曾晓波，符 君，吴桂波

（海洋石油富岛有限公司，海南 东方 572600）

海洋石油富岛有限公司（简称富岛公司）化肥一期1000t/d合成氨装置，采用ICI-AMV工艺，以南海海底天然气为原料，自1996年10月投产以来，总体运行稳定，自动化程度高，能耗低。其中，转化系统一段炉采用托普索侧壁烧嘴炉（侧烧炉），有2个平行的辐射段炉膛，分别为南炉和北炉，每个辐射段两侧各有108个自吸辐射无焰式烧嘴，为一段炉天然气蒸汽转化提供反应所需的热量；每个烧嘴有两股燃料气，分别为燃料天然气和氨合成回路弛放气回收氨与氢气后的尾气（简称尾气），烧嘴工况的好坏直接影响着一段炉的稳定运行和合成氨装置的能耗。

1 一段炉烧嘴简介

一段炉烧嘴为自吸无焰式烧嘴：消音器滤网口为燃烧一次空气，其内有一挡板控制空气量，称为一次风门；烧嘴安装板上有对称的4个小孔，称为二次风门，其主要作用是调整炉膛内剩余氧含量和点烧嘴；附带水平软管（带压力表）为燃料天然气管，竖直软管为尾气管，生产中这两股气体在弯头处减压混合，产生的喷射作用形成文丘里效应，将一次空气带入烧嘴。

1.1 燃烧方式：预混合燃烧

一段炉烧嘴燃烧方式属混合燃烧，燃料气与空气（助燃气）在燃烧前充分混合，燃料气浓度在爆炸极限范围内，遇到火焰或达到自燃温度后即会燃烧。

1.2 燃烧空气供给方式：自吸式

一段炉烧嘴不需要借助外力配风，自身文丘里式结构吸入外界空气，功率较小。吸入空气量与燃料天然气压力和尾气压力有关，背压大，文丘里效应产生的负压大，吸入空气多；本合成氨装置一段炉烧嘴燃料气主要是燃料天然气，其压力高，能提供更大的喷射动力产生负压区，不能单独投用尾气，同时炉膛负压控制也影响烟气剩余氧量。正常工况下，一段炉烧嘴由一次风门提供燃烧所需的空气，若烟气剩余氧不足，可通过二次风门调整助燃空气量。

1.3 热量传播方式：辐射传热

一段炉烧嘴燃烧产生的热量被转化管吸收，热量传递方式为辐射传热，辐射传热依靠电磁波辐射实现冷热物体间热量的传递，是一种非接触式传热，在真空中也能进行。

1.4 背压产生方式：文丘里效应

一段炉烧嘴背压是燃料天然气压力调节阀至喷射中心孔的压力，开大压力调节阀，燃料天然气压力高，文丘里效应产生的负压高；喷射中心共5个孔，中心孔为大孔，流通燃料天然气，周围4个小孔流通尾气，尾气热值低、压力低，压力波动大，不稳定，未设置压力表。是否产生文丘里效应，由尾气流通速度和混合燃料气离开烧嘴火孔的速度决定，若尾气压力较高，也会产生文丘里效应。

1.5 火焰形状：无焰式

一段炉烧嘴无焰式燃烧并非没有火焰，而是由于燃烧速度很快，火焰短而透明，无明显轮廓，故称为无焰燃烧。无焰燃烧一般出现在混合燃烧时，而有焰燃烧发生在扩散燃烧的方式中。

2 烧嘴燃烧机理

2.1 火焰传播速度

火焰传播速度是指火焰前锋沿其法线方向相对于未燃可燃混合气的推进速度，火焰传播方向与燃料气流动方向相反，火焰传播速度表征了燃烧过程的火焰前锋在空间内的移动速度，其高低取决于可燃混合气自身的性质、压力、温度、过量空气系数、流动状况（层流或湍流）以及周围散热条件等。总之，影响火焰传播速度的因素有过量空气系数、燃料化学结构、添加剂、混合可燃物初始温度、火焰温度、压力、惰性物质含量、热扩散系数、介质比热等。

2.2 混合燃料气流通速度

一段炉烧嘴混合燃料气流通速度指单位时间内离开文丘里管而从烧嘴火孔喷出的燃料量，这个量与燃料气量（背压）、尾气量（背压）、助燃空气量、炉膛负压有关。同时，助燃空气量与燃料气背压有关，尾气量与合成回路弛放气量及弛放气中氢气回收冷箱工况有关。混合燃料气流通速度越快，表明这三股混合气量相对越大。

2.3 混合燃料气燃烧过程

一段炉烧嘴混合燃料气燃烧分为三个过程：燃气和尾气分别加热；燃气、尾气、助燃空气的混合；混合可燃气在烧嘴孔处着火、燃烧。稳定燃烧时，燃气和空气的混合速度与火焰的传播速度相等且稳定，此时火焰传播速度与混合燃料气流通速度大小相等、方向相反。

2.4 烧嘴回火与脱火

当火焰传播速度大于混合燃料气流通速度时，火焰前沿就会窜入烧嘴内部，这种现象称为“回火”；当火焰传播速度小于混合燃料气流通速度时，火焰前沿就会向烧嘴外移动，并被吹熄灭，这种现象称为“脱火”。

3 一段炉烧嘴回火原因分析

富岛公司1000t/d合成氨装置于2020年6月10日停车大修，更换了使用24a的氨合成催化剂，开车阶段氨合成催化剂还原期间，一段炉多次发生烧嘴回火现象，并出现烧嘴砖缝隙变大、一段炉外壁超温现象。经分析与梳理，一段炉烧嘴回火原因具体如下。

3.1 系统负荷过低

一般正常开车过程中，一段炉化工投料结束时生产负荷可达40%，后续开车过程中逐渐加负荷，在合成气压缩机开车前，系统负荷会提到70%，到氨合成塔升温时，由于考虑到系统多产蒸汽利于尿素装置开车（转化废锅、变换废锅、合成废锅副产的蒸汽均补入蒸汽管网，供尿素装置开车用），负荷会相应再提升一点。而本次合成氨装置大修，更换了使用24a的氨合成催化剂，其后氨合成催化剂还原持续时间约248h（中途因前系统跳车中断了35h），为控制氨合成催化剂的还原速率，合成回路采用低循环量，系统负荷（FC03013）只有22km3/h左右（以工艺天然气流量计，满负荷为33.5km3/h），由于负荷过低，一段炉所需燃料天然气少，燃料天然气背压低，只有50～78kPa（指标为100～200kPa，据燃料天然气总碳、炉管外壁温度、生产负荷等进行调整），即氨合成催化剂还原期间系统负荷长时间过低，混合燃料气流通速度相对较低，在火焰传播速度一定的情况下烧嘴就容易出现回火现象。

3.2 混合燃料气组分变化

本次氨合成催化剂还原时间长，氨合成回路弛放气氢回收单元（冷箱深冷分离）一直未开车，未回收氢气的弛放气作为尾气直接送至一段炉烧嘴与燃料天然气混合，混合燃料气中氢含量相较于正常生产时长时间偏高，而氢气相较于甲烷更易燃烧——甲烷的最小点火能为0.28MJ、氢气的最小点火能为0.017MJ，由于氢气燃烧速度快，相对就提升了火焰传播速度，在混合燃料气流通速度相对较低的情况下，烧嘴变得更易回火（合成氨装置正常开停车阶段氢回收单元未开车的情况下，一段炉烧嘴也易出现回火）。

3.3 炉膛负压控制不理想

笔者查阅了氨合成催化剂还原期间一段炉负压的控制情况，随着氨合成催化剂还原的进行，合成回路压力逐渐提升，弛放气量逐渐增大但不稳定，系统负荷偏低，主控（人员）对炉膛负压控制不是很到位，有时长时间在-70Pa左右（设计值为-100Pa），炉膛负压控制不理想，降低了烧嘴火孔处混合燃料气的流通速度，加快了火焰传播速度，烧嘴变得更易回火。

3.4 烧嘴砖缝隙大

2018年富岛公司1000t/d合成氨装置大修期间，一段炉整体更换炉墙，烧嘴砖是4块组合安装的，与炉墙烧嘴砖支撑大小并不匹配，烧嘴砖临时进行了改小切割，此种烧嘴砖安装方式加之炉墙外钢板变形，导致烧嘴砖缝隙过大——建厂技术资料中，要求烧嘴砖各块间隙在1～2mm，而目前烧嘴砖间隙普遍在3～8mm；烧嘴砖外炉墙设计温度110℃，因高温烟气在缝隙里窜流，目前炉墙外钢板温度大多超过150℃，此处过高的温度间接加热了文丘里后烧嘴部位，即间接提升了混合燃料气的温度，使得混合燃料气温度更接近燃点，更易燃烧，由此提升了火焰传播速度，烧嘴变得更易回火。

3.5 混合燃料气温度超过设计值

氨合成催化剂还原后，一段炉烧嘴也发生了回火现象。在目前的工况下，燃料天然气盘管加热出口长期在319℃左右（设计值为300℃），尾气经中压蒸汽预热后温度在268℃左右（设计值为260℃），混合燃料气温度高，更利于燃烧、有助于节能，但混合燃料气温度不是越高越好，超设计温度后，混合燃料气温度更接近燃点，火焰传播速度大大加快，烧嘴变得更易回火。

3.6 烧嘴头伸出烧嘴砖长度不够

一段炉烧嘴耐高温头伸出烧嘴砖立面长度设计为（47±3）mm，而实际上由于烧嘴砖凸出面不平、炉墙外钢板变形、炉墙热胀冷缩、烧嘴消音器重力（烧嘴头轻脚重）、检修后烧嘴回装质量不高等原因，导致烧嘴投用后耐高温头伸出烧嘴砖长度不足，而烧嘴火孔是弧面布局的，最外的烧嘴火孔会出现回火，加热了混合燃料气，导致混合燃料气变得更易燃烧，由此提升了火焰传播速度，烧嘴变得容易回火。

3.7 一次风门挡板固定卡销松动

2020年6月富岛公司1000t/d合成氨装置大修时，一段炉一次风门挡板由于通道结垢和金属的热胀冷缩，基本无法开关，为了松动一次风门挡板，维修单位将风门固定卡销放置在很松的位置；回装烧嘴开车时，岗位人员点烧嘴后也没有及时将卡销旋紧以固定一次风门挡板，挡板松动，影响烧嘴的文丘里效应，烧嘴燃烧状态不稳定（一次风门挡板全开时，理论上此时有最佳的燃空比；挡板全关时，烧嘴变成了扩散燃烧），易造成火焰回闪。

4 烧嘴回火后的处理措施

4.1 烧嘴回火发生的时间

合成氨装置开车阶段，转化系统氮气升温后期，一段炉炉膛温度达到甲烷的自燃温度，约550℃，此时无需点火器即可点燃烧嘴，由于达到了自燃点，火焰传播速度大大加快，不存在烧嘴脱火了。而回火发生的高概率期是氨合成回路开车中后期，一段炉烧嘴投用未经回收氢气的弛放气尾气，直到弛放气氢回收冷箱工况正常——弛放气中氢被回收至氨合成回路，尾气中氢含量降至许可范围，这个阶段一段炉必须加强巡检。

发现回火容易，难的是避免回火。开车阶段，为尽早发现可能出现回火的烧嘴，可测量烧嘴靠近固定盘位置的温度，温度高的，发生回火的概率高。

4.2 烧嘴回火后的处理

烧嘴发生回火时有非常大的“噗噗”声，且烧嘴文丘里管段有烧红现象，此时应立即对称切除回火烧嘴，关闭燃料天然气和尾气阀门，分析烧嘴回火的原因，待烧嘴自然冷却后，确认回火的影响，如果回火没有造成烧嘴烧坏（因回火轻微受损的烧嘴可继续使用）和烧嘴砖异常（烧嘴砖为耐高温材料制作且经过除水处理，烧嘴回火会造成烧嘴砖缝隙变大，本一段炉未曾有烧嘴砖烧坏的情况发生），应择机重新投用烧嘴，投用的原则是，提高混合燃料气流通速度，降低火焰传播速度，且投用后加强巡检；当然，如果回火造成烧嘴严重烧坏，需在线切除交由保运部门更换备用烧嘴。

为避免烧嘴出现回火，可提升混合燃料气的流通速度，其方法为全开一次风门，提高烧嘴背压；可降低火焰的传播速度，方法是控制炉膛负压在设计指标和适当开大二次风门，但此举不利于节能；此外，为避免烧嘴出现回火，还需综合分析混合燃料气组分方面的影响，确认燃料天然气组分是否有变化以及尾气组分的变化情况。

若开车阶段烧嘴发生回火，此时尾气热值较高，会提升火焰的传播速度，而投用尾气也利于混合燃料气流通速度的提升，故此时投用尾气有利有弊，需找到一个更利于提升混合燃料气流通速度的尾气量。此阶段烧嘴投用务必小心，投用后最好观察半小时，无异常现场人员再离开。

5 烧嘴回火防范措施

基于一段炉烧嘴回火原因分析，富岛公司对存在的问题进行了整改，不能整改的则加强监控。烧嘴回火防范措施主要如下。

（1）日常生产中，目测烧嘴头伸出烧嘴砖的长度，长度不够的联系保运部门在线拆除并调整，尽量往控制高限调整，确保烧嘴头伸出烧嘴砖的长度在许可范围内；转化岗位（人员）巡检时测量安装板处文丘里管的温度，温度高的，开一个二次风门使其降温至正常温度，防止可能发生的回火；主控精细化操作一段炉，根据环境温度（气温）、燃料气热值、风向等及时调整一段炉工况，一方面可减少或避免烧嘴发生回火，另一方面利于节能降耗；强化转化岗位理解回火的概念、原因及后果，科学掌握回火的处理原则和方法，以确保一段炉工况的稳定。

（2）开车阶段，在一段炉氮气升温初期，控制炉膛负压在-50Pa，防止烧嘴脱火熄灭；当炉膛温度达到天然气自燃温度600℃而无需点火枪点烧嘴时，即可逐步将炉膛负压控制在正常设计指标-100Pa，一段炉化工投料所需热量多，此时必须以正常炉膛负压控制。此外，开车阶段需加强一段炉烧嘴燃烧状况巡检，尤其是初投尾气环节，确保每半小时巡检一次。

（3）停车阶段，首先关闭一次空气风门，然后马上关闭燃料天然气/尾气切断阀，如此可避免火焰熄灭时产生短暂回火。

6 结束语

通过对本次一段炉烧嘴多次发生回火现象的原因分析及处理实践，我们进一步认识到一段炉检修质量把控和精心操作的重要性。针对一段炉烧嘴回火问题，当出现异常时，首先，可借鉴原始的安装及维修说明，摸透其中的关键指标及其内涵；其次，对比分析回火时与之前正常生产时工况的差别，以利及时找出原因，对症下药；最后，应做好员工的培训工作，规范化操作一段炉。

现阶段，富岛公司1000t/d合成氨装置一段炉烧嘴回火问题得到有效控制，但一段炉仍存在一些暂时无法解决的隐患，包括烧嘴砖缝隙变大、一段炉外壁超温等，我们将继续摸索与总结，力保一段炉的安全、稳定、优质运行，为企业提质增效贡献一份力量。