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中压变换热交换器的问题探讨(论文),全热交换器,热交换器原理与设计,全热交换器工作原理

时间:2013-04-04 来源: 旭镜学习网

2003年第3卷第4期 气体净化 ·117· 中压变换热交换器堵塞、泄漏原因及技改方法 温... -中变炉.-电加热器一热交换器(管内)一混合嚣但热交换器的堵塞问题、使用寿命问题一...

维普资讯 http:// 1 0   小氮肥 2 0 0 4年 第 l 2期  中压 变 换 热 交换 器 的 问题 探 讨  温福亚 王 国栋 张考全  ( 山东省济 宁市恒 立化工有 限公 司  2 7 2 1 6 7 )   0   前 言  成为影晌生产的一大障碍 , 给公 司造成 了很大的  经 济损 失 。

  l   中压变换系统的基本情 况  1 . 1 系统工艺 流程简述  ( 1 ) 气 体流程见图 l 。气相有 2 条 副线 :

1   副  济 宁市恒 立化工 有 限公 司 1 9 9 6年 投产 的 中   压 变换 系统 因为热交的堵塞 、 泄漏 , 曾一度成为生  产中“ 瓶颈 ” 工序 。由于热交经 常发生堵 管 , 系统  阻力大 , 热 交 自身 压 差最 大 时 达到 0 . 2 5   M P a以  上, 无 法维 持系统 的安全稳 定 生产 , 须 停车处 理 。

  自1 9 9 8年 以来每年 因热交停 车皆在 4次 以上 , 而  且 由于多次加水 冲洗热 交 , 造成 热 交列管 受力 温  差大 , 加之气体 中夹带粉尘杂质 冲刷列管 , 致使热  交 内漏多次 , 蒸 汽消耗 量 大幅度 上升 。热 交问题  2 2 Ⅲ塞压鳙机三段来的半水煤气一 半水煤气分膏■——一 线 是从混合器来 的半煤气 , 不经热 交换器 直接 经  电炉进入 中变炉 , 调节进 中变炉 的气体 温度 ; 2   副  线是从热交换器 出来 的变换气 , 不 经调温 水加 热  器直接进低变炉 , 调节进低变炉 的气体温度 。

  广 _一 过热蒸汽  饱和塔 ——_ J   汜含量 一 热 交换曩 ( f 内卜—一 电加热量 . 1   [   2 、 图3 。

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二   ■敝 辐  一 中 辨 一   ( 2 )一热 网络 、 二 热 网络热水 流程 分别见 图  其规格 为 O l   4 6 0× 3 0 。它分两部 分 , 上 部列 管材  质为不 锈 钢 , 0 2 5× 2 . 5的列管 l   5 5 0根 , 换 热 面  热水塔的水 ( 包括 一热 网络的中压脱盐水补水 ) 一 热水泵—— — —   积2 4 0   m   ;下部 列管 材质 为 2 0碳 钢 , 0 2 5× 2 . 5   的列管 l   5 5 0根 , 换 热面积 7 3 0   m   ; 管间变换气有  l 6根 0 1 0 8 × 4 . 5的联通管道连接 , 其整体 受压元  件材质 为 1 6   M n R 。

  2   热交堵塞、 泄漏的原 因   L 水封f 一 饱和塔 一 调沮水加热量 ( f 内) 一 水加热曩 ( f 内)   图 2 一热 网络热 水 流程  再烁再生加热量的回水一 热水曩冲槽 一 二热水泵— l   L — — — — — — — 一 脱 盐 水 加 热 曩   f 问 ) _ - j   图 3 二热 网络 热水 流 程  变换系统 1 9 9 5年底开 车 , 1 9 9 7年 生产稳 定 ,   系统达到 设计 能力 。1 9 9 8年 以来进 一 步挖 潜增  1 . 2 主要 设备  主要设备 一览表见表 l 。

  ( 1 )饱 和热水 塔 。饱 和热水 塔 为填料 塔 , 其  规格为 O l   8 4 4× 2 2 , 内装 2 5 0 Y不锈 钢 规整填 料  产, 合成氨 产量达到 1 0 0   k t / a , 进变换 系统煤气 量  达到 4 7   3 4 0   m   / h ( 标态 ) , 变 换 系统 已处 于超 负  荷状态 , 特别是饱 和塔在正 常生 产状态 下 明显 出   现带水现象 , 混合器的排污是常开常流水 , 热交换  器时常 发生堵 塞 , 致使热交换器阻力大而泄漏 , 变  换 系统超压 , 蒸 汽消耗 高 , 压 缩机 电耗 高 , 变换 系  统成 为生产中“ 瓶颈 ” 的工序 。

  2 . 1 热交堵塞 的原 因   热交的堵塞均在 上管 板 的中心处 , 堵 塞物 成  8 0   m   , 饱和塔和 热水塔 的填 料均 分 2层 , 进水 管  口有液体分布器 , 填料之间有液体再 分布器 , 饱和  塔填料每层高 为 5   7 0 0   m m, 热水塔填料每 层高为  3   7 0 0   m m, 2 塔 内部结构 相同。

  ( 2 )热 交换器 。热 交换 器 为列管式换 热 器 ,   维普资讯 http:// , J 、 氮月 巴 2 0 0 4 年 第l 2 期  堆成堆地积在列管上 , 有 的列管被堵死 , 这些堵塞  物呈土黄 色粉末状 固体 , 其 中夹杂着黑 色的杂质 ,   多次取样分析 这些 固体物 质 的成分 , 分 析结果 见  表2 。

  表 1 主 要设备 一览 表  设备 名称  中变 炉  低变 炉  饱和 热水塔  形成 的腐蚀产物 随煤气 中所 夹带的水沫或水雾进  入热交 , 但变换的主要设备和管道都是不锈钢 的 ,   即使有腐蚀但也不会 如此严 重。

  ( 3 )进变换 系统 的煤 气带人 。我们认 为这是  造成热 交经常堵 塞的主要原 因。公 司半水 煤气的  备注  设备规 格 、 型号  0 3   2 8 0× 4 0   H =l 8   6 4 2   mm  03   O 5 6 ×2 8   H=1 4   O o 0   mm  净化不 太理想 , 进 变换 系统 的是压缩 机 三段 出 口   的l 3 0℃左右 的热煤 气 , 煤气 中夹带 的煤焦油 、 煤  末、 硫泡沫 、 油水及其 它固体 杂质直接进入变换系  统, 致使一热系统 循环水 中的总 固形物 含量一 度  装B l l 7型催  化剂 6 0t , 分 3层  装B 3 0 2型催 化  剂3 0   m   , 分 2层  O l   8   4 4   x 2 2     萋   咖 高达 2   0 0 0   X   1 0   以 上 。为 解 决 这 个 问 题 , 于  2 0 0 0年在变换进 口增加 了 l台水 冷器 , 将人 变换  2   热交 换器  l4 60 x 3 0 H O : 换热 面 积 97 0m 系统 的煤气冷却 到 3 5℃ 以下 并分 离油水 后再 进  变换 系统 , 但水冷器运行后 , 尽管堵管间隔时间长  l ll l O m m  落  O l   2 3   2   x   1 6   璧 兰   … 加 热器  H=  4 o 0   m m   1 4   ㈦ O l   2 2   8   x i   。

  J l 1 t 管   v o   o   J [ ' l  ̄   面积 2 9 5 ’   ’   了一些 , 但没能彻底解决热交堵塞 的问题 。

  2 . 2 热交泄漏原因  O l   ?   从公 司多次检修 、 折检热交 的情况来 看 , 热交  的泄漏大多是 在上 管板 处 的列 管 口处 , 正对气 体  进 口管 中心部分 的列 管 口被 冲刷 腐 蚀得 薄 如纸  片, 管壁厚度不 足 0 . 4   m m, 列 管壁上 多处有穿孔 ,   … 半 水煤气  ( 变换气 )   气 水分 离器  一 O l   6 3 6×1 8   H= 6   2 4 9   m m   ( H= 5   2 5 8   m m)   2 0 0 R H X一 7 2 Ⅲ 内件 为 2 层  的旋 流板式  分 离结构  流量 2 8 0   m   / h , 扬程7 2   m   管板与列管 之 间 的焊 缝 凭 肉眼 可见 气 孔 和 裂纹  ( 裂纹均 为不 规 则 的纵横 交 错 的龟 纹 ) 。对 于热  热泵  交 的泄漏 , 经 分析认 为主要 有 以下三个 方 面的原  因。

  表 2 热 交堵塞 物 中总硫 ( 硫 化物 ) 含量  ( 1 )电化 学腐蚀 。从流程 可看 出, 变换 系统  补加 的是过热蒸 汽 , 其过 热蒸汽 补到 混合 器 的进  口, 在混合器 内与煤气充分混合后 , 从上部进 入热  交换 器 管 内。但 由于 饱 和 塔 带 水 , 加入 的 2 . 5   M P a 、 4 2 0   o C的过 热蒸 汽 要 先将 一 部分 的水 加热  汽化 , 使过热蒸汽 的热量损耗很大 , 而热 交进 口的  煤 气和蒸汽的混合温 度就 接近露 点温 度 , 加上 没  经综合分析 , 这 些 固体物质 的 主要来 源有 以  下三个方面 :

  汽化的一部分水雾 , 在热交 的上管板列管部位 , 煤  气 中的 0 :

、 C O :

、 H :

S 、 C 1 一 在水 相 中 反 应 生 成 碳  酸、 氢硫酸 、 硫酸 等较强 的酸性腐蚀 介 质 , 这 就为  电化学腐蚀和露点腐蚀提供 了环境 。

  ( 2 )冲刷腐 蚀 。由于半水 煤气 中带 出物 多 ,   净化 度不好 , 造成 煤气 中粉尘 多 , 虽 经过洗 涤塔 、   ( 1 )补水带 人。相 当多的小化 肥厂的热交换  器也常发生堵 塞现象 , 其原 因之一 就是在 一热 网  络 系统所补人 的软水 中含有 较多的盐类物质 。这  些盐类物 质随煤气中所夹带 的水沫或水雾进入热  交, 受热后水分蒸发 , 而盐类物质在热交列管 内沉  积造成堵 塞管 道 。然而 所补 人 的是脱盐 水 , 其 中  所含盐类物质极 少 , 不会 造成热 交在 如此 短的 时  间 内发生堵塞 。

  脱硫 系统 、 分离器 、 饱 和塔 等多道工 序进行 净化 ,   但仍 不可避 免地 被带 到热 交 , 这从 热交 的堵 塞物  可看 出 , 用热水洗 热交 时 冲出的污水 中有很 多黑  色的细小的煤粉。半水煤气 中夹带 的粉尘杂质从  热交上部进入无挡 板装 置 的热 交 内 , 使 不耐磨 的  ( 2 )腐蚀产物 。不排 除设 备和管 道受腐蚀 后  维普资讯 http:// l 2   小氮肥 2 0 0 4年 第 1 2期  不锈钢钢管管壁很快 被 磨薄 , 导 致经 常发 生穿孔  现象。

  ( 3 )应力腐蚀 。热交堵塞时均 采用加热水 冲  洗, 停 车后 , 用9 5℃ 的热水 从 上部加 到灼 热 的热  交列管 内, 使热 交 的列管受 到 冲刷 和冷热 交替 造  保护板 , 在 每个列管 口加 了 O 1 9   X   l 、 长1 0 0   m m的  不锈钢保护套管 , 这样 就保 护 了列管 及列 管 和管  板之 间的焊缝不受强腐蚀介 质的电化学腐蚀 和露  点腐蚀 , 从 而大大延 长热交 的使用寿命 。

  下一步改造 可将热 交换 器分 为两 个 , 第一 热  成 的应力变化 的双 重 因素 , 加重 了列管 泄漏 的程  度。

  交 为小换热面积 的全 不锈 钢设 备 , 可作 为预腐 蚀  器, 第二热交为大换热面积 的碳钢设备 , 处理 出现  问题 的第一小 热交会 省 时省力 ; 还可将第 一 热交  的流程 改 为煤气 从 底 部进 、 上部 出 , 即使煤 气 带  水、 带杂 质 , 可 以从 热交底部 及 时排污 , 就缓 解 了   3   热 交系统 的改造和设 想  因前所述原 因 , 进变换 系统 的半 水煤 气 净化  不好 , 饱和塔循环水 中固形物含量 高 , 饱 和塔超 负  荷带水 至热交 内, 这些 溶解 在水 中的盐类 物质 随  煤气中所夹带 的水 沫或 水雾 进入 热交 , 受 热后 水  分蒸发而盐类物质便 在 热交 列管 内结垢 , 堵 塞热  交形成阻力 , 而频繁 地停 车加水 冲洗更 加重热 交  的泄漏 。所 以就把改造 的重 点放 在饱和塔和热交  系统 。

  3 . 1   饱和塔 系统 的改造  气 体对列管的冲刷和腐蚀 。

  4   改造后的效果  2 0 0 1 年 l 0月份 大修 热交 和 饱 和塔 改 造 成  功, l 1 月 份 开 车 至今 再 没 有 因为 热 交 问题 停 过  车, 热交系统 已连续低 阻运行 1 年多 , 为公 司挽 回   经济损失 1 0 0多万元 , 而且 由于热交阻力小 、 变换  系统压 差小 、 压缩机 电耗下降 , 变换系统蒸汽消耗  也明显降低 , 节省 了中压蒸汽 , 使公司的发 电机组  达到设 计发 电能力 和 良好运行 状态 , 也使 公 司 的  一 经过多方考察 、 调研 , 公 司在 2 0 0 1 年秋季大修  时与石家庄正元公 司合 作将饱和塔 改为新 型垂 直  筛板塔 , 单塔生产能力增产 2 5 %, 杜绝 了饱 和塔的  超负荷带水 问题 , 进入热交的煤气和蒸汽 的混合气  就是过热的 , 即使煤气 中含有较多的 H   S 、 0   、 C O   ,   条龙生产达到 了安全 长周期 稳定 运行 的状 态。

  表 3 改造前 、 后热 交 自身 阻力测 试数 据  系统改造后 的工艺情 况见表 3 、 表4 。

  没有水雾的存在也就没有滋生强腐蚀性介质 的“ 温  床” , 也就避免 了电化学腐蚀和露点腐蚀。

  由于此垂直筛板塔传 质效 率高 、 传 质区域 广 、   处理能力 大 , 它的塔高远低 于填料塔 , 所 以为配合  饱和塔 的改造 , 将饱和塔进 液管下 降 2 . 5   m, 又增  大了上部分 离空 间 , 在 塔顶部 又 装 了旋流 板分离  器, 在 出气管道上也装 了管道分 离器 , 相 应就有 了  3道防线来 分离气 相 中夹 带 的微 小雾 沫 , 这样 就  彻底解决 了气体 带水人 热 交 的问题 , 既延 长 了热  交的使用 寿命 , 又保护 了中变催化剂 。

  3 . 2 热交系统的改造  针对冲刷腐蚀 问题 , 在气 体管 人 口处加 l 块  圆形挡板 , 以1 9   m / s 以上高 速 的. 、 夹带 杂 物 的半  水煤气进到热交后 , 冲到挡板上后再反折 回热交 ,   不再 直接 冲刷列 管 , 避免 了不 锈钢 列管 的直接 冲  刷腐蚀 。

  ( 1 )减少停车次 数。1 9 9 8年至 2 0 0 1 年 4年  内因处理热交 共停 车 l 8次 ( 秋 季 大修 除外 ) , 中  型氮肥 厂每停 1 次车 大约损失 2 0万元 , 4年共 损  失3 6 0万元 , 自2 0 0 2年 以来没有 因为变换 热交而  停车 , 每年为公 司挽 回经济损失 9 0万元 。

  为 了防止 电化学腐 蚀 和露 点腐蚀 , 将 新 热交  的上管板加了 3 层 厚度 为 l   m m 的不锈钢 隔热层  维普资讯 http:// 小 氮肥 2 0 0 4年 第 l 2期  1 3   全 低 变 改 中低 低 流 程 改 造 小 结  高  雁  ( 责 州毕节虹翔化 工有 限公 司 公 司原有变换系统为全低变流程 , 由于工艺 、   设备上存在一些问题 , 多年来 的运行状况 不理想 ,   主要表现在 以下几方面 :

  5 5 1 7 1 3 )   ( 3 )由于全低 变工艺 操作 温度 相对较 低 , 在  换热设 备处蒸 汽极 易产生冷凝 而造成换热设备腐  蚀, 造成停车次数增加 。堵管既影 响了生产 , 又降  低换 热设备换 热效 果 , 同时又造 成整个 系统 的阻  力增 加 。

  ( 1 )由于半水煤气 中 0 :

含量经 常跑高 、 煤 焦  油含量高 , 除氧 、 除油效果差 , 除氧剂易失效 , 造 成  低变一段触媒失 活快 , 系统阻力增加 , 触媒使 用寿  命缩短 。

  ( 2 )由于全低 变工艺对半水 煤气 中硫含量要  求较 高 , 在全低变使用初期 , 由于未设置变换气脱  硫 系统 , 变换 气 中 H :

S含 量高 , 造 成脱 碳 系统 产  生硫堵 , 精炼 带液 事故 频繁发 生 。后来 利用 碳化  系统部分设备改 造为变 换气脱 硫设 备 , 才解 决 变  换气 中 H :

S含量高 的问题 。

  表 4 改造前、 后变换系统工艺情况对照  ( 4 )全低 变 工艺 在 多 年来 不 断 的修 改 过程  中, 又增加 了一些分离设备 , 导致整个 系统 流程复  杂, 弯头多 , 阻力大 。

  针对 以上 问题 , 在2 0 0 3年 8月大修技改过程  中, 为 了达到 6 0   k t / a合成氨 的 生产 能力 , 将变换  系统 改为中低低 流程。

  1   中低 低 流 程 及 改 进  年的经济效 益为 :

0 . 3 5× 1 9× 1 0 = 6 6 . 5 ( 万元 ) 。

  ( 3 )节约 蒸汽 。热交 改造 后 , 变换 系统 阻力  降低 、 吨氨蒸汽消耗下降 , 由表 4可 看 出, 2 0 0 2年  比2 0 0 1 年吨氨蒸汽耗平均下降约 2 3 5   k g , 仅热交  换器改造一项 吨氨节约蒸 汽 1 5 0   k g 。按每吨蒸汽  5 0 元计 , 则 每年节约资 金 :

5 0×1 5 0×1 0×1 0 ~=   7 5 ( 万元 ) 。

  ( 4 )节省设备 维修费用 。从 1 9 9 8年 至 2 0 0 1   年 4年间共 3次 更换 整个 热 交 、 3次更 换 热交 上  段, 每次检修均用 高压水 射流车 清洗 热交 , 而且打  压堵漏 , 在设 备的维 护保 养上 花费 了大量 的人 力  物力 。

自2 0 0 2年 以来没 有在 热交 的维 修上 花 费  精力 , 每年为公司节省设备维护费用达 6 5万元 。

  ( 5 )安全 效益 。热交和饱 和 塔 改造后 , 解 决  了饱和塔超负荷带水问题 , 杜绝 了热 交的堵 塞 , 防  ( 2 )降低电耗。由于变换 系统 阻力的降低和  热水循环量 的减少 , 压缩机 及热 水 泵 电耗 大 幅度  止了热交的泄漏 , 维持 了变换 系统 的安全稳 定生  产, 保证 了变换 系统各 工艺条件 的 良好运行 , 大大  节省 了检修费用 和蒸 汽及脱 盐水 用量 , 为合成 氨  下降, 1 9 9 8年 至 2 0 0 1年 平均 吨氨 电耗 为 1   5 8 5   k wh , 2 0 0 2年平均 吨氨 电耗 为 1   5 6 6   k wh , 吨 氨 电  耗下降 了 1 9   k wh 。电价 以 0 . 3 5   k wh计 , 则 每  系统 的长周期稳 定 生产 提供 了保 障 , 也 为下 一步  变换 系统 的“ 中低低 ” 改造奠定了基础 。

 

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【文摘】济宁市恒立化工有限公司1996年投产的中压变换系统因为热交的堵塞、泄漏,曾一度成为生产中“瓶颈”工序.由于热交经常发生堵管,系统阻力大,热交自身压差最大时...

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