硝酸装置氨氧化炉故障分析及改进措施
摘 要：氨氧化炉是硝酸生产装置中的关键设备，在生产运行中频繁出现法兰泄漏、测温热电偶护管腐蚀泄漏、铂网催化剂的支撑触媒筐四周焊缝处开裂等问题，严重影响装置的平稳运行。本文针对氨氧化炉在运行中出现的问题，对其工艺流程及结构、材质进行了详细的分析，并结合生产实际提出针对性措施并在维修中加以实施，从维修后的效果看，达到了预期的效果。现对维修情况做以技术总结，对同类设备的维修提供有价值的参考。
一、氨氧化炉炉体结构及流程简介。
氨氧化炉是硝酸生产的核心设备之一，氨氧化炉由上封头(俗称炉头)、炉体、尾气再热器组成。按气流方向，其工艺流程为：按一定比例混合的氨和空气混合原料气从上部封头进入氨氧化炉，自上而下通过铂金网(催化剂)进行氨的氧化反应，同时生成NO和H20，反应温度为850～870℃，高温反应气体经炉体变径段进入尾气再热器盘管间，与水冷盘管进行换热，温度降低后出氨氧化炉，再经废热锅炉回收热量后送往后工序;水在氨氧化炉盘管内自下向上流动，吸收炉内筒体传递的热量，以保证外筒体的温度不致过高，从而保护炉体。
氨的氧化反应是一个放热反应，它在铂合金催化剂作用下进行，其主反应方程式为：4NH3+5O2=4NO+6H2O+907.28KJ 同时还发生少量的副反应，其反应方程式为：
2NH3+2O2=N2O+3H2O+1104.9KJ。
4NH3+3O2=2N2+6H2O+1269.09KJ。
在装置启、停过程中，氧化炉中分面法兰和氧化氮出口法兰频繁出现泄漏。
氧化炉中分面法兰直径3600mm，材质为20g，它的作用是把上封头与下壳体连接紧固，以实现更换铂网、装填拉西环的一个可拆通道。其密封面型式为凹凸面密封，垫片材质为石棉浸石墨。该密封面主要是防止氨空混合气的泄漏。
查阅资料，无论采用何种法兰类型、法兰密封面形式及相应法兰垫片，在苛刻的介质操作环境下都可能发生泄漏。所谓界面泄漏就是一种被密封介质通过垫片与两法兰面之间的间隙而产生的泄漏形式。主要原因是密封垫片压紧力不足、法兰结合面上的粗糙度不恰当、管道热变形、机械振动等，引起密封垫片与法兰面之间密合不严而发生泄漏。另外法兰连接后螺栓变形、伸长，及密封垫片长期使用后塑性变形、回弹力下降、密封垫片材料老化、龟裂、变质等，也会造成垫片与法兰面之间密合不严而发生泄漏。无论哪种形式的密封垫片或哪种材料制成的密封垫片，都会出现界面泄漏。
在法兰连接部位上所发生的泄漏事故，绝大多数是这种界面泄漏，多数情况下，这种泄漏事故要占全部法兰泄漏的80%～95%以上，有时甚至是全部。
根据实际运行中的观察与分析，发现产生泄漏的原因主要是：①温度变化时，法兰、螺栓、垫片因材质不同而造成热胀冷缩的速度不同，使法兰的预紧力满足不了密封要求，造成一定程度的泄漏，一般只能通过在线再预紧来解决。②由于中分面法兰选用的垫片为石棉浸石墨的材质，随着运行时间的延长，在高温环境下，石棉浸石墨的垫片很快老化变硬，在装置启、停过程中出现温度变化时，法兰密封面就会出现泄漏，在线再预紧后，有时并不能解决泄漏问题，检修时发现垫片大多发生了脆断。
在氧化炉下法兰周围设置有4个热电偶测温点，原设计热电偶护管材质为20号钢，护管与壳体采用螺纹连接，设备运行时，热电偶护管内通入空气压缩机出口的二次空气，以清除护管内因低温形成的稀硝酸介质。设备在正常运行状态下，氧化炉内的介质压力与空气压缩机出口的气体压力相当，故在热电偶护管内形成不了气体流动，致使护管内成了气体死区。氧化炉内的氨气氧化后，形成的NOx气体因不能及时吹走而在护管内冷凝，生成稀硝酸。
(三)铂网支撑筐四周焊缝处开裂。
氧化炉内盛装拉西环支撑铂网催化剂支撑筐的原设计材质为OCr18Ni12Mo2Ti，但每次更换铂网时，支撑筐四周焊缝处都会出现大面积的开裂，触媒框箱底变形，很难平整，造成拉西环漏入盘管缝内，会使拉西环减少，造成拉西环厚度不足，还会使盘管温度升高，使表面产生凹坑，导致拉西环支撑的铂网很不平整，会造成停车后再开车点火小氢管旋转和刮碰铂网，无法开车，必须开盖检修。
(一)针对法兰泄漏情况，选用耐高温且不易断裂的金属包石墨复合垫片，以防止垫片在高温下出现脆断。在中面法兰和出口法兰连接中增设了艾志公司生产的AIG预紧碟簧，以有效地补偿因温度变化产生的螺栓预紧力不足，使设备无须在频繁的开、停过程中重新预紧。采取以上措施，顺利实现法兰无泄漏，大幅降低了维修工人的劳动强度，还为设备的平稳运行提供了保障。
(二)针对测温热电偶护管频繁出现腐蚀泄漏情况，改用压力较高的仪表风代替二次空气进行热电偶吹除死角，在仪表风进入护管前增设合适的限流孔板，以取得理想的吹除效果，并使风量适合，减少对热电偶测量结果的影响.
(三)针对铂网催化剂的支撑筐四周焊缝处出现大面积的开裂情况，我们做如下改进，触媒框虽处在高温氧化区域，但并未形成腐蚀性的气体，只需要材料满足耐高温使用条件即可。故可选用耐高温的Cr25Ni20替代OCr18Ni12Mo2Ti材质。这样不但可以避免支撑框的大面积开裂，而且使铂网平整，提高催化剂效率，从而降低氨耗物耗，减少非计划停车，达到安全平稳生产。
四、结语。
根据改进后的运行情况看，大大降低了上述故障，并且氨流量、空气流量、铂网温度、氧化率、尾气再热器的换热效果、外壳温度等都达到了氨氧化炉的运行指标。
参考文献：
[1]《石油化工装置设备腐蚀与防护手册》 中国石化出版社 中国石油化工设备管理协会编著。
[2]2012年4月《化肥工业》高压法稀硝酸氨氧化炉维修总结 张立军 李印昌GB151—1999 管壳式换热器JB/T4705 缠绕垫片。