二段爐分布器的故障分析和改進(jìn)措施

劉巧玲 杜鵬翔

（華電榆林天然氣化工有限責(zé)任公司)

0 概述

二段爐是甲醇生產(chǎn)中的重要設(shè)備。華電榆天化公司共有4臺(tái)二段爐，其中2臺(tái)是2003年的1#、2#兩套甲醇裝置技改時(shí)增加的，另2臺(tái)分別是2004年和2007年20萬(wàn)t/a甲醇項(xiàng)目 （3#裝置）及15萬(wàn)t/a醋酸項(xiàng)目 （4#裝置）建設(shè)時(shí)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(chē)檢修，嚴(yán)重影響了公司裝置的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 二段爐的結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)現(xiàn)在使用的二段爐，由于工藝特點(diǎn)有所不同，其裝置結(jié)構(gòu)也不同，但就二段轉(zhuǎn)化爐整體外形來(lái)講是大體相同的，不同之處僅僅是工藝氣介質(zhì)和工藝空氣 （氧氣）的入口位置、混合氣分布器的結(jié)構(gòu)以及爐體內(nèi)部所用的耐火襯里不盡一致而已。按國(guó)內(nèi)引進(jìn)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(jié)構(gòu)上各種爐型既有相同之處，也有不同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

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(jié)構(gòu)基本相同，尺寸大小略有變化，其結(jié)構(gòu)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(nèi)之頂部裝有氧氣-蒸汽混合氣分布器 （簡(jiǎn)稱(chēng)分布器），容器內(nèi)壁襯有耐熱混凝土，下錐體設(shè)有耐火磚球拱，最上部的耐熱混凝土內(nèi)側(cè)還設(shè)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(cè)有水夾套，夾套殼體上裝有監(jiān)視其運(yùn)行的溫度計(jì)。氧氣、蒸汽混合氣從大蓋頂部進(jìn)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(jié)構(gòu)如圖2所示），混合氣以大約53 m/s（設(shè)計(jì)值）的速度從小孔噴出。

圖1 二段爐結(jié)構(gòu)

圖2 分布器

2 故障現(xiàn)象

1#裝置和2#裝置的二段爐從2003年配氧投入使用以來(lái)，分別在2004年和2005年出現(xiàn)過(guò)分布器嚴(yán)重?zé)龎牡墓收?。燒壞的分布器僅剩下部圓環(huán)(見(jiàn)圖3)，直管全部燒掉，成片狀脫落 (見(jiàn)圖 4)，燃燒室內(nèi)襯也有一定的毀壞。后來(lái)，經(jīng)過(guò)幾年的使用，在操作及管理上有了較成熟的經(jīng)驗(yàn)，損壞情況才有所減輕 （見(jiàn)圖5）。

圖3 分布器燒壞后僅剩的下部圓環(huán)

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(guò)對(duì)分布器損壞情況的分析，結(jié)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(gè)原因。

（1）混合氣的流速偏小?；旌蠚庠谡７€(wěn)定運(yùn)行狀況下以53 m/s(設(shè)計(jì)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(nèi)錐上的孔直徑為6 mm。流速大了，火焰距離分布器就較遠(yuǎn)，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(shí)間內(nèi)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(fù)荷變化以及多次開(kāi)停車(chē)的影響。頻繁的負(fù)荷變化以及多次開(kāi)停車(chē)對(duì)混合氣分布器的影響其實(shí)也在氣體流速上，火焰一會(huì)兒長(zhǎng)，一會(huì)兒短，或者回火，就有可能燒壞分布器。 另一方面，負(fù)荷變化和開(kāi)停車(chē)均可能造成混合氣分布器振動(dòng)，損壞分布器。

（3）壓縮機(jī)組跳車(chē)或者喘振的影響。壓縮機(jī)倒機(jī)、操作不平穩(wěn)或者跳車(chē)也會(huì)給混合氣的流速帶來(lái)變化，尤其是氣流脈動(dòng)會(huì)引起混合氣分布器振動(dòng)?；旌蠚夥植计髟?250～1300℃的高溫下運(yùn)行，所用材料為Incoloy 800H或類(lèi)似于該材質(zhì)的25-20Ni，壁厚較薄 （3 mm），經(jīng)受不起振動(dòng)，一旦有振動(dòng)或振動(dòng)頻繁，就可能造成分布器損壞。

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

（5）分布器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作質(zhì)量有問(wèn)題。

4 二段爐分布器的故障處理

對(duì)燒壞嚴(yán)重的分布器進(jìn)行更換處理，并對(duì)損壞的內(nèi)襯進(jìn)行重新澆注，對(duì)損壞不嚴(yán)重的分布器進(jìn)行修補(bǔ)處理 （見(jiàn)圖6）。處理方法如下：根據(jù)情況補(bǔ)焊缺陷。大的孔洞用與分布器同壁厚同材質(zhì)或高級(jí)別材質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)拼焊接。小的孔洞直接焊接堵孔，打磨光滑后再開(kāi)孔。用Inconel 82焊絲，在電流≤70 A時(shí)采用手工氬弧焊。開(kāi)孔時(shí)，鉆頭與所在曲面保持垂直，持鉆平穩(wěn)。鉆孔修復(fù)后，應(yīng)保證每個(gè)孔的內(nèi)壁平整光滑，以確保氣流暢通無(wú)阻。

圖6 修補(bǔ)處理后的分布器

5 對(duì)分布器的改進(jìn)措施

5.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

（1）進(jìn)氣位置改進(jìn)

原設(shè)計(jì)2#裝置的轉(zhuǎn)化氣混合后是從二段爐上部的一側(cè)進(jìn)入的。經(jīng)過(guò)與設(shè)計(jì)院溝通、交流，并為設(shè)計(jì)院提供了現(xiàn)場(chǎng)第一手資料，在建3#、4#裝置時(shí)就對(duì)進(jìn)氣位置進(jìn)行了改進(jìn)。一段轉(zhuǎn)化氣混合后對(duì)稱(chēng)地從二段爐上部?jī)蓚?cè)進(jìn)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(cè)溫點(diǎn)改進(jìn)

由1#、2#裝置的二段爐運(yùn)行情況可知，二段爐內(nèi)的觸媒溫度可間接提供分布器運(yùn)行好壞的信息。1#、2#裝置的二段爐均只有2處測(cè)溫點(diǎn)。在3#、4#裝置建設(shè)時(shí)，二段爐在觸媒處設(shè)了6處測(cè)溫點(diǎn)，分別對(duì)觸媒的上部、中部、下部對(duì)稱(chēng)設(shè)點(diǎn)，可測(cè)量同平面觸媒溫差，通過(guò)溫差數(shù)值可判斷分布器氣流情況。這樣，在日常操作中對(duì)二段爐的運(yùn)行情況就有了科學(xué)直觀的了解。

（3）分布器結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2006年，發(fā)現(xiàn)二段轉(zhuǎn)化爐的分布器圓盤(pán)頻頻出現(xiàn)孔燒大的現(xiàn)象并出現(xiàn)徑向裂紋，分析其原因是圓盤(pán)式分布器在冷彎時(shí)產(chǎn)生了彎曲應(yīng)力，再加之壁厚較薄。因此設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)時(shí)將圓盤(pán)結(jié)構(gòu)改為正六邊形結(jié)構(gòu)，并增加了壁厚。此外，在制造時(shí)也避免了彎制。4#裝置二段爐就采用了這樣的結(jié)構(gòu)，目前未發(fā)現(xiàn)有孔燒大的現(xiàn)象。

（4）耐火襯里的改進(jìn)

3#裝置燃燒室耐火襯里由150 mm厚的重質(zhì)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(bǔ)，所以將其改造為全部用重質(zhì)澆注料。重質(zhì)澆注料耐沖刷、易修補(bǔ)，比剛玉磚熱延伸性好，不易產(chǎn)生脆性剝落。

5.2 修復(fù)二段爐分布器

二段爐剛投入使用時(shí)，1#裝置、2#裝置曾三次停車(chē)，打開(kāi)二段爐檢查分布器時(shí)發(fā)現(xiàn)氣流噴孔被燒大，因此不得不對(duì)分布器進(jìn)行更換。鑒于二段轉(zhuǎn)化爐的分布器成本太高 (每件約90萬(wàn)元)且損壞頻率較高，該公司組織對(duì)分布器燒大的孔進(jìn)行修補(bǔ)處理，修補(bǔ)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(fù)了3套裝置上的5臺(tái)分布器，且使用效果較好，至今未更換過(guò)新的。此外，還將原來(lái)更換下的2臺(tái)廢舊分布器也進(jìn)行了修復(fù)，以供備用 （見(jiàn)圖7）。

圖7 修補(bǔ)備用的分布器

5.3 加強(qiáng)日常維護(hù)管理

因二段爐分布器的問(wèn)題，公司制定了 《二段爐特護(hù)方案》，對(duì)日常的巡檢內(nèi)容及操作中需注意的問(wèn)題作了詳細(xì)的規(guī)定。設(shè)備狀態(tài)一旦出現(xiàn)小的波動(dòng)或異常，能夠馬上在公司層面由各專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行分析調(diào)整，以確保二段爐穩(wěn)定運(yùn)行。

在日常操作中，規(guī)定操作工必須每小時(shí)對(duì)二段爐封頭、上下大法蘭、頸部錐體、夾套外壁等幾十個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，形成記錄報(bào)表，并對(duì)同一點(diǎn)的溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)的比對(duì)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(wú)論出現(xiàn)哪一種故障，均應(yīng)立即著手進(jìn)行檢修的準(zhǔn)備工作，包括修補(bǔ)分布器的準(zhǔn)備、耐火澆注料的準(zhǔn)備等。停車(chē)后，就可進(jìn)行更換或修復(fù)分布器，對(duì)燒壞的耐火層進(jìn)行重新澆注。在管理上，將二段爐納入每月設(shè)備管理考核范圍，每月月底根據(jù)考核情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)莫?jiǎng)懲，從制度上保障數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

5.4 加強(qiáng)檢查

每遇裝置停車(chē)，若時(shí)間允許，均對(duì)二段爐分布器及爐內(nèi)襯澆注料進(jìn)行檢查，并對(duì)分布器進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)焊修復(fù)。若澆注料局部燒掉，要進(jìn)行局部修復(fù)，以確保故障不超過(guò)可控的范圍。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)二段爐分布器的故障進(jìn)行了分析，并采取了一系列整改措施。對(duì)分布器的使用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，以利于減少或避免分布器故障的發(fā)生。