不銹鋼波紋管換熱器在聯(lián)堿生產(chǎn)中的試用

                          張　麗1,董文林1,屈英琳2,王　飛2

(1.石家莊雙聯(lián)化工有限責任公司,河北石家莊　050200;2.北京廣廈環(huán)能科技有限公司,北京　100083)

    摘要：介紹了不銹鋼波紋管換熱器在聯(lián)堿碳化外冷器、結(jié)晶外冷器、爐氣冷卻器等工況上的應(yīng)用, 并詳細介紹了實際生產(chǎn)中取得的經(jīng)濟效益,并對未來的應(yīng)用前景進行了展望。

    關(guān)鍵詞：換熱器;不銹鋼波紋管;低品位熱能回收;節(jié)電節(jié)能

    中圖分類號：TQ 051.5; TQ 114.162　文獻標識碼:B　文章編號:1005-8370(2009)05-38-03

    波紋管換熱器是一種高效換熱設(shè)備,由于其顯著 的高效傳熱,防止結(jié)垢以及高溫熱補償?shù)忍匦? “十五”期間,在煉油、電力、城市供熱及石化行業(yè)已得 到廣泛應(yīng)用。近幾年,我國聯(lián)堿行業(yè)為了提高換熱效 率、回收低品位熱能、降低電耗及可比單位綜合能耗, 在許多設(shè)備上也試用了波紋管換熱器,在傳熱效果、 結(jié)疤狀況、抗腐蝕性能及阻力等方面均取得許多寶貴 數(shù)據(jù),為波紋管換熱器在聯(lián)堿生產(chǎn)上使用奠定了基礎(chǔ), 同時也為聯(lián)堿生產(chǎn)進一步降低能耗創(chuàng)造了條件。

波紋管換熱器中波紋管根據(jù)不同的加工方法可 分為薄壁波紋管和厚壁波紋管。薄壁波紋管是采用 內(nèi)脹加工方法制造,管壁厚δ≤1.5 mm管內(nèi)外呈波 紋狀;厚壁波紋管是采用外擠壓加工方法制造,管壁 厚1.5 mm≤δ≤3 mm,管內(nèi)外呈波紋或螺旋狀。波 紋管換熱器根據(jù)所使用介質(zhì)環(huán)境的不同,可采用奧 氏體不銹鋼、碳鋼、鈦材及銅等材料加工。近2年, 由于我國鈦材價格持續(xù)上漲,使得鈦管及鈦波紋管 價格很難讓聯(lián)堿企業(yè)所接受,因此經(jīng)特殊處理的不 銹鋼波紋管能否成功應(yīng)用于聯(lián)堿生產(chǎn)已成為行業(yè)普 遍關(guān)注的問題。2000年以來,北京廣廈公司與石家 莊雙聯(lián)化工有限責任公司合作,將不銹鋼波紋管換 熱器率先試用于新型變換氣制堿塔外冷器、AII換 熱器、煅燒爐爐氣冷凝塔、液氨蒸發(fā)外冷器等核心設(shè) 備上,并進行了探索性嘗試。

    1　在新型變換氣制堿塔外冷器上試用

    2000年,石家莊雙聯(lián)化工公司120 kt/a聯(lián)堿技 改工程中制堿工序φ2 600/φ3 600制堿塔外冷器采 用鈦材及碳鋼防腐兩種不同材料的換熱管(1臺 φ2 600/φ3 600制堿塔配3臺外冷器),使用1年后, 碳鋼外冷器開始泄漏。2001年,更換為管壁厚為 2 mm的不銹鋼外冷器,經(jīng)3年試用,取得較好效果。 初步證實,在該工況下(溫度<60℃),不銹鋼外冷 器耐腐蝕及耐沖刷性可以滿足制堿工藝之需。但由 于直管外冷器(鈦材,不銹鋼)傳熱效率低,進、出口 循環(huán)水平均溫差2.5℃,夏季進、出口水溫差更低, 致使循環(huán)水用量較大。于是,在2004年6月和 2005年8月,投運的φ3 200/φ4 800,φ3 200/φ5 200 2臺制堿塔上都配備了由北京廣廈公司設(shè)計、制造 的不銹鋼波紋管外冷器,設(shè)備規(guī)格為DN1500,F= 538 m2,換熱管采用經(jīng)特殊處理過的φ45×1.2、 316 L材料的波紋管,管板采用不銹鋼復(fù)合管板,經(jīng) 2年多試運行,表現(xiàn)出許多優(yōu)越性:

    1)冷卻水進出口溫差由原2.5℃提高到5℃, 換熱效率大幅度提高,同時降低了循環(huán)水用量。 2)未發(fā)現(xiàn)影響新型變換氣制堿塔自循環(huán)量現(xiàn) 象,原來所顧慮的外冷器換熱管結(jié)疤現(xiàn)象也不存在。 3)未發(fā)現(xiàn)管板處有腐蝕現(xiàn)象,也未發(fā)現(xiàn)換熱管 泄漏,在停車時用超聲測厚儀通過手孔測量壁厚分 別為:1.1 mm、1.18 mm和1.09 mm(自上而下) 壁厚基本無減薄。

    可以說,經(jīng)特殊處理的不銹鋼波紋管外冷器配 備于依靠母液密度差自循環(huán)動力推動的新型變換氣 制堿塔上與直管鈦材、不銹鋼外冷器相比,不僅表現(xiàn) 出良好的傳熱性能,而且也經(jīng)得起抗腐蝕性能的檢 驗。這主要是不銹鋼波紋管換熱器用于制堿塔換 熱,屬低品位熱量交換(母液溫度<50℃;循環(huán)水溫 度<35℃),還沒有達到不銹鋼腐蝕溫度緣故。

    2　在液氨蒸發(fā)外冷器上試用

    在聯(lián)堿生產(chǎn)中,Ⅱ過程冷析結(jié)晶一般采用液氨直接蒸發(fā)制冷鈦材外冷器,也有采用碳鋼外冷器廠家,碳鋼外冷器根據(jù)其防腐質(zhì)量和性能的不同,一般可使用3~4年,也有許多廠家只能使用1~2年,甚至于使用不到1年的廠家也有。外冷器泄漏對聯(lián)堿生產(chǎn)影響很大,而且補焊碳鋼外冷器的工作量也相當繁雜。

    鈦材以特有的耐腐蝕性能用于聯(lián)堿制銨工序冷析結(jié)晶外冷器,是最佳材料選擇,已有連續(xù)使用2年報道。但是由于鈦材價格持續(xù)上漲,如擴建1套聯(lián)堿結(jié)晶系統(tǒng)采用鈦外冷器,其投資已占到整個工序投資50 %多,這讓沒有相當經(jīng)濟實力或缺乏國家投資的企業(yè)很難承受這一現(xiàn)實。因此,利用低溫條件下不銹鋼對聯(lián)堿母液的有效耐腐蝕性,采用不銹鋼材質(zhì)的液氨蒸發(fā)式外冷器越來越顯示出強大競爭力。

2004年10月,石家莊雙聯(lián)化工有限公司為了 提高φ8 500×6 500×9 345冷析結(jié)晶器(300 m3)、 φ9 500×6 850×9 326鹽析結(jié)晶器(300 m3)制銨工 序能力,在原φ2 000、832 m2碳鋼外冷器經(jīng)常泄漏 情況下,結(jié)合制堿工序使用不銹鋼波紋管外冷器試 用經(jīng)驗。利用原φ2 000外冷器設(shè)備筒體及管板,更 換上北京廣廈公司制造的材料為0Cr18Ni10Ti、規(guī) 格為φ45×1.2的波紋管;2005年5月,又利用原 φ2 000外冷器舊設(shè)備筒體及管板更換了1臺原來的 φ45×1.5直管外冷器,2005年10月,又更換了1臺 波紋管換熱器,這為不銹鋼外冷器采用直管與波紋 管的效果比較創(chuàng)造了條件,經(jīng)對比運行,不銹鋼波紋 管液氨蒸發(fā)外冷器表現(xiàn)出許多優(yōu)勢:

    1)傳熱效率高:波紋管外冷器傳熱效率約為直 管的1.8倍(從AI投量數(shù)據(jù)、外冷器母液進出口的 溫差及產(chǎn)量對比計算出)。2臺波紋管作業(yè),AI投 量可達200 m3/h(冷析溫度相同,均為10℃),1臺 波紋管與1臺直管作業(yè),AI投量僅140 m3/h(冷析 溫度相同,均為10℃)。直管外冷器溫度過飽和度 為0.4~0.5℃,波紋管外冷器溫度過飽和度為0.8 ~1.0℃。

    2)光滑不堵塞:波紋管外冷器列管不堵塞,輪換 后,用AI清洗泵4 h可以清洗徹底,不用人工沖洗, 很少打開人孔檢查。

    3)提高生產(chǎn)能力:由于波紋管外冷器傳熱性能好,進、出外冷器溫度過飽和度提高近1倍,且不堵塞外冷器。在基本不改變冷析結(jié)晶器表觀流速,不破壞冷析結(jié)晶床層情況下,冷析產(chǎn)量大幅度提高,為結(jié)晶工序挖潛、增產(chǎn)創(chuàng)造了條件。因此可以說,聯(lián)堿結(jié)晶工序冷析生產(chǎn)能力核心是液氨蒸發(fā)外冷器,如全部采用波紋管外冷器,在冷析結(jié)晶器設(shè)計不變前提下,生產(chǎn)能力基本提高1倍。

    4)節(jié)電明顯:由于采用傳熱性能高的波紋管外 冷器,在稍微增大冷析軸流泵功率的前提下,不僅能 實現(xiàn)較好的傳質(zhì)效果,而且節(jié)電更為明顯。這一點 可以通過石家莊雙聯(lián)化工有限責任公司不銹鋼波紋 管與直管外冷器對比中得到進一步證實:φ2 000直 管外冷器軸流泵電流平均為112 A,φ2 000波紋管 外冷器電流為123 A,電耗增加約9.8 %,而產(chǎn)量基 本提高1倍,因此采用波紋管換熱器可大幅度降低 制銨工序冷析軸流泵電耗。按一套20萬t/a結(jié)晶能 力進行核算,采用波紋管不銹鋼外冷器可節(jié)電約 100 kW/h,年節(jié)電約80萬kW·h,可節(jié)約電費約 24萬元。

    5)節(jié)約投資:聯(lián)堿行業(yè)外冷器設(shè)計受筒體直徑 與長度限制,不能做得盡可能大。如進行單套結(jié)晶 器能力放大,首先要保證母液通過外冷器每次循環(huán) 產(chǎn)生的溫度過飽和度,這就要求外冷器有足夠換熱 面積。以1套20萬t/a結(jié)晶系統(tǒng)為例(配4臺外冷 器),如選用直管外冷器,采用φ2 400×6 500筒體 進行管子緊密布置,也只能排下1 415 m2換熱面積 (φ2 400×6 500外冷器目前應(yīng)為聯(lián)堿最大外冷器), 如要將換熱面積排到1 600 m2,一種方法是加大外 冷器直徑,這將造成制造難度增加,或因管板焊接變 形而難以保證制造質(zhì)量等問題;另一種方法是增加 換熱管長度,這樣冷析軸流泵的揚程必須相應(yīng)增加, 增加了動力消耗,而且我國聯(lián)堿行業(yè)單套大型的制 銨系統(tǒng)很少,大廠也只是多套結(jié)晶器的組合,單套結(jié) 晶器能力超過20萬t/a的在聯(lián)堿行業(yè)還很少,這主 要與冷析結(jié)晶器配套的外冷器能力未能成功放大有 直接關(guān)系。波紋管液氨蒸發(fā)外冷器的使用,可以使 聯(lián)堿行業(yè)制銨工序單套能力超過20萬t/a,甚至可 以實現(xiàn)30~50萬t/a,這不僅對降低聯(lián)堿技改擴建 投資具有現(xiàn)實意義,而且也對我國制銨工序單套能 力實現(xiàn)大型化具有指導(dǎo)意義。

    2006年10月,石家莊雙聯(lián)化工公司新投運的 φ13 000×9 400×10 950鹽析結(jié)晶器及φ12 000×9400×11300冷析結(jié)晶器配套3臺φ2 400×6 500不銹鋼波紋管外冷器,在開1臺φ2 400外冷器(配 Q=5500 m3/h,H=3 m,N=110 kW;A=170 A) 前提下,AI投量可達230 m3/h,冷析溫度為10℃,外冷器蒸發(fā)壓力平均為0.38 MPa,冷析結(jié)晶器氯化銨取出沉降時間約30 s,且外冷器不堵塞,不用打開人孔檢查?；窘咏?0萬t/a能力,且產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良,這進一步證實波紋管用于液氨蒸發(fā)外冷器的優(yōu)勢。

    根據(jù)不銹鋼波紋管外冷器在石家莊雙聯(lián)化工公 司的使用情況,換熱管材料與管板材料的匹配問題 還需在訂貨時多加關(guān)注。雙聯(lián)化工公司的φ2 000 液氨蒸發(fā)外冷器在改造時是在原有的舊筒體和管板 的基礎(chǔ)上更換不銹鋼波紋管,因為舊管板上的殘留 物難以徹底清除,加之不同材料之間存在的電位差 腐蝕,造成了換熱管和管板的焊接處出現(xiàn)局部泄漏。 而在工藝操作溫度比其高的制堿塔外冷器,在最初 制造時就選用了不銹鋼復(fù)合管板,經(jīng)過比其更長的 使用考驗,都沒有出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。因而不銹鋼波紋 管在外冷器中使用時,采用復(fù)合管板是解決焊縫泄 漏的有效途徑。

    3　在煅燒爐爐氣冷凝塔及AⅡ換熱器 上試用

    煅燒爐爐氣冷凝塔原來采用碳鋼直管時,由于 爐氣溫度高,筒體無補償,往往使用不到1年就發(fā)生 泄漏,石家莊雙聯(lián)化工有限公司于1999年更換為北 京廣廈公司提供的φ1 600的不銹鋼波紋管爐氣冷 凝器后,已連續(xù)運行7年,由于其優(yōu)越的換熱性能, 使爐氣出口溫度有了明顯降低,同時其熱補償性能 的充分發(fā)揮也使得設(shè)備不再發(fā)生泄漏,大大改善現(xiàn) 場環(huán)境。此外AⅡ換熱器試用2年來情況良好。

    聯(lián)堿行業(yè)存在腐蝕性強,易堵塞,且低品位熱能需回收多等缺陷,因此在換熱器形式和換熱管材料選用上須進行斟酌篩選,鈦材就其耐腐蝕性能而言, 應(yīng)為首選,但考慮到其高昂價格及聯(lián)堿行業(yè)低利潤 的現(xiàn)實,致使許多中、小企業(yè)望而卻步。目前聯(lián)堿行業(yè)技改、擴建應(yīng)遵循價值規(guī)律原則,選擇價格適中、性價比高的設(shè)備及材料,這不僅符合聯(lián)堿生產(chǎn)腐蝕性強、沖刷磨損嚴重、易泄漏、易堵塞的實際,而且有利于進一步減少聯(lián)堿母液泄漏損失、降低綜合能耗, 提高項目投資回報率及經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1]　大連化工研究設(shè)計院.純堿工學,第二版[M].北京: 化學工業(yè)出版社,2004

[2]　王　楚.純堿生產(chǎn)工藝與設(shè)備計算[M].北京:化學工 業(yè)出版社,1995