預熱爐

預熱爐是一種將低劣質燃料（主要指高爐煤氣，熱煤氣，尾氣等低熱值燃料）或空氣，經過換熱器，在加熱爐的高溫煙氣中換熱 ，將低劣質燃料或空氣溫度提高，一般到300－900度。從而提高劣質燃料的實際燃燒溫度或空氣的顯熱，達到低劣質燃料的高溫煅燒或其它工藝，從而替代優質燃料。

基本介紹

• 中文名：預熱爐
• 外文名：Preheating furnace
• 實質：低劣質燃料或空氣溫度提高
• 特點：替代優質燃料
• 優點：大大節省燃料成本
• 學科：冶金工程

預熱爐簡介

預熱爐預熱爐是一種將低劣質燃料（主要指高爐煤氣，熱煤氣，尾氣等低熱值燃料）或空氣，經過換熱器，在加熱爐的高溫煙氣中換熱 ，將低劣質燃料或空氣溫度提高，一般到300－900度。從而提高劣質燃料的實際燃燒溫度或空氣的顯熱，達到低劣質燃料的高溫煅燒或其它工藝，從而替代優質燃料。

實現了低劣質燃料對優質燃料的替代，從而大大節省燃料成本。同時，也減少了低劣質燃料或尾氣的排放，減少污染。是一個非常節能而且環保的新工藝，新技術。

200 kt /a 甲醇裝置預熱爐原始設計為立式圓筒管式爐，輻射段對入轉化爐的蒸汽和焦爐氣進行預熱，對流段對入轉化爐的氧氣和蒸汽進行預熱，以滿足轉化爐的反應條件; 對流段上部對鍋爐水進行預熱，以回收煙氣餘熱。可見，預熱爐是甲醇裝置中的重要設備，一旦發生故障，轉化系統乃至整個甲醇裝置必須緊急停車處理，其是否正常運行直接影響甲醇裝置的安全、穩定運行。

設備技術參數

預熱爐燃燒空間燃燒氣為合成弛放氣，其低熱值為10 021 kJ /m3，消耗量為3 300 m3 /h; 進燃燒器合成弛放氣壓力3 ～ 8 kPa、溫度40 ℃。

設備特性參數

預熱爐殼體內徑5 156 mm、H = 23 842 mm，煙囪高16 000 mm，材質為Q235-A; 預熱爐內設有加熱管，管外介質為燃料氣，管內介質為焦爐氣、蒸汽、鍋爐水。

預熱爐的運行情況

預熱爐自，投用後，運行期間共發生過8 次設備異常事故，具體如下。

(1)預熱爐輻射段出口法蘭泄漏，停車對墊片及螺栓進行更換。原因分析: 安裝質量方面的問題，螺栓選材錯誤。

(2)輻射段出口集氣管聯箱焊縫出現裂紋，停車進行補焊。原因分析:聯箱製造焊接質量不合格。

(3)預熱爐對流段鍋爐水換熱管泄漏，因修復困難、施工難度大，經專題會議研究決定將鍋爐給水管道自爐外短接，鍋爐給水進出口聯箱處進行了封堵。原因分析: 對流段鍋爐水換熱管制造質量差。

(4)輻射段出口聯箱與盤管角焊縫發生泄漏，系統停車對漏點進行補焊。原因分析: 輻射段盤管出口管與聯箱的焊接結構原始設計和焊接工藝不完善; 角焊縫存在焊角高度不夠且未焊透的問題。

(5)輻射段出口聯箱與盤管角焊縫處再次發生泄漏，停車對聯箱進行改造、更換，徹底解決了設計方面存在的缺陷。

(6)輻射段聯箱出口配對法蘭裂縫泄漏。原因分析: 配對法蘭與管道在原始安裝過程中存在錯邊現象，且該管道熱膨脹應力集中在法蘭高頸過渡區，運行過程中由於應力過大而導致裂紋產生。進一步檢查發現聯箱法蘭高頸部位存在裂紋，對聯箱法蘭及配對法蘭進行了更換。

(7)正常生產中，進入轉化爐的氧氣流量( F60611) 突然由7 453m3 /h 漲至8 066 m3 /h，氧氣壓力由2. 29 MPa 降至2. 21 MPa，預熱爐出口氧氣溫度由353 ℃漲至370 ℃，轉化爐熱點( T60608) 由961 ℃ 降至908 ℃，轉化爐熱點溫度最高只能達到954℃，其餘指標均正常; 現場檢查，預熱爐內聲音異常。經檢查分析，確定為預熱爐內氧氣+ 蒸汽換熱列管泄漏。系統停車後，經綜合考慮決定不對預熱爐進行解體檢查，在外部對3 根爐管分別進行試壓查漏，最內層盤管壓力升不起來，判斷此根盤管泄漏。於是對該盤管進行了兩頭封堵後重新開車，系統維持80%的負荷生產，同時甲醇廠制訂了《預熱爐監控運行措施》、《預熱爐氧氣爐管泄漏應急預案》。

(8)正常生產中，預熱爐爐膛對流段溫度( TI60627) 突然由406℃降至313 ℃; 預熱爐出口氧氣溫度上漲，入轉化爐的氧氣流量上漲，氧氣壓力下降; 入轉化爐氧氣壓力( P60618 ) 與入轉化爐焦爐氣壓力( P60613) 的差值由0. 04 MPa 突然降至0. 02MPa; 現場能聽見預熱爐內聲音異常。由於現場情況與設備故障現象一致，判斷預熱爐內氧氣+ 蒸汽爐管再次發生了泄漏。甲醇廠轉化系統隨即緊急停車。

預熱爐內氧氣管道泄漏原因分析

設備設計存在缺陷

(1) 設計技術數據錯誤。預熱爐設計中，在工藝流程與設備一覽表中明確預熱爐對流段爐管內介質為“氧氣－ 蒸汽”，而在設計的預熱爐設備圖中，圖紙數據一欄顯示，預熱爐對流段爐管內介質為“蒸汽”，預熱爐工藝圖與設備圖中介質內容不相符，預熱爐設備技術數據錯誤。

(2) 設備材質使用等級低。據檢修檢查結果，預熱爐內一組3 根“氧氣－ 蒸汽”管中有1根多處出現漏點。經分析發現， “氧氣－ 蒸汽”盤管使用的材質為304。304 較OCr18Ni10Ti 和316、310 等材料在425 ℃以上產生晶間腐蝕的傾向更強，600 ～ 700 ℃屬於304 的晶間腐蝕敏感區，腐蝕速率最快，而蒸汽+ 氧氣屬於濕氧狀態，高溫下能對Cr2O3防氧化膜產生破壞，對304 有強氧化作用。經與多家設計單位交流確認，304 材料不適宜在高溫、高氧的環境下長期使用，即對於預熱爐的運行工況來說，“氧氣－ 蒸汽”盤管選材等級低，不能滿足使用要求。

(3) 設備結構設計不合理。預熱爐為立式圓筒管式爐，設計時全部採用盤管結構，從運行情況來看，其熱效率不高，僅為75%，且爐管發生故障需檢查、檢修時必須對預熱爐進行解體，可修性差，檢修非常困難。

工藝設計本質安全方面存在缺陷

(1) 氧氣經預熱爐對流段預熱後進入轉化爐，焦爐氣經預熱爐輻射段預熱後進入轉化爐。焦爐氣與純氧同時在1 台預熱爐內預熱的工藝，在國內同類型甲醇廠無相同設計。而這種設計存在本質安全問題，即預熱爐氧氣盤管一旦發生大量泄漏，或發生少量泄漏而未及時發現和採取停車措施，高溫氧氣將導致預熱爐發生重大事故;更嚴重的是，如預熱爐內氧氣管線大量泄漏，轉化爐內1 000 ℃ 左右的高溫氣體倒流入氧氣管線，還會引發二次事故，後果更加嚴重。之前2次氧氣管線泄漏，幸虧及時發現，處理正確果斷，避免了惡性事故的發生。

(2) 預熱爐在原始設計時未設定“長明燈”，爐膛內燃料氣泄漏或者瞬間熄火後，必然造成燃料煤氣在爐膛內集聚，與空氣混合形成爆炸性氣體。

(3) 預熱爐設計助燃空氣為空氣鼓風機強制送風，而一旦助燃空氣鼓風機故障跳車，預熱爐助燃空氣必然停供，這時預熱爐必須迅速切斷燃料氣並熄火，否則必然造成預熱爐爐膛內燃料氣大量積聚，極有可能發生燃爆，而且預熱爐熄火後，無法對焦爐氣、蒸汽、氧氣進行預熱，不能提供後工序轉化反應所需熱量，轉化系統也必須停車。因此，預熱爐助燃空氣僅設計為鼓風機強制送風存在本質安全隱患。

(4) 預熱爐設計時未設定火焰檢測保護系統，預熱爐熄火後，不能自動聯鎖切斷燃料氣，必然造成預熱爐爐膛內燃料氣大量積聚，極有可能發生燃爆。

技術管理方面存在缺陷

(1) 項目基建時期，由於技術管理不到位，技術人員沒有及時發現原始設計、製造方面的缺陷。

(2)預熱爐盤管發生泄漏後，相關技術人員未能對原設計存在的問題進行詳細地識別與分析，只認為是爐管對接焊口處存在缺陷，採用試壓查漏的辦法確定泄漏位置為內圈爐管，因無法進行內部修理，僅對泄漏爐管進行了封堵，使用2 根爐管來保證系統80% 負荷的生產要求，同時對泄漏盤管、集氣管上報計畫進行採購( 到貨周期約2 個月) 。由於技術管理不到位，結果預熱爐盤管再次發生了泄漏。當然，在此期間，工藝人員也提出焦爐氣與氧氣在同1台管式爐內加熱存在本質安全方面的隱患，需對預熱爐進行改造。

改進措施

結合現場實際情況，針對原始設計、製造方面的缺陷，對預熱爐進行改造，由預熱爐製造廠家根據設計院提供的基礎數據及技術要求對預熱爐進行改造設計，同時完成改造施工。具體改造內容如下。

(1) 對流段爐管內介質由“氧氣－ 蒸汽”改為“蒸汽”; 為避免開停車過程中異常工況對爐管造成的不利影響，確保裝置的安全、穩定運行，對流段爐管操作溫度按開車工況500 ℃進行設計選材，選用340H，採用新材料對對流段爐管進行整體更新。

(2) 對預熱爐的4 台燃燒器進行更換，同時助燃空氣由原來的強制送風改為自吸與強制引風可聯鎖自動切換的方式; 在預熱爐對流段增設助燃空氣預熱器，回收預熱爐煙氣餘熱，提高助燃空氣溫度，減少預熱爐燃料氣的消耗。

(3) 對氧氣流程進行變更，即預熱爐不對氧氣進行預熱。改進後的系統流程為: 蒸汽在預熱爐對流段進行預熱後，在轉化爐燒嘴入口處與氧氣混合後進入轉化爐。

(4) 由於對流段鍋爐水換熱管泄漏難以修復，預熱爐就將鍋爐給水管道自爐外短接，在鍋爐給水進出口聯箱處進行了封堵。此次改造中，取消了原預熱爐對流段鍋爐給水加熱段。

(5) 為增大預熱爐運行的安全係數，燃燒器增設了長明燈，消除了爐膛內瞬間熄火後燃料氣在爐膛內集聚與空氣混合可能形成爆炸性氣體的安全隱患。

總結

(1) 本次氧氣流程變更後，預熱爐不對氧氣進行預熱，蒸汽在預熱爐對流段預熱後，在轉化爐燒嘴入口處與氧氣混合進入轉化爐，杜絕了氧氣在預熱爐內泄漏的可能，提高了生產的安全性。

(2) 預熱爐改造後，預熱爐出口混合氣溫度為580 ～ 630 ℃ ( 指標為580 ～ 660 ℃) ，預熱爐出口蒸汽溫度為376 ～ 396 ℃ ( 指標為400 ℃以下) ，2 項關鍵指標及其他工藝指標均滿足生產要求。

(3) 預熱爐4 台燃燒器更換後，燒嘴溫度明顯降低，便於預熱爐燒嘴燃燒氣及空氣的調節，操作人員的人身安全保障也得到了提高; 助燃空氣由強制送風改為自吸與強制送風可聯鎖自動切換的方式後，提高了預熱爐運行的穩定性，避免了因風機故障而導致的預熱爐和甲醇生產系統停車。

(4) 預熱爐對流段增設了助燃空氣預熱段後，既提高了助燃空氣的溫度，又回收了煙氣餘熱，降低了煙氣的排放溫度，利於環保。

(5) 預熱爐燃燒器增設長明燈後，避免了預熱爐熄火後爐膛內爆炸性氣體的存在，提高了預熱爐正常運行及緊急狀態下的安全性。