不同涂層對壓縮機級間換熱器的結(jié)焦抑制效果

田蒙奎*，姜穎王軍王國維，王昌敏，簡萬國

（1.貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州開磷（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州 開陽 550300）

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【表面技術(shù)】

不同涂層對壓縮機級間換熱器的結(jié)焦抑制效果

田蒙奎1，*，姜穎1，王軍1，王國維2，王昌敏2，簡萬國2

（1.貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州開磷（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州 開陽 550300）

以貴州開磷集團(tuán)公司的合成氨壓縮工段結(jié)焦現(xiàn)象為研究對象，通過在實際工況下的掛片試驗，考察了在換熱管表面涂覆各種防腐涂料（包括環(huán)氧云鐵漆、環(huán)氧富鋅漆、氟碳漆和聚四氟乙烯/聚酰胺-酰亞胺涂料）的抑焦效果，并分析了涂料涂覆對傳熱的影響以及施工成本。結(jié)果表明，在列管表面涂覆環(huán)氧富鋅漆的抑焦效果較好，對傳熱效率的影響較小，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟可行性。

換熱器；列管；抑焦；防腐涂層；傳熱效率

First-author’s address: School of Chemical and Chemical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China

貴州開磷息烽合成氨有限責(zé)任公司以半水煤氣生產(chǎn)合成氨，年產(chǎn)量60萬t/年。為使合成氣達(dá)到所需的壓力，需要逐級壓縮。該公司壓縮工段使用6M50-345/314型往復(fù)式氫氮壓縮機，6組并聯(lián)工作，每組均有六級（段）壓縮，在各級壓縮間采用列管式水冷方式，筒體材質(zhì)為16MnR，列管材質(zhì)為20#無縫鋼管，冷卻水走管程，合成氣走殼程。在投入使用以來，存在級間換熱器結(jié)焦的現(xiàn)象，前三段尤其明顯，結(jié)焦物聚集在管間，嚴(yán)重影響換熱效果，導(dǎo)致?lián)Q熱器出口溫度超標(biāo)，壓縮機壓縮比降低，功耗提高。每 3-4個月工廠就需對結(jié)焦堵塞嚴(yán)重的換熱器進(jìn)行拆裝、抽芯并用高壓水清洗，但效果并不理想，清洗后運行20天左右換熱器出口溫度就會再次超過設(shè)計溫度40 °C，半年左右就要采用化學(xué)試劑進(jìn)行比較徹底的清洗，雖然清洗后情況有所改善，但設(shè)備運行40天左右，出口溫度再次超標(biāo)，且化學(xué)試劑會對換熱管造成一定的腐蝕。設(shè)備在投入使用2-3年后，由于焦垢及化學(xué)清洗劑的腐蝕，列管無法繼續(xù)使用，只能更換，造成的直接損失每年高達(dá)百萬，間接費用更是高達(dá)上千萬。結(jié)焦現(xiàn)象不僅影響換熱設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，而且直接影響整個合成氨工段的運行以及合成氨生產(chǎn)的產(chǎn)量和成本。針對該關(guān)鍵問題，開發(fā)抑制結(jié)焦技術(shù)，延長換熱器清洗、更換的周期對確保合成氨長期穩(wěn)定運行具有重要意義。

抑制結(jié)焦的方法很多，涂覆技術(shù)是很有前景的一種，目前國外對該方法的研究非?；钴S［1-8］。通過分析結(jié)焦物質(zhì)以及退役換熱管，可以發(fā)現(xiàn)換熱器結(jié)焦的同時還伴有嚴(yán)重的腐蝕［9］。利用表面涂層技術(shù)防止金屬被腐蝕，此項技術(shù)最早由德國的S?kaphen公司研發(fā)，該公司研發(fā)了一系列的特種涂料及涂覆技術(shù)，并成功應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)上。我國也于上世紀(jì)70年代引進(jìn)此項技術(shù)應(yīng)用在石化工業(yè)中換熱器的防腐蝕與抗結(jié)焦。本文以貴州開磷集團(tuán)合成氨公司的壓縮機級間換熱器的結(jié)焦現(xiàn)象為研究對象，在換熱管表面涂裝防腐涂層，研究了不同涂層的抑焦效果，并考察了涂層對管道傳熱性能的影響及其經(jīng)濟適用性，可為中試提供理論依據(jù)。

1　實驗

1. 1 涂料的選取

通過對合成氨壓縮機級間換熱器結(jié)焦機理及影響因素的研究，認(rèn)識到H2S對設(shè)備的腐蝕及其誘發(fā)的金屬催化結(jié)焦是該系統(tǒng)結(jié)焦的主要原因。因此在選取涂料時，主要考慮了涂料的耐蝕性、耐熱性和附著力。經(jīng)過前期考察，初步選擇了幾種上述性能較好的涂料，見表1。

表1 實驗涂料選取一覽表Table 1 List of selected coatings for experiment

1. 2 試劑與儀器

砂紙、噴槍、馬弗爐、分析天平（上海恒平科學(xué)儀器有限公司，精度0.000 1 g）；丙酮、無水乙醇，均為分析純。

1. 3 涂層的制備

為使掛片試驗方便易行，也更貼合實際情況，將不同涂料平均分段涂覆在同一根換熱管上，并直接安裝在換熱器內(nèi)投入生產(chǎn)。先用銼刀處理20#無縫鋼管上的焊疤和毛刺，再對鋼管表面進(jìn)行手工除銹，處理后要求達(dá)到GB/T 8923.1-2011《涂覆涂料前鋼材表面處理 表面清潔度的目視評定 第1部分：未涂覆過的鋼材表面和全面清除原有涂層后的鋼材表面的銹蝕等級和處理等級》規(guī)定的St3。然后在0.5 mol/L、80 °C的NaOH溶液中浸泡8 h，除去其表面的油垢，隨后在1 mol/L鹽酸溶液中酸洗1 h以去除銹跡，最后用清水洗凈附著物并烘干。采用手工涂刷，一道涂裝完成后，自然干燥24 h再刷涂下一道。采用SHAHE數(shù)顯千分尺測量干膜厚，根據(jù)前期對各種涂料附著力的研究確定每道涂層的膜厚為：A （80 ± 10） μm，B （80 ± 10） μm，C （100 ± 10） μm，D （180 ± 10） μm。根據(jù)各涂層施工方法和前期探索結(jié)果確定的涂層結(jié)構(gòu)及編號如圖1所示。

圖1 掛片試驗樣管的涂層構(gòu)成及編號Figure 1 Coating systems and their numbers on a sample tube for coupon test

1. 4 抑焦率的測定

采用稱重法測定抑焦率。首先將圖1所示的整根樣管置于40 °C烘箱中烘4 h，稱得總質(zhì)量，則其1/9視為未進(jìn)行涂裝前每段管的質(zhì)量，即其中管段0號掛片前質(zhì)量m0（g）。然后第一段涂層涂裝完成后，將整根樣管置于40 °C烘箱烘4 h后稱量，即可得到涂層后第一段樣管的質(zhì)量m1。依次類推，得出1-8號樣管掛片前質(zhì)量mi（g）。掛片實驗結(jié)束后，取出樣管，按之前設(shè)定的編號及尺寸切割成9段，在相同條件下40 °C烘干4 h，稱得0號樣片結(jié)焦后質(zhì)量M0（g），1-8號樣片結(jié)焦后質(zhì)量Mi（g）。以0號管作為比較對象，則：

抑焦率 = ｛［（M0- m0） - （Mi- mi）］ / （M0- m0）｝ × 100%（i為涂層編號）。

1. 5 傳熱性能測試

試驗所用裝置如圖2所示，主要包括恒溫循環(huán)水槽、玻璃轉(zhuǎn)子流量計、進(jìn)出口熱電偶水溫探頭。試驗管是20#無縫鋼管，套管為直徑50 mm、長1 000 mm的PVC管。無涂層的、涂裝有環(huán)氧富鋅漆的、覆有環(huán)氧云鐵漆的以及工廠使用過的換熱管的平均外徑分別為19.00、19.28、19.12和22.61 mm。熱水由循環(huán)水泵從恒溫循環(huán)水槽送入實驗系統(tǒng)，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計后進(jìn)入試驗管路中，最后返回恒溫循環(huán)水槽。冷水由換熱管外套的下端進(jìn)入，上端流出。熱流體在管內(nèi)、冷流體在管外以對流方式進(jìn)行熱交換，其中包含 3個串聯(lián)的傳熱過程：熱量先由管內(nèi)的熱流體以對流傳熱方式傳遞給內(nèi)管壁，再從內(nèi)管壁以熱傳導(dǎo)方式傳遞到外管壁，最后以對流傳熱方式由外管壁傳遞給管外的冷流體。

圖2 測試換熱的裝置Figure 2 Device for testing heat transfer

設(shè)Q為換熱器的熱負(fù)荷（即傳熱速率），J/s；Wh為熱流體的質(zhì)量流量，kg/s；V為熱流體的體積流量，m3/s；ρ為熱流體的密度，kg/m3；K為換熱器總傳熱系數(shù)，W/（m2·°C）；cph為冷流體（空氣）的平均比定壓熱容，kJ/（kg·°C）；A為傳熱面積，m2；T1為熱流體進(jìn)口溫度，°C；T2為熱流體出口溫度，°C；t1為冷流體出口溫度，°C；t2為冷流體進(jìn)口溫度，°C；Δtm為對數(shù)平均溫度差，°C。則：

熱傳遞速率方程為：

2　結(jié)果與討論

2. 1 不同涂層的抑焦效果

涂層掛片前后情況如圖3所示。經(jīng)過87 d的現(xiàn)場掛片試驗后取出樣管，并按編號及尺寸切割成9段，稱量數(shù)據(jù)見表2?？梢姡幪枮?（雙層環(huán)氧富鋅漆）和6（環(huán)氧云鐵漆）的涂層管與原始管相比，結(jié)焦量有明顯的減少，抑焦率分別達(dá)到了92.81 %和92.48 %，抑焦效果較好。

圖3 樣管掛片試驗前后的照片F(xiàn)igure 3 Photos of the sample tube before and after coupon test

2. 2 涂層對傳熱的影響

啟動恒溫水槽，當(dāng)水溫達(dá)到預(yù)定溫度60 °C后即開始試驗。開啟冷水閥，試驗過程中保持水流量恒定在2 m/s，啟動循環(huán)泵，開啟并調(diào)節(jié)熱水調(diào)節(jié)閥，流速約為2 m/s。待系統(tǒng)穩(wěn)定0.5 h后記錄下熱流體的出口溫度，以上試驗重復(fù)3次，記錄溫度的平均值，結(jié)果見表3。由表3可得，環(huán)氧富鋅管的傳熱系數(shù)略小于無涂層管的，但卻遠(yuǎn)大于結(jié)焦樣管的。環(huán)氧云鐵漆的換熱效果雖不及環(huán)氧富鋅漆，但同樣優(yōu)于結(jié)焦樣管。

表2 涂層的抑焦效果Table 2 Anti-coking effect of different coatings

表3 涂層對換熱系數(shù)的影響Table 3 Effects of different coatings on the heat transfer coefficient

2. 3 成本分析

從經(jīng)濟角度考慮，計算了涂覆環(huán)氧富鋅漆、環(huán)氧云鐵漆以及采用 304不銹鋼管的成本。換熱器的筒體直徑為1 000 mm，厚10 mm，長4 833 mm，列管直徑19 mm、厚2 mm，傳熱面積為250 m2。原換熱器成本每臺10萬元，清洗費用每臺一年14萬元。涂裝環(huán)氧富鋅漆和環(huán)氧云鐵漆，改造成本均為每臺0.3萬元，而換裝304不銹鋼的改造成本達(dá)每臺30.0萬元。綜合考慮3種抑焦技術(shù)的抑焦效果及實施成本，建議在換熱管外涂覆環(huán)氧富鋅漆，此方法不僅抑焦效果好，而且改造成本低。

3　結(jié)語

針對各大化工廠壓縮工段間換熱器結(jié)焦的共性問題，并以開磷集團(tuán)合成氨公司壓縮工段級間結(jié)焦現(xiàn)狀為具體研究對象，開發(fā)了適合于本工藝系統(tǒng)的結(jié)焦抑制技術(shù)——換熱管表面涂層技術(shù)。所選涂層中環(huán)氧富鋅和環(huán)氧云鐵涂層的抑焦效果較好，抑焦率分別達(dá)到了92.81%和92.48%。環(huán)氧富鋅涂層不僅有很好的抑焦效果，而且對換熱效果影響也很小。綜合評價成本和抑焦效果，環(huán)氧富鋅涂料為最優(yōu)選擇。

［1］ PETRONE S， DEUIS R L， KONG F W， et al. Catalyzed-assisted manufacture of olefins （CAMOL）: year-4 update on commercial furnace installations ［C］ AIChE 2010 Spring National Meeting， San Antonio， Texas， March 21-25， 2010. ［S.l.］: American Institute of Chemical Engineers， 2010: 88a.

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［3］ 張永軍， 萬書寶， 劉劍， 等. 乙烯裂解爐的結(jié)焦及其抑制措施［J］. 化學(xué)工業(yè)， 2011， 29 （12）: 46-47.

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［5］ 周建新. APCVD制備抑制裂解結(jié)焦SiO2/S復(fù)合涂層的技術(shù)研究［D］. 上海: 華東理工大學(xué)， 2007.

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［8］ 孔凡貴， 張婧元， 魏鐵鋒. 裂解爐結(jié)焦抑制技術(shù)進(jìn)展［J］. 乙烯工業(yè)， 2005， 17 （3）: 19-21.

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［ 編輯：杜娟娟 ］

Anti-coking effect of different coatings on compressor inter-stage heat exchanger

TIAN Meng-kui*， JIANG Ying，WANG Jun， WANG Guo-wei， WANG Chang-min， JIAN Wan-guo

The coking phenomenon occurred at compression section of ammonia synthesis in Guizhou Kailin Group Company was studied. The surfaces of heat tubes were painted with several anticorrosive coatings （including epoxy micaceous iron oxide paint， zinc-rich epoxy paint， fluorocarbon paint and polytetrafluoroethylene/polyamide-imide paint） and their anti-coking effect were examined through coupon test under actual working conditions. The effect of coating with paints on the heat transfer and construction cost was analyzed. The results showed that coating tubes with zinc-rich epoxy paint has better anti-coking performance and slightly affects the heat transfer efficiency， having a good technical and economic feasibility.

heat exchanger； tube； anti-coking； anticorrosive coating； heat transfer efficiency

TQ630

A

1004 - 227X （2016） 14 - 0743 - 04

2015-10-30

2016-02-22

貴州省工業(yè)攻關(guān)項目（貴州省科技廳黔科合GY字［2012］3052）；社發(fā)攻關(guān)項目（黔科合SY字［2013］3078號）；貴州省科技創(chuàng)新人才團(tuán)隊（黔科合人才團(tuán)隊（2015）4004號）。

田蒙奎（1978-），男，貴州甕安人，博士，教授，主要從事過程裝備、化工清潔生產(chǎn)方面的研究。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） tianmk78@126.com。