合成氨二段爐烘爐設計方案與實施

易志勇

（中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223）

二段爐轉化爐是合成氨裝置的關鍵設備之一，是合成氨裝置中溫度最高的一臺設備（直接燃燒的爐子除外），內部反應溫度高達 1 300～1 400 ℃。殼體防止超溫的方法一般有兩種，一種是以KBR 為典型的外部水夾套設計；另一種是以Topsoe 為典型的無水夾套而在外壁涂刷熱敏漆的方式，當殼體外壁溫達到一定溫度，顏色發生改變，說明內部襯里已經失效。但無論采用何種方式，因內部高溫高壓環境，且直接與工藝介質接觸，襯里的質量直接影響設備的安全運行。襯里烘爐作為襯里施工最后一道環節，直接影響襯里最終質量，因此顯得尤為關鍵。本文以我公司實際已執行的某國外合成氨尿素項目的二段爐烘爐為例，詳細介紹整個襯里的烘爐方案設計、烘爐過程實施及最終檢查并對其中的關鍵問題進行分析。

1 二段爐內部工藝反應

本項目合成氨裝置采用瑞士Casale 專利包工藝。二段爐工藝原理是：從一段爐出來的轉化氣在上部與工藝空氣進行混合燃燒反應，放出大量熱量，然后進入鎳基催化劑床層進行甲烷轉化和CO 變換反應，最終將一段轉化氣中的殘留甲烷含量從13.5%降至0.5%左右, 以減少進入氨合成系統的惰性組分（CH4）含量，有利于氨合成的正反應，降低裝置能耗。通過調節加入空氣的量控制進入合成反應的H2與N2含量比為3∶1。其內部的基本化學反應為：

2 二段爐襯里設計及烘爐原理

2.1 襯里設計

本項目二段爐的襯里設計由專業耐火材料廠家Calderys 負責設計和供貨，主體為雙層襯里結構，靠近承壓殼體的隔熱層及與工藝介質接觸的耐火層，與廢鍋連接段因有內襯筒結構，設計為單層氧化鋁空心球襯里結構，底部需砌筑高鋁耐火磚拱頂結構，以支撐內部瓷球及催化劑。選用襯里材料信息見表1。

表1 襯里材料信息

2.2 烘爐原理

不定形耐火澆注料在澆筑完成后，一般需在5～35 ℃環境溫度下進行至少24 h 的潮濕養護，此階段水泥與耐火骨料和粉料遇水后發生水化反應，形成常溫強度，但內部仍存在較多的游離水和結晶水，如果正式開車前不將大部分水烘干，開車升溫速度較快時，大量水蒸氣在澆注料內部聚集，壓力聚集到一定程度就可能導致襯里開裂，嚴重時可能發生襯里炸裂脫落。因此，澆注料施工后都需要進行烘爐，一方面是將大部分游離水和結合水脫出，另一方面是使澆注料（特別是耐火層）形成穩定的晶相結構，達到高溫強度。

烘爐的方式可采用離線烘爐或者在線烘爐，如果烘爐過程涉及到整個系統或工序裝置的運行，設備無法單獨隔離，一般采用在線烘爐的方式，直接利用工藝介質或者燃燒煙氣進行烘爐。而對于多數設備，都可以將設備隔離進行離線烘爐，開車時可直接按一定溫度升溫即可，縮短開車時間。對于二段爐，通常都是采用離線烘爐的方式，但烘爐時外部水夾套需要投用，以防止烘爐過程中殼體超溫。

3 烘爐方案及準備措施

3.1 烘爐方案

二段爐烘爐布置方案見圖1。

（1）煙氣入口：高溫煙氣從二段爐底板人孔通入，燃料采用液化石油氣，前端設置汽化器，通過調節燃料消耗和供風量，控制烘爐煙氣溫度。

（2）煙氣出口：從一段爐和二段爐連接的傳輸管線頂部人孔排出。將于廢熱鍋爐、二段爐頂部、傳輸管線前端用陶瓷纖維毯封堵。

圖1 烘爐布置方案示意圖

（3）測溫點：分別在煙氣入口、與廢鍋連接處、筒體中段、頂部及煙氣出口設置測溫點。其中以筒體中段作為烘爐曲線參考溫度點。

（4）拱磚砌筑：烘爐前完成基磚（A、B 磚）砌筑，主要起一定隔熱作用，防止高溫煙氣與殼體直接接觸，同時也是由于基磚內外側有鎳基護板，烘爐后鎳基護板可能發生高溫變形，之后基磚無法砌筑。

3.2 烘爐曲線

烘爐曲線由廠家根據澆注料的類型和厚度提供，圖2 為廠家推薦烘爐曲線，表2 為升降溫計劃。

圖2 廠家推薦二段爐烘爐曲線圖

在烘爐過程中，需注意以下幾個關鍵點：

3.2.1 溫度控制

包括兩方面的內容：

（1）爐內煙氣：嚴格按烘爐曲線控制升溫速率、保證恒溫時間。無特殊情況，應連續進行，不得中斷。若遇特殊情況烘爐中斷，當處于升溫階段時，按50℃/h 重新升溫到中斷前溫度；處于恒溫階段時，按50℃/h 重新升溫到中斷前溫度，同時適當延長此段恒溫時間。

表2 烘爐升降溫計劃

（2）外殼溫度：承壓殼體外壁溫要求不超過130℃，因夾套內部為設計表面熱電偶，因此采用觀察水夾套壁溫的方式監控外殼溫度變化。

3.2.2 液位控制

整個烘爐過程夾套內部應充滿水且保持溢流狀態。烘爐結束關閉燒嘴后，可中斷供水，保持液位24 h。

3.2.3 裙座溫度

裙座溫度需控制在250 ℃以下，為防止裙座內部高溫煙氣聚集導致超溫，在裙座人孔處設置鼓風機，烘爐煙氣溫度達350 ℃后，保持開啟狀態。

4 烘爐實施

烘爐具體操作實施由當地專業烘爐廠家Artash公司負責，其負責具體的烘爐操作，爐內煙氣溫度記錄監控，五環負責外部溫度和液位巡檢及夾套水供應和控制。烘爐前需對燃料管線進行氣密性試驗，進行燒嘴調試、溫度測點和閥門調試。待烘爐條件檢查確認后，氮氣置換燃氣管道，先開風機進行對設備內部進行吹掃，完成后即可燒嘴點火開始升溫烘爐。

圖3 為二段爐實際烘爐曲線。

關于烘爐過程，說明如下：

（1）烘爐過程基本平穩，T3A 溫度點與烘爐曲線設置的溫度Target 基本吻合。

（2）在600 ℃恒溫階段，因與廢鍋連接段陶纖毯及耐火磚隔離墻未固定牢靠，在爐膛正壓作用下吹倒。發現后立即關閉燒嘴，臨時修復封堵處，中斷約45 min 后重新點火并按30 ℃/h 升溫到600 ℃，因此從曲線可看出有一段溫度突降和突升。但T2A/B 熱電偶接線在此時損壞，后續階段無法記錄溫度，因此曲線中未予體現。

圖3 二段爐實際烘爐曲線圖

（3）當爐內溫度（T3A 點）降至 247 ℃時，發現燒嘴調至最小負荷時爐內溫度已下降很慢，因此決定可以停爐，爐內自然降溫。停爐后，從設備自帶熱電偶的觀察，溫度下降已經很慢（3～5 ℃/h）。

（4）烘爐過程中每間隔1 h 對裙座、水夾套、頂部大蓋的溫度進行人工測量。從結果看，裙座溫度控制在小于68 ℃。水夾套溫度最高達到96 ℃，且頂部蒸汽放空管有白汽冒出，考慮夾套內部溫差，認為殼體溫度應已達到110 ℃，判斷基本上可將最內側隔熱澆注料的游離水排出。頂部大蓋最高溫度達到100.4 ℃，比預期溫度稍低一些，大蓋最內層澆注料水分可能未完全烘干，分析原因主要是由于最頂部沒有排氣口，存在死區，升溫受限，但考慮此處實際運行時操作溫度較低，殘余水分可以在開車運行階段逐漸排出。

5 烘爐后襯里檢查

烘爐完成后與襯里廠家一同對二段爐內部的襯里進行了詳細的檢查，結果如下：

（1）襯里整體結構基本完好，主體無大于3 mm且深度達襯里厚度一半裂紋，多為微裂紋（見圖4），滿足專業規范和設計要求。

（2）底部錐段靠近煙氣入口處發現襯里表面脫落情況（見圖5），主要是高溫氣流沖刷所致，脫落厚度最大約5 mm，小于襯里厚度的10%（10 mm），滿足要求。

圖4 烘爐后襯里內部狀態圖

圖5 襯里表面脫落實物圖

（3）頂部大蓋接管周邊襯里開裂脫落（見圖6），開裂處正好在橢圓拐角處，分析原因為此處耐火層錨固釘布置不夠（見圖7），且接管與澆注料之間膨脹間隙不足。最終確定處理措施為：將此部分襯里清除至漏出隔熱層錨固釘，再用相同材質焊接延長錨固釘至耐火層，然后重新澆筑至圖紙厚度，澆筑前接管外側纏繞兩層3 mm 陶纖紙。

圖6 頂部大蓋接管周圍襯里開裂實物圖

圖7 頂部大蓋錨固釘設計實物圖

（4）烘爐后發現部分基磚開裂，疑為基磚內外錐與澆注料之間膨脹間隙不足所致，但詳細分析后與烘爐過程關系不大，在此不做具體分析。

根據烘爐的檢查結果，可以說明整個烘爐方案是合理的，烘爐后襯里整體質量符合使用要求，對于局部出現的襯里開裂問題修復后即可解決。對于烘爐過程遇到的問題，有以下幾方面值得改進：

（1）烘爐時臨時封堵部位應密封好，且用臨時支撐固定牢靠，防止爐內在正壓作用下倒塌。

（2）本項目為考慮頂部大蓋襯里需與設備本體一同烘爐，將頂部大蓋安裝后一起烘爐，煙氣從側邊排出，導致頂部存在小部分死區，蒸汽排出不便，頂部法蘭有蒸發水流出，建議今后項目可以在頂部設置排氣孔，以便水汽排出和此部分襯里的烘干。

（3）二段爐的烘爐應盡量避免中斷，即使中斷應盡量縮短中斷時間，中斷時及時停止夾套供水，保持爐內溫度。特別注意的是在高溫階段（600 ℃以上），停爐后爐內溫度會迅速下降，1 h 可能下降150 ℃，溫度的急劇變化可能導致加劇襯里的開裂、 裂紋增大和襯里脫落風險。因此，烘爐過程必須做好應急預案，確保水源、電源的穩定供應。

（4）水夾套內部承壓殼體表面建議設置表面熱電偶，一是可以在烘爐過程監控殼體溫度變化，觀察壁溫是否達到烘爐要求，同時在運行階段也便于對承壓殼體溫度的監控，判斷內部襯里是否完好。

6 結語

二段轉化爐作為合成氨關鍵設備之一，要求襯里必須滿足長周期穩定運行的要求。二段爐烘爐之前必須根據耐火材料廠家提出烘爐指導方案和實際條件制定詳細的實施方案，包括烘爐布置、 烘爐曲線、溫度及液位控制要求，并由專業的烘爐廠家負責實施，在烘爐完成后應進行詳細的質量檢查，不符合要求應予返修，以保證最終襯里質量。本文最后對烘爐過程提出的改進建議，希望為今后類似項目的烘爐提供一些參考和借鑒。