煉廠60000Nm3/h制氫轉化爐的改造及其效果

王磊（中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

煉廠60000Nm3/h制氫轉化爐的改造及其效果

王磊（中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

某煉油廠制氫轉化爐1101-F-101為單排管頂燒爐型，爐管為下端固定支撐，進出口管系采用上下豬尾管連接集氣管結構，6排爐管共計288根。2005年9月投用。運行近3個檢修周期，轉化爐存在較多隱患，如爐管泄漏、集合管壽命到期，外壁超溫嚴重、排煙溫度高等問題，計劃在大檢修中對轉化爐進行消缺改造，更換176根新爐管、更新下集合管、改造高低溫段空氣預熱器等內容，將轉化爐熱效率提高至92.5%以上，排煙溫度降至130℃以下。

轉化爐；隱患；爐管；消缺治理

隨著煉油廠加氫裝置的逐漸增多，所需要的氫氣越來越多，使得制氫裝置相應發展的很快，其中轉化爐的苛刻的操作條件及運行中的一些設備共性問題都得到了一定的改善和解決。由于轉化爐有很多有別于其他加熱爐的特殊性，在爐子結構、爐管材料、管路系統支撐及應力、管路系統膨脹及補償、燃燒、煙氣流動分配、耐火材料等各方面都必須精心考慮。本文將對煉廠60000Nm3/h制氫轉化爐自投產以來，產生的主要問題及解決方法加以簡介。

1 加熱爐概況

某煉油廠60000Nm3/h制氫轉化爐為單排管雙面輻射頂燒爐型，設計熱負荷110.22MW。6排共288根轉化管，材質HP40-Nb-Ti，每根爐管為下部固定，上部用恒力碟簧吊架懸掛并向上膨脹，膨脹量約為200mm；轉化管上下兩端分別通過上下尾管與上下集合管連接，上尾管（材質TP321H）吸收轉化管上端與上集合管的膨脹位移差及上集合管自身軸向的位移，下尾管(材質NO8811)吸收下集合管的軸向熱膨脹位移量；3根上集合管，每2排轉化管對應1根，3根冷壁下集合管，每2排轉化管對應1根，上集合管由配重式吊架懸掛并隨轉油線上升管熱脹時向上平行移動，下集合管落地支撐；7排共105臺頂燒式燃燒器位于轉化管排之間以及轉化管排與側墻之間；落地的臥式對流室。沿煙氣流動方向依次排有混合原料氣預熱段、蒸汽過熱段、空氣預熱高溫段、蒸發段和空氣預熱低溫段；空氣預熱器高溫段采用板式空氣預熱器，空氣預熱低溫段采用熱管式空氣預熱器；火管式余熱鍋爐置于對流室底部，通過輸氣管與下集合管出口相連。

2 轉化爐存在的隱患及原因分析

2.1 轉化爐管存在問題

（1）2014年9月24日，某煉油廠受外電網影響造成全廠停電，轉化爐突然停工。造成7根爐管在距離爐底部約2～3米處焊縫出現縱向裂紋。11月進行停工搶修，檢測爐管發現不合格焊口82道，其中5道為A3縫，77道A4縫。爐管超聲波檢測發現B+級12根，蠕脹超標26根（外徑超過132mm），宏觀檢查發現3根爐管出現裂紋（離爐頂200mm位置處），7根爐管有離子脫、凹槽、鼓包和氣孔缺陷，彎曲變形較大的爐管共21根。根據檢測結果，經研究決定更換了112根爐管。同時對爐管壽命進行評估，剩余壽命為2兩年（即可運行至2016年12月）。目前未更換的176根爐管表面有較多條狀、云團狀花斑，運行風險較大。

轉化管裂紋、焊縫裂紋原因分析：

①應力腐蝕：開停車頻繁，焊縫出現熱應力，形成網狀結構。

②高溫蠕變腐蝕【1】：蠕變的產生主要是由于過熱引起的。由于燃料調整，介質物料流量波動大，開停車升降溫速度快，以及爐管本身的熱應力所造成的。蠕變過程是隨時間增長的塑性變形積累過程，是與空穴的集積與微裂紋的發展過程同時發生的。另外，在高溫條件下，隨時間發生的金相組織的變化和惡劣、載荷的變動、金屬的時效過程、擴散作用以及其他與時間有關的因素等，都使得材料的高溫斷裂強度隨時間的增長發生重大變化。轉化爐管的蠕變曲線如圖1：

圖1 典型的蠕變曲線

③高溫氧化腐蝕：轉化管HP40Nb材料在正常工況下具有良好的抗氧化性，但嚴重超溫或過熱會加劇氧化。超溫會加劇材料的氧化，使抗蠕變性能下降，加速裂紋的形成和發展，在實際運行中常見的超溫現象可歸納如下：1)與催化劑有關的超溫。若在裝填催化劑時出現“架橋”現象，催化劑裝填不滿，在爐膛內的空管處就會產生超溫。2)催化劑質量不好，升降溫速度過快，常會引起催化劑破碎、粉化、導致通氣不均勻，阻力降增大，通氣量減少而形成嚴重的局部過熱。3)原料氣引起的超溫。原料氣水碳比過低，會引起在催化劑上結碳。蒸汽中的sio2和鈉鹽過高，會產生結鹽、結塊現象。4)工藝引起的超溫。為滿足工藝要求，轉化管轉化氣出口的甲烷含量必須要低于一定值，但由于長期使用，催化劑結碳、結鹽、結塊、硫中毒、粉化使之活性下降，甲烷含量會超出一定要求，這勢必要提高操作溫度，無疑管壁溫度將要上升。5)由燃料質量引起的超溫。如由于天氣溫度變化，燃料氣中帶有部分的液態烴和其他組分，使燒嘴噴液，造成爐管嚴重超溫。

（2）自加熱爐投用以來，轉化爐下錐段焊縫處出現過8泄漏著火。

原因分析：①焊縫焊接質量不合格、焊后熱處理不過關，在焊接時由于焊接線能量過大，控制不當，熔化的金屬即熔池波及到豬尾管內壁使內壁局部熔化。由于豬尾管所用材料的特殊性，即鎳基合金，在角焊縫焊接時無法實現背面充氬保護，一旦焊穿現象發生，很容易造成氧化發渣，其危害性與夾渣、未焊透一樣嚴重，這種缺陷在外部應力的作用下，會成為焊縫裂紋發生的首先發生源。②是外力受力不均而引起的局部應力集中，集氣管、豬尾管和轉化管是靠眾多的彈簧吊架來達成一個平衡的受力體系，這一體系在冷態和熱態下是不同的，如果個別彈簧吊架失去作用，將打破整個平衡體系，使之重新達到一個平衡點，這樣勢必要造成局部受力點的應力集中。自2005年9月投產以來開停車數次，加之彈簧吊架多年未進行過調校，因此部分彈簧吊架已經失效或趨于失效，不能完全發揮其作用，即便更換個別彈簧吊架也無法調整到原始的平衡狀態，這種外在的受力不均勻加上其內在因素，很容易造成下錐段焊縫經常性和不可預見性的開裂。

2.2 出口冷壁集氣管

目前出口集氣管在環境溫度20℃，風速1m/s時外壁最高溫度為250℃，比設計溫度高出60℃。現場示溫漆變色嚴重；13年檢修時對集氣管內部襯里內檢時發現，襯里裂紋較09年檢修時增加較多，局部裂紋寬度比09年檢修增加1～3mm；2016年邀請襯里廠家現場評估，認為襯里壽命已至末期，如高溫運行時襯里裂紋不能有效閉合，將會導致集氣管外壁超溫鼓包，導致非計劃停工。

2.3 輻射室對流段

轉化爐對流段各段取熱不足導致排煙溫度一直在198℃左右，爐子熱效率88%，低于設計熱效率91%，不符合《中國石化加熱爐管理規定》中10MW及以上加熱爐熱負荷需在91%以上的要求。

目前制氫轉化爐進料溫度為450.7℃，低于設計值500℃。煙氣依次經過對流段入口溫度TICA0327為857.7℃；原料預熱段后溫度TI0307為731.8℃，溫降為125.9℃；蒸汽過熱段后溫度TI0308為648.8℃，溫降為83℃；空氣過熱段溫度TI0306為513.3℃，溫降為135.5℃；蒸汽發生段溫度TI0305為362℃，溫降為151.3℃；排煙溫度TI0303為193℃，進爐空氣溫度TI0304為478℃。轉化爐出口溫度TICA0301為776℃小于設計值≯850℃。對流段溫度統計見表1。

表1 轉化爐對流段溫度統計

2.3.1 蒸汽過熱段

目前蒸汽過熱段蒸汽出口溫度偏低，始終在350℃左右，設計430℃，蒸汽過熱段前后的溫差僅為83℃，充分表明該段換熱效率較低。過熱蒸汽溫度偏低，造成轉化爐進料溫度偏低，同時蒸汽品質不高嚴重影響了下游加氫裝置汽輪機的安全運行。

2.3.2 高溫段空氣預熱器

高溫空氣預熱器，壓降太大，遠遠超出設計要求，在引風機滿負荷工作的情況下，還經常導致輻射爐膛正壓，打開看火門觀察爐膛情況時，經常有高溫煙氣竄出，火燒眉毛，具有重大安全隱患。另外，高溫空氣預熱器取熱不足，也是導致轉化爐排煙溫度高達190℃的原因之一。高溫空氣預熱器體積非常小，使整個對流段在此收縮的特別小，導致煙氣流通面積縮小太多，流速過高，形成“卡脖子”現象，壓降超出設計范圍。

2.3.3 低溫段空氣預熱器

轉化爐對流段各段取熱不足導致排煙溫度高達190℃，這其中低溫空氣預熱器性能不佳也是主要影響因素。低溫空氣預熱器原設計為熱管空氣預熱器，由于熱管的高溫失效以及煙氣腐蝕，導致熱管空氣預熱器性能越來越差，排煙溫度越來越高。

3 消缺改造主要內容

（1）更換176根壽命到期的轉化爐管。

（2）消除彈簧失效隱患，更換為安全可靠的滑輪組平衡錘懸吊結構取代轉化爐管彈簧吊架。

（3）消除冷壁出口集氣管超溫隱患，更新冷壁出口集氣管。

（4）改造蒸汽過熱段，增加4排翅片管。

（5）改造高溫段空氣預熱器，將煙氣側壓降將嚴格控制在1500Pa以內，并將空氣預熱溫度由450℃提高到500℃。

（6）改造低溫段空氣預熱器，改造采用成熟可靠的鑄鐵板式空氣預熱器代替熱管空氣預熱器，將排煙溫度降低到130℃以下。

4 改造后預計能耗及節能

4.1 減低排煙溫度

轉化爐排煙溫度從190℃降低到130℃以下，轉化爐燃料效率由大約89.5%提高到92.5%以上，可節約能量在2.85MW以上，按燃料氣低熱值34000kJ/Nm3計算，節省燃料量305Nm3/h。

4.2 降低爐底壁溫

轉化爐輻射室底部改造后，爐底壁溫降到90℃以下，達到規范要求值，散熱損失也會降低很多。

4.3 提高對流段預熱負荷

上述節能效果，是對流各段采取措施改造后的共同效果，不僅空氣預熱溫度由450℃提高到500℃，過熱蒸汽溫度也由現在的370℃提高到了430℃。

5 結語

某煉油廠60000Nm3/h制氫主要提供給全廠2.0MPa氫氣管網，轉化爐的平穩運行是保證全廠加氫裝置正常生產的重中之重。轉化爐的隱患治理、消缺改造，提高了加熱爐熱效率，為公司節省大量燃料氣，增加更多效益。同時，使排煙溫度符合中石化排放要求，裝置更加節能環保。

[1]楊會喜.《新型轉化爐爐管的開裂原因分析與防護》.《大氮肥》2007，6.