一段爐燒嘴改造小結及日常運行維護建議

王愛民，王 瑞，林美玲，廖曉兵

（中石油塔里木油田分公司塔西南煉油化工廠，新疆 澤普 844804）

1 概 述

中石油塔里木油田分公司塔西南煉油化工廠200kt／a合成氨裝置采用美國Kellogg公司的低能耗、加壓催化轉化工藝，裝置于1999年7月16日開工建設，2001年10月竣工并一次試車成功，2005年合成氨裝置產量達標（達設計產能600t／d）。

一段爐（101-B）是1臺燃氣轉化爐，含輻射段和對流段。350℃的混合氣體和蒸汽流經101-B對流一段混合氣預熱盤管預熱至621℃后，混合氣離開盤管，流至輻射段頂部，在此等分進入3根平行支管，3根支管把氣流分配到裝有2種尺寸鎳轉化催化劑的156根轉化管（亦稱催化劑管，每根管子底部有1個多孔催化劑支撐板，催化劑就放在催化劑板上）；轉化管共有3排，每一排分東、西各有26根，每一根轉化管下端連接1根水平的集氣總管，共有3根集氣總管；每根轉化管裝有0.0593m3的催化劑，156根轉化管共裝填9.25m3的催化劑。

3根集氣總管的氣流匯集到1根位于中部的上升管中，使氣流向上返回通過輻射爐膛到一段爐出口氣輸氣管線（107-D）。輸氣管線采用耐火材料襯里并帶水夾套，連接一段爐與二段爐（103-D）。每根集氣總管都設有1個用于開車的雙截止導淋閥。

轉化反應所需的熱量由72個燃料氣燒嘴提供，這些燒嘴位于管排的兩側，每排18個燒嘴，共4排。轉化爐頂燒嘴有2種：管排之間的每個燒嘴放熱能力為4.625GJ／h；考慮到爐墻的輻射熱，外燒嘴設計要小一些，爐墻與外管排之間的每個燒嘴放熱能力為3.006GJ／h。爐頂燒嘴火焰向下，轉化管出口轉化氣溫度為813℃、設計壓力為3534kPa。

一段爐燒嘴由美國UOPCallidus公司生產，型號為LE-CSG-2PDF，燒嘴總熱負荷228GJ／h。2014年9月大檢修期間，我們對全部燒嘴進行了更換，將其更換為新型燒嘴——CH-G-F3.85／CH-G-F2.51型超低NOX排放扁平火焰燃氣燒嘴。舊燒嘴及新燒嘴狀貌見圖1。

圖1 舊燒嘴及新燒嘴狀貌

2 舊燒嘴的運行狀況

更換前，舊燒嘴使用中逐漸出現以下主要問題：①一段爐燒嘴前壓力上漲近40kPa，達200 kPa，接近燃料氣壓力高高聯鎖值（250kPa）；②一段爐燒嘴燃燒火焰呈黃紅色，混濁不通透，爐膛內可見明顯的火焰舔管現象；③部分爐管表面溫度超過設計溫度925℃，最高達965℃。

正常生產過程中，操作人員調節一段爐整體溫差最好的成績為15℃左右，并需要現場操作人員在一段爐頂操作3h左右；同時，經過長周期使用后，一段爐爐膛內經常發生火焰舔管和回燒的現象，一般采取的處理方法是將其燒嘴閥門關閉，但這樣做顯然對爐管也不利，同時每一個燒嘴閥門開度不一致也會造成受熱不均勻，對設備損傷很大，造成一段爐燒嘴維護維修費用較高，而且燒嘴安裝和拆卸比較費勁，工作量也較大。簡言之，舊燒嘴笨重、體積大、安裝和拆卸較困難，且每一個燒嘴閥門開度都不一樣。

3 改造緣由

鑒于舊燒嘴使用中存在的諸多問題，加之由于客觀條件發生改變——我廠從2014年開始采用和田河天然氣加弛放氣作為燃料氣，燃料氣的組分發生了顯著變化（見表1、表2），燃料氣低位熱值只有40527kJ／kg。

表1 燃料天然氣組分對比分析表

表2 弛放氣組分對比分析表

由表1可以看出，與設計值以及柯克亞天然氣相比，和田河天然氣中可燃性氣體組分明顯偏低，其中乙烷含量不及柯克亞天然氣的16%，而氮氣和二氧化碳等不可燃組分含量顯著增加，尤其是二氧化碳含量更是較柯克亞天然氣增加了近14倍；和田河天然氣密度也比柯克亞天然氣低近25%，低位熱值則降低了近17%。而由表2可以看出，弛放氣組分基本上與設計條件相同。因此，在同樣的一段爐負荷條件下，燃料氣的消耗量勢必大大增加，燃料氣與助燃空氣在噴嘴中流動、預混、助燃的工況必然與使用柯克亞天然氣時有所不同。

而從實際運行情況來看，合成氨裝置全部使用和田河天然氣后，實際工況下燃氣和田河天然氣的流量為12391.4m3／h（據燒嘴總負荷和弛放氣流量設計值3546kg／h計算需要配入的燃料天然氣流量，得到設計工況下燃料柯克亞天然氣的流量為11607m3／h）；同時，在配入和田河天然氣后，一段爐燒嘴前壓力上漲，最高達200 kPa，較之前上漲近40kPa，燃料氣單耗較之前年度增加40m3／h，而本合成氨裝置采用和田河天然氣是今后的必然趨勢。另外，從一段爐燒嘴燃燒狀況看，火焰較長，爐膛內可見明顯的火焰舔管現象，爐膛燃燒狀況較亂，爐管表面超溫，增加助燃空氣量后，燃燒狀況無明顯改善，爐管表面超溫現象仍然存在（2014年4月2—3日，委托烏石化監測中心對我廠一段轉化爐的爐管及外壁進行了2次紅外檢測，從檢測情況來看，爐管整體溫度較上次檢測上升10～20℃，最高達965℃，已超過設計值925℃），嚴重威脅一段爐爐管的安全運行。

因此，若一段爐繼續使用LE-CSG-2PDF型燒嘴，必然會導致爐管長期處于高溫狀態中，形成事故隱患。為解決燃料氣單耗上升、一段爐安全隱患增大的問題，經過與國內同類廠家交流及市場調研，綜合考慮我廠生產工藝要求和系統運行狀況，最終選用了CH-G-F3.85／CH-G-F2.51型超低NOX排放扁平火焰燃氣燒嘴及配套燒嘴磚來提高一段爐的燃燒效率，避免燃燒效果差而導致轉化管表面溫度高，并降低燃料氣消耗。于是，決定更換全部燒嘴和燒嘴磚，新燒嘴磚的外形尺寸與原燒嘴磚外形尺寸一樣，這樣可保證安裝工作量最小，并于2014年9月大檢修期間實施了燒嘴更換工作。

4 新燒嘴的運行狀況及優化調整

4.1 采用新燒嘴后一段爐溫差的調整

新型超低NOX排放扁平火焰燃氣燒嘴型號為CH-G-F3.85／CH-G-F2.51，所運用的低NOX燃燒技術采用分級二次配風的形式補充足量的空氣，使燒嘴的燃燒狀況得到明顯改善，一段爐整體溫差有效降低。生產過程中，一段爐溫差調整的具體步驟如下：①在氨合成塔生產正常后，將弛放氣全部投入到一段爐中，吩咐現場操作人員將一段爐72個燒嘴的閥門逐漸全開；②觀察一段爐的燃燒情況，確認一段爐內燃燒狀況良好的情況下，對4個大風門進行調整，觀察一會兒一段爐各點溫度的變化情況，然后用各個燒嘴中的小風門進行爐內溫差調整，即根據燒嘴東西方向風門開關來進行調整；③對于同一平面的溫差，哪點溫度高，就將東西方向的燒嘴風門進行微調，溫度高就將風門開一些，觀察一段時間，再進行進一步的調整。按照上述方法逐步對一段爐溫差進行調整后，使一段爐整體溫差控制在10℃以下。

4.2 新燒嘴的運行狀況

（1）燒嘴燃燒狀況的對比：火焰形狀規整、穩定、剛性好、整體明亮，尾部無黑煙，根部呈藍色，解決了因燃料氣組分變化導致燒嘴燃燒狀況不好、燒嘴火焰舔爐管、爐膛燃燒狀況差等問題，爐管表面溫度降到880℃以下。

（2）燒嘴壓力的對比：一段爐總管壓力由178kPa左右降至164kPa左右，解決了因燃料氣組分變化導致燒嘴前壓力高的問題。

（3）一段爐整體溫差的對比：一段爐在生產正常（弛放氣投用）后，能夠將全部燒嘴閥門全開，避免了爐管受熱不均勻的問題，并通過每一個燒嘴的小風門調節一段爐的溫差，使一段爐整體溫差由約15℃降至10℃以下，有利于延長轉化催化劑的使用壽命。

（4）NOX減排效果的對比：新型燒嘴所運用的低NOX燃燒技術采用分級二次配風的形式補充足量的空氣，可以有效地協調燃料氣和助燃空氣流量，增強預混效果，有助于改善燃燒條件，燃料氣利用率顯著提高，產生的煙氣中NOX含量明顯降低。

（5）檢修工作量和操作性的對比：舊燒嘴笨重、體積大、安裝和拆卸困難，檢修工作量大，操作難度和強度大；改造后的燒嘴輕巧，便于安裝和更換，調節簡單且操作靈活，操作調整難度及強度明顯下降。

（6）經濟效益的對比：經測算，采用新型燒嘴可使燃料氣消耗量下降4%，以裝置每年滿負荷運行330d計算，年可節約用氣超過950t，節能效益達105萬元，再加上節約的檢維修費用等，年可節約生產成本139.3萬元。

4.3 新燒嘴的進一步優化

2015年4月復工檢修對一段爐催化劑進行更換的同時，發現一段爐72個燒嘴當中有很少一部分燒嘴發生了火焰舔火盆（耐火磚）的現象。為避免新燒嘴發生火焰舔火盆的現象，同時也為了延長耐火磚的使用壽命，特采取以下措施：①一段爐燒嘴全部卸下，進行全面檢查及清理；②將一段爐燒嘴蓋板往上提升1cm，使得火盆不被火焰舔；③一段爐燒嘴裝好后，全面進行試漏，確保不發生泄漏。

一段爐燒嘴蓋板提升1cm后，一段爐燒嘴噴出的火焰往深的方向延伸，避免了火焰舔火盆現象的發生，延長了耐火磚的使用壽命，無形中降低了生產成本。

5 日常運行維護建議

（1）一段爐燒嘴全部投用后，盡量全開燒嘴閥門，用風門（大、小風門）進行溫差調整。

（2）生產運行中每一個階段均需進行彈簧吊架刻度的檢查和記錄，并與以往的記錄進行比對，發現問題及時查找原因并予以處理。

（3）生產運行中每一個階段都要聯系相關部門進行一段爐紅外溫度監測（檢測爐管溫度的一種方法）等，了解一段爐爐管的運行情況，判斷一段爐燒嘴的燃燒狀況以便進行相應的調整；多注意燃料氣組分及弛放氣氣量的變化，發現異常及時匯報并進行相應調整，確保一段爐爐管正常運行。

（4）一段爐開停車過程中注意控制升降溫速率，并確保事故狀態下不發生超溫現象。

（5）按時進行原料氣和燃料氣分離罐排冷凝液工作。

（6）任何時候需把握一個原則，水碳比不能低，只要開車條件滿足就投用水碳比聯鎖，以防水碳比低而造成一段爐爐管及催化劑損壞等。

一段爐的正常運行得益于運行和停運期間檢修人員的良好維護，更得益于操作人員的精心操作與維護。謹以以上淺見與大家分享，期望能為同行提供一點參考和借鑒。