李 飞，符 君，曾晓波，杨兴珂
（海洋石油富岛有限公司，海南 东方572600）
［摘 要］海洋石油富岛有限公司化肥一期1 000 t/d合成氨装置于1996年10月投产，其转化系统一段炉采用托普索侧烧炉，共设216个自吸无焰式烧嘴，至2022年10月，一段炉进口烧嘴服役时间已达26 a，已超设计使用寿命（20 a）且无备件，运行过程中出现了烧嘴老化、烧嘴回火、烧嘴重心偏移致炉墙钢板变形、一次风门调整故障、文丘里段气流通道坑蚀等故障。为确保合成氨装置稳定运行，采取了一系列短期应对措施，解决了烧嘴部分运行问题、延长了旧烧嘴的使用寿命。2022年初与中国成达工程有限公司联合着手开展烧嘴国产化应用研究，对烧嘴进行了多处升级改造；2022年11月17日，安装1个国产烧嘴试运行，运行状况良好，后续进口烧嘴将逐步更新为国产化新烧嘴。
［关键词］合成氨装置；一段炉；进口烧嘴；典型故障；短期应对措施；国产化烧嘴；技术要求；应用情况
［中图分类号］TQ113.25+4 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）03-0032-04
0 引 言
海洋石油富岛有限公司化肥一期1 000 t/d合成氨装置（简称富岛一期合成氨装置）于1996年10月投产，采用ICI-AMV节能工艺，采用南海乐东—东方气田生产的原料天然气，系统自动化程度较高，整体运行稳定，综合能耗较低。其转化系统一段炉采用托普索侧烧炉，有2个平行并列的辐射段炉膛，分为南炉和北炉，2个辐射段共用1个顶部对流段。南炉与北炉两侧四面共有216个烧嘴（进口烧嘴）。至2022年10月，一段炉进口烧嘴服役时间已达26 a，已超设计使用寿命（20 a）且无备件，烧嘴运行过程中会出现一些故障，而烧嘴工况的好坏直接影响一段炉的稳定运行与合成氨装置的能耗。为此，采取了一系列短期应对措施，同时与中国成达工程有限公司联合开展烧嘴国产化应用研究，对烧嘴进行升级改造，解决了原进口烧嘴存在的问题，节约了采购成本，实现了系统的节能降耗与安全稳定运行。以下对有关情况作一介绍。
1 一段炉进口烧嘴简介
富岛一期合成氨装置一段炉采用自吸无焰式烧嘴，烧嘴燃料气有两股气源，水平软管（有压力表）为燃料天然气管，竖直软管为弛放气尾气（氨合成弛放气氢回收冷箱尾气）管，两股燃料气在弯头处减压混合，产生的喷射作用形成文丘里效应，将一次空气带入烧嘴\[1\]，两股燃料气与一次空气预混后进入烧嘴火孔处燃烧。由于文丘里效应主要由燃料天然气减压产生，因此可以单独使用燃料天然气燃烧，但不可单独使用弛放气尾气燃烧（掺烧弛放气尾气的目的是资源综合利用与节能降耗）。一次空气入口设置消音器，入口滤网和消音器后，其“喉管”通道内有一挡板控制空气量，称为一次风门；烧嘴安装板上还有对称分布的4个小孔作为二次风门，其主要目的是调整炉膛剩余氧含量及开车时点燃烧嘴。
一段炉共计216个烧嘴为甲烷蒸汽转化提供反应所需热量，单个烧嘴最大放热负荷416 000 kcal/h、正常放热负荷379 000 kcal/h、最小放热负荷83 000 kcal/h。一段炉烧嘴燃料由天然气和弛放气尾气组成（可单独使用天然气），燃料天然气设计组分（摩尔分数，下同）为CH4 81.10%、C2H4 1.06%、C3H8 0.31%、C4H10 0.07%、C5+ 0.03%、CO2 3.04%、N2 14.39%，温度315 ℃、压力0.22 MPa（可根据烧嘴要求调整）；弛放气尾气（开车阶段无）设计流量最大值9 400 m3/h（标态，下同）、正常值8 400 m3/h、最小值7 200 m3/h，设计组分为Ar 3.58%、N2 50.59%、CH4 17.20%、H2 28.63%，温度246 ℃、压力0.06 MPa（可根据烧嘴要求调整）。
2 一段炉烧嘴常见典型故障
富岛一期合成氨装置自1996年投产以来，一段炉烧嘴在使用及维护过程中暴露出其设计方面的一些问题，也出现了一些故障，具体如下。
2.1 烧嘴老化
一段炉烧嘴已超设计使用寿命，其材质疲劳老化，加之一段炉炉膛温度高（工作环境比较恶劣）、开/停车对设备的损伤等因素，烧嘴出现各种老化现象，主要包括文丘里平衡段变径处开裂、安装板出现裂纹、烧嘴头部与文丘里段螺纹连接锈蚀（无法调整）等。随着烧嘴服役时间延长，老化现象越来越严重，故障日益频繁。
2.2 烧嘴回火
烧嘴回火是较常见的烧嘴故障之一。当炉膛火焰传播速度大于燃料气流出速度，烧嘴火焰前沿会窜入烧嘴内部，这种现象称为“回火”，反之，则为“脱火”。烧嘴回火是多方面因素造成的，主要原因有燃料气组分变化、烧嘴头伸出炉墙立面过短、烧嘴砖缝隙过大等。富岛一期合成氨装置投产以来，主要有两次工况的改变，造成一段炉烧嘴回火故障较频繁。
第一次工况改变为，2018年大修期间，一段炉整体更换炉墙，新的烧嘴砖与炉墙烧嘴砖支撑架大小并不匹配，为赶生产进度且短时间内无法更改烧嘴支撑架（侧烧炉的烧嘴主要是通过烧嘴砖辐射传热，不可改变烧嘴支撑架的大小或高度。烧嘴支撑架不是易损件，不需要备件，很好加工，但若要更改烧嘴支撑架，可能需全部予以更换，并需重新计算系统热量分布情况），将新烧嘴砖临时作了减小切割，因临时切割安装以及炉墙外钢板变形，导致烧嘴砖缝隙过大——技术规范中要求烧嘴砖间隙在1～2 mm，当前烧嘴砖间隙普遍在3～8 mm。高温烟气在烧嘴砖缝隙里窜气，加热了文丘里段，间接提升了火焰传播速度，导致烧嘴更容易出现回火[2]。
更多内容详见《中氮肥》2025年第3期