用甲醛廢鍋代替凈化加熱爐換熱器使用小結(jié)

　　2004年2月,我公司三期凈化系統(tǒng)更換中變爐催化劑,在對升溫還原設(shè)備進(jìn)行例行檢查之際,發(fā)現(xiàn)加熱爐對流段換熱列管泄漏嚴(yán)重,其301根 57×3 5ｍｍ列管中有一半以上泄漏,已無法進(jìn)行焊補(bǔ)修復(fù)。該加熱爐是中變催化劑升溫還原必不可少的設(shè)備之一,而當(dāng)時中變爐催化劑已裝填完畢,急需進(jìn)行升溫還原。在此情況下,解決的辦法有兩種:一是重新制作該換熱器,估計需12～15ｄ,這樣一來,催化劑升溫還原時間會向后推遲,勢必嚴(yán)重影響生產(chǎn);二是用其他類型的換熱設(shè)備來代替該換熱器,以解燃眉之急。我公司最終采用了第二種方法加以解決。
　　1　凈化加熱爐對流段換熱器損壞的原因分析
　　加熱爐對流段換熱器為列管式熱交換器,殼體直徑為1500ｍｍ,列管規(guī)格為 57×3 5ｍｍ,列管長3400ｍｍ,換熱面積約為180ｍ2,殼體及列管材料均為20ｇ。原設(shè)計在加熱氮氣的工況下承受的煙氣溫度≤700℃。
　　從設(shè)備的損壞情況看,主要為過燒,分析過燒的原因有二:一是由于加熱爐所燒的煤氣壓力較過去高,燃燒時火焰高溫區(qū)上移,煙氣出輻射段溫度提高;二是因該加熱爐原設(shè)計為加熱氮氣,氮氣進(jìn)加熱爐輻射段溫度僅40℃,出輻射段進(jìn)加熱段溫度計算僅200～250℃左右,因此加熱段列管最高壁溫在450～475℃。查文獻(xiàn)[1],列管材料還能承受,但由于升溫介質(zhì)的改變,由氮氣改為過熱蒸汽,進(jìn)加熱段升溫介質(zhì)溫度可達(dá)300℃左右,列管最高壁溫可達(dá)500℃以上,超出了20ｇ材料溫度承受范圍,導(dǎo)致了設(shè)備的損壞。
　　2　代用設(shè)備的選擇
　　為了防止同樣事故的發(fā)生,所選代用換熱器材料耐熱特性必須超過20ｇ。
　　經(jīng)過對我公司現(xiàn)有設(shè)備的摸底,了解到有一臺甲醛氧化反應(yīng)器的廢鍋閑置不用并已報廢,其工藝參數(shù)及設(shè)備規(guī)格如下。
　　設(shè)計壓力　管程0 17ＭＰａ,殼程0 22ＭＰａ
　　設(shè)計溫度　管程650～200℃,殼程133℃
　　換熱面積　93ｍ2(以外徑計)
　　筒體直徑　1200ｍｍ
　　換熱管規(guī)格　 25×2 5ｍｍ,Ｌ=1351ｍｍ
　　換熱管數(shù)量　913根
　　材料　殼體及換熱管均為1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ
　　用該換熱器代替凈化加熱爐換熱器,管程走煙氣,殼程走減壓后的過熱蒸汽,其操作壓力均低于0 2ＭＰａ,因此該換熱器的使用壓力等級不成問題。
　　甲醛廢鍋材料為18 8不銹鋼,經(jīng)查手冊其長期使用溫度可達(dá)766℃,也就是說,即使煙氣溫度達(dá)1000℃,加熱介質(zhì)溫度達(dá)500℃時,其計算壁溫達(dá)750℃,該廢鍋也能承受。因此,該廢鍋的材料能滿足要求。
　　但甲醛廢鍋的換熱面積僅為原設(shè)備的一半,且二者的煙氣流通面積分別為0 286ｍ2和0 59ｍ2,在同樣的煙氣流量條件下,該廢鍋煙氣流速是原加熱段的2 06倍,相應(yīng)煙氣阻力會有較大的增加,因此該廢鍋能否代替凈化加熱爐換熱器還需進(jìn)行嚴(yán)格的工藝校核。
　　校核條件如下:凈化加熱爐輻射段共24根 108×4ｍｍ不銹鋼管,Ｌ=4000ｍｍ;中變爐催化劑裝填量為30ｍ3(45ｔ);燃燒煤氣成分Ｈ238%、ＣＨ41 5%、Ｎ221%、ＣＯ32%、ＣＯ27%、Ｏ20 2%、Ａｒ0 3%;中變爐升溫還原共有2臺加熱設(shè)備,低于150℃時用空氣升溫,電爐加熱(功率700ｋＷ),升溫速度為10℃/ｈ;在150℃以上時切換成過熱蒸汽升溫;在溫度達(dá)200～250℃時,在嚴(yán)格控制氧含量的條件下,補(bǔ)氫還原。
　　工藝核定的結(jié)果為:甲醛廢鍋雖換熱面積較小(93ｍ2),但由于煙氣及升溫介質(zhì)流速提高從而使輻射段及加熱段總傳熱系數(shù)有較大的提高,在同等的熱負(fù)荷條件下,所需的換熱面積減小,輻射段為31 42ｍ2,加熱段為81 9ｍ2,用甲醛廢鍋代替加熱段換熱器,換熱面積富余量不大。但以上計算未考慮補(bǔ)氫的反應(yīng)熱,實際上隨著升溫還原進(jìn)程中的不斷補(bǔ)氫(反應(yīng)熱為9 63ｋＪ/ｍｏｌ),以此計算,在進(jìn)出催化劑層氫含量差在0 5%～1%的工況下,補(bǔ)氫放出的反應(yīng)熱可占還原所需熱量的5%～10%,因此綜合考慮補(bǔ)氫因素,確定用甲醛廢鍋代替加熱爐換熱器是完全可行的。
　　另外,由于甲醛廢鍋的煙氣通道較小,工藝核定的結(jié)果是煙氣進(jìn)出該廢鍋的阻力降增大,這是操作中的一個不利因素,但從數(shù)據(jù)上看,由于列管長度縮短了近2/3,加之不銹鋼管的相對粗糙度較小,增加的阻力降不是很大,可以通過改進(jìn)操作方法予以彌補(bǔ),如盡量使用電爐升溫,減小加熱爐的熱負(fù)荷,使煙氣流量、溫度降低,從而減小煙氣阻力。對于殼程阻力的增加,因升溫介質(zhì)由原設(shè)計氮氣改為過熱蒸汽,本身有壓力,故不需考慮阻力增加的因素。
　　甲醛廢鍋管板為固定管板結(jié)構(gòu),而原加熱爐換熱器為撓性薄管板結(jié)構(gòu),二者有一定的差別,但經(jīng)核定,甲醛廢鍋此種型式的管板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于現(xiàn)加熱爐工況條件下不存在問題。
　　由于工況的變化,根據(jù)現(xiàn)加熱爐的工藝參數(shù)對甲醛廢鍋的Ｕ型膨脹節(jié)進(jìn)行了核定,核定結(jié)果該膨脹節(jié)可滿足要求(未進(jìn)行疲勞壽命核算)。
　　綜合以上情況,我公司決定用甲醛廢鍋來代替凈化加熱爐換熱器。
　　3　工程的實施
　　代用設(shè)備確定以后,我公司很快組織了工程實施,主要進(jìn)行了以下幾項工作:　　(1)對代用設(shè)備甲醛廢鍋進(jìn)行全面檢測;
　　(2)將代用設(shè)備甲醛廢鍋安裝定位;
　　(3)因原軟水、蒸汽進(jìn)出口管徑較小,進(jìn)行適當(dāng)改造;
　　(4)設(shè)備及管道進(jìn)行保溫處理;
　　(5)做好多項準(zhǔn)備,考慮各種不利因素的可能性,在必要時補(bǔ)入ＣＯ進(jìn)行還原。
　　我公司僅用4ｄ即完成了代用設(shè)備的安裝、配管及保溫工作,并于2004年3月4日開始對三期凈化中變爐催化劑進(jìn)行升溫還原。
　　4　使用情況
　　4 1　在三期中變爐升溫還原中的應(yīng)用
　　2004年3月4日上午10:00開始空氣升溫,開啟電爐加熱,未開加熱爐;3月5日14:00停用空氣升溫,切換為過熱蒸汽,此時的Ｔ3～Ｔ7點溫度均為153℃,電爐功率為464ｋＷ;3月5日17:00開始開啟加熱爐,與電爐同時對催化劑進(jìn)行升溫還原,由于加熱爐的開啟,電爐功率調(diào)至最低;3月5日18:30對系統(tǒng)補(bǔ)氫;3月6日加熱爐、電爐同時升溫,并加大配氫量,電爐最大功率為491ｋＷ;3月7日3:39,系統(tǒng)壓力開始下降,4:30開始下調(diào)電爐功率;3月7日10:00升溫還原結(jié)束,此時的Ｔ10點溫度為450℃,加熱爐出口溫度達(dá)440℃,電爐出口溫度為504℃,加熱爐爐膛溫度為694℃,電爐功率為323ｋＷ。
　　整個升溫還原過程大致延續(xù)72ｈ,從升溫還原過程看,電爐開啟最大電流為1000Ａ,電壓260Ｖ,計算功率<500ｋＷ,距銘牌功率700ｋＷ尚有一定的安全余量。在升溫還原后期,由于溫度的提高及配氫量的增大,加熱爐的操作難度有所加大,具體表現(xiàn)在系統(tǒng)壓力下降,煤氣燒嘴的調(diào)節(jié)比較困難,從而引起電爐和加熱爐的熱量分配不均衡。煙氣阻力較大,加熱爐的熱負(fù)荷不易提高。從整個升溫還原過程看,甲醛廢鍋代替加熱爐換熱器在三期凈化中變爐升溫操作中沒有出現(xiàn)大的問題,升溫過程也比較順利,因此是完全可行的。
　　4 2　在四期凈化中變催化劑升溫還原中的應(yīng)用
　　用甲醛廢鍋代替加熱爐換熱器對三期凈化中變爐催化劑進(jìn)行升溫還原取得了成功,而四期凈化中變爐的升溫還原也必須用此臺加熱爐,四期中變爐催化劑裝填量為37ｍ3(55ｔ),升溫還原所需熱負(fù)荷更大,甲醛廢鍋的換熱面積則無大的余量。因此對四期中變爐而言,如仍以三期中變爐同樣的空速進(jìn)行升溫還原,大致增加熱負(fù)荷23%左右。
　　在2005年9月四期凈化中變催化劑升溫時,我公司通過在工藝上采取必要的措施,使該加熱爐亦可正常用于升溫還原,結(jié)果在四期凈化中變催化劑的升溫還原中也取得了理想的效果。