炼厂60000Nm3/h制氢转化炉的改造及其效果

王磊（中国石化海南炼油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

炼厂60000Nm3/h制氢转化炉的改造及其效果

王磊（中国石化海南炼油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

某炼油厂制氢转化炉1101-F-101为单排管顶烧炉型，炉管为下端固定支撑，进出口管系采用上下猪尾管连接集气管结构，6排炉管共计288根。2005年9月投用。运行近3个检修周期，转化炉存在较多隐患，如炉管泄漏、集合管寿命到期，外壁超温严重、排烟温度高等问题，计划在大检修中对转化炉进行消缺改造，更换176根新炉管、更新下集合管、改造高低温段空气预热器等内容，将转化炉热效率提高至92.5%以上，排烟温度降至130℃以下。

转化炉；隐患；炉管；消缺治理

随着炼油厂加氢装置的逐渐增多，所需要的氢气越来越多，使得制氢装置相应发展的很快，其中转化炉的苛刻的操作条件及运行中的一些设备共性问题都得到了一定的改善和解决。由于转化炉有很多有别于其他加热炉的特殊性，在炉子结构、炉管材料、管路系统支撑及应力、管路系统膨胀及补偿、燃烧、烟气流动分配、耐火材料等各方面都必须精心考虑。本文将对炼厂60000Nm3/h制氢转化炉自投产以来，产生的主要问题及解决方法加以简介。

1 加热炉概况

某炼油厂60000Nm3/h制氢转化炉为单排管双面辐射顶烧炉型，设计热负荷110.22MW。6排共288根转化管，材质HP40-Nb-Ti，每根炉管为下部固定，上部用恒力碟簧吊架悬挂并向上膨胀，膨胀量约为200mm；转化管上下两端分别通过上下尾管与上下集合管连接，上尾管（材质TP321H）吸收转化管上端与上集合管的膨胀位移差及上集合管自身轴向的位移，下尾管(材质NO8811)吸收下集合管的轴向热膨胀位移量；3根上集合管，每2排转化管对应1根，3根冷壁下集合管，每2排转化管对应1根，上集合管由配重式吊架悬挂并随转油线上升管热胀时向上平行移动，下集合管落地支撑；7排共105台顶烧式燃烧器位于转化管排之间以及转化管排与侧墙之间；落地的卧式对流室。沿烟气流动方向依次排有混合原料气预热段、蒸汽过热段、空气预热高温段、蒸发段和空气预热低温段；空气预热器高温段采用板式空气预热器，空气预热低温段采用热管式空气预热器；火管式余热锅炉置于对流室底部，通过输气管与下集合管出口相连。

2 转化炉存在的隐患及原因分析

2.1 转化炉管存在问题

（1）2014年9月24日，某炼油厂受外电网影响造成全厂停电，转化炉突然停工。造成7根炉管在距离炉底部约2～3米处焊缝出现纵向裂纹。11月进行停工抢修，检测炉管发现不合格焊口82道，其中5道为A3缝，77道A4缝。炉管超声波检测发现B+级12根，蠕胀超标26根（外径超过132mm），宏观检查发现3根炉管出现裂纹（离炉顶200mm位置处），7根炉管有离子脱、凹槽、鼓包和气孔缺陷，弯曲变形较大的炉管共21根。根据检测结果，经研究决定更换了112根炉管。同时对炉管寿命进行评估，剩余寿命为2两年（即可运行至2016年12月）。目前未更换的176根炉管表面有较多条状、云团状花斑，运行风险较大。

转化管裂纹、焊缝裂纹原因分析：

①应力腐蚀：开停车频繁，焊缝出现热应力，形成网状结构。

②高温蠕变腐蚀【1】：蠕变的产生主要是由于过热引起的。由于燃料调整，介质物料流量波动大，开停车升降温速度快，以及炉管本身的热应力所造成的。蠕变过程是随时间增长的塑性变形积累过程，是与空穴的集积与微裂纹的发展过程同时发生的。另外，在高温条件下，随时间发生的金相组织的变化和恶劣、载荷的变动、金属的时效过程、扩散作用以及其他与时间有关的因素等，都使得材料的高温断裂强度随时间的增长发生重大变化。转化炉管的蠕变曲线如图1：

图1 典型的蠕变曲线

③高温氧化腐蚀：转化管HP40Nb材料在正常工况下具有良好的抗氧化性，但严重超温或过热会加剧氧化。超温会加剧材料的氧化，使抗蠕变性能下降，加速裂纹的形成和发展，在实际运行中常见的超温现象可归纳如下：1)与催化剂有关的超温。若在装填催化剂时出现“架桥”现象，催化剂装填不满，在炉膛内的空管处就会产生超温。2)催化剂质量不好，升降温速度过快，常会引起催化剂破碎、粉化、导致通气不均匀，阻力降增大，通气量减少而形成严重的局部过热。3)原料气引起的超温。原料气水碳比过低，会引起在催化剂上结碳。蒸汽中的sio2和钠盐过高，会产生结盐、结块现象。4)工艺引起的超温。为满足工艺要求，转化管转化气出口的甲烷含量必须要低于一定值，但由于长期使用，催化剂结碳、结盐、结块、硫中毒、粉化使之活性下降，甲烷含量会超出一定要求，这势必要提高操作温度，无疑管壁温度将要上升。5)由燃料质量引起的超温。如由于天气温度变化，燃料气中带有部分的液态烃和其他组分，使烧嘴喷液，造成炉管严重超温。

（2）自加热炉投用以来，转化炉下锥段焊缝处出现过8泄漏着火。

原因分析：①焊缝焊接质量不合格、焊后热处理不过关，在焊接时由于焊接线能量过大，控制不当，熔化的金属即熔池波及到猪尾管内壁使内壁局部熔化。由于猪尾管所用材料的特殊性，即镍基合金，在角焊缝焊接时无法实现背面充氩保护，一旦焊穿现象发生，很容易造成氧化发渣，其危害性与夹渣、未焊透一样严重，这种缺陷在外部应力的作用下，会成为焊缝裂纹发生的首先发生源。②是外力受力不均而引起的局部应力集中，集气管、猪尾管和转化管是靠众多的弹簧吊架来达成一个平衡的受力体系，这一体系在冷态和热态下是不同的，如果个别弹簧吊架失去作用，将打破整个平衡体系，使之重新达到一个平衡点，这样势必要造成局部受力点的应力集中。自2005年9月投产以来开停车数次，加之弹簧吊架多年未进行过调校，因此部分弹簧吊架已经失效或趋于失效，不能完全发挥其作用，即便更换个别弹簧吊架也无法调整到原始的平衡状态，这种外在的受力不均匀加上其内在因素，很容易造成下锥段焊缝经常性和不可预见性的开裂。

2.2 出口冷壁集气管

目前出口集气管在环境温度20℃，风速1m/s时外壁最高温度为250℃，比设计温度高出60℃。现场示温漆变色严重；13年检修时对集气管内部衬里内检时发现，衬里裂纹较09年检修时增加较多，局部裂纹宽度比09年检修增加1～3mm；2016年邀请衬里厂家现场评估，认为衬里寿命已至末期，如高温运行时衬里裂纹不能有效闭合，将会导致集气管外壁超温鼓包，导致非计划停工。

2.3 辐射室对流段

转化炉对流段各段取热不足导致排烟温度一直在198℃左右，炉子热效率88%，低于设计热效率91%，不符合《中国石化加热炉管理规定》中10MW及以上加热炉热负荷需在91%以上的要求。

目前制氢转化炉进料温度为450.7℃，低于设计值500℃。烟气依次经过对流段入口温度TICA0327为857.7℃；原料预热段后温度TI0307为731.8℃，温降为125.9℃；蒸汽过热段后温度TI0308为648.8℃，温降为83℃；空气过热段温度TI0306为513.3℃，温降为135.5℃；蒸汽发生段温度TI0305为362℃，温降为151.3℃；排烟温度TI0303为193℃，进炉空气温度TI0304为478℃。转化炉出口温度TICA0301为776℃小于设计值≯850℃。对流段温度统计见表1。

表1 转化炉对流段温度统计

2.3.1 蒸汽过热段

目前蒸汽过热段蒸汽出口温度偏低，始终在350℃左右，设计430℃，蒸汽过热段前后的温差仅为83℃，充分表明该段换热效率较低。过热蒸汽温度偏低，造成转化炉进料温度偏低，同时蒸汽品质不高严重影响了下游加氢装置汽轮机的安全运行。

2.3.2 高温段空气预热器

高温空气预热器，压降太大，远远超出设计要求，在引风机满负荷工作的情况下，还经常导致辐射炉膛正压，打开看火门观察炉膛情况时，经常有高温烟气窜出，火烧眉毛，具有重大安全隐患。另外，高温空气预热器取热不足，也是导致转化炉排烟温度高达190℃的原因之一。高温空气预热器体积非常小，使整个对流段在此收缩的特别小，导致烟气流通面积缩小太多，流速过高，形成“卡脖子”现象，压降超出设计范围。

2.3.3 低温段空气预热器

转化炉对流段各段取热不足导致排烟温度高达190℃，这其中低温空气预热器性能不佳也是主要影响因素。低温空气预热器原设计为热管空气预热器，由于热管的高温失效以及烟气腐蚀，导致热管空气预热器性能越来越差，排烟温度越来越高。

3 消缺改造主要内容

（1）更换176根寿命到期的转化炉管。

（2）消除弹簧失效隐患，更换为安全可靠的滑轮组平衡锤悬吊结构取代转化炉管弹簧吊架。

（3）消除冷壁出口集气管超温隐患，更新冷壁出口集气管。

（4）改造蒸汽过热段，增加4排翅片管。

（5）改造高温段空气预热器，将烟气侧压降将严格控制在1500Pa以内，并将空气预热温度由450℃提高到500℃。

（6）改造低温段空气预热器，改造采用成熟可靠的铸铁板式空气预热器代替热管空气预热器，将排烟温度降低到130℃以下。

4 改造后预计能耗及节能

4.1 减低排烟温度

转化炉排烟温度从190℃降低到130℃以下，转化炉燃料效率由大约89.5%提高到92.5%以上，可节约能量在2.85MW以上，按燃料气低热值34000kJ/Nm3计算，节省燃料量305Nm3/h。

4.2 降低炉底壁温

转化炉辐射室底部改造后，炉底壁温降到90℃以下，达到规范要求值，散热损失也会降低很多。

4.3 提高对流段预热负荷

上述节能效果，是对流各段采取措施改造后的共同效果，不仅空气预热温度由450℃提高到500℃，过热蒸汽温度也由现在的370℃提高到了430℃。

5 结语

某炼油厂60000Nm3/h制氢主要提供给全厂2.0MPa氢气管网，转化炉的平稳运行是保证全厂加氢装置正常生产的重中之重。转化炉的隐患治理、消缺改造，提高了加热炉热效率，为公司节省大量燃料气，增加更多效益。同时，使排烟温度符合中石化排放要求，装置更加节能环保。

[1]杨会喜.《新型转化炉炉管的开裂原因分析与防护》.《大氮肥》2007，6.