的發生。