高含硫天然氣凈化裝置余熱鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化改造

， ， ， ， 海昕， 斯亮，

(1. 甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070；2. 上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518)

中石化普光氣田天然氣凈化廠為川氣東送工程配套建設(shè)單位，該廠6套高含硫天然氣凈化聯(lián)合裝置中的12臺(tái)尾氣焚燒爐余熱鍋爐系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱余熱鍋爐)均由意大利FBM/MACCHI公司2008年設(shè)計(jì)、制造。裝置自投用以來，由于多種原因，如過熱段爆管、低溫段腐蝕穿孔(高溫硫腐蝕、低溫露點(diǎn)腐蝕)等造成裝置數(shù)次停車，嚴(yán)重影響正常操作及生產(chǎn)。停車后的修復(fù)難度比較大，需要經(jīng)過工藝吹掃隔離、熱交換器內(nèi)部清理、試漏、消氫、修復(fù)及試壓等環(huán)節(jié)才能完成。最后一次事故的發(fā)生是蒸發(fā)段管束泄漏后鍋爐水進(jìn)入到煙氣之中，由此在換熱管壁溫相對(duì)較低局部部位形成露點(diǎn)腐蝕的環(huán)境。隨著裝置的運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng)，泄漏量也在逐步增加，進(jìn)一步加劇換熱管的腐蝕直至造成失效。文中對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出了改造方案。

1 余熱鍋爐系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)流程

此余熱鍋爐為煙道式余熱鍋爐，主要由過熱器、蒸發(fā)器、汽包及液包等部分組成。鍋爐水通過蒸發(fā)器與高溫?zé)煔鈸Q熱，通過汽包產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽再通過過熱器與高溫?zé)煔鈸Q熱，產(chǎn)生過熱蒸汽后并入蒸汽管網(wǎng)，其工藝流程見圖1。

圖1 改造前余熱鍋爐系統(tǒng)流程圖

從圖1可以看出，①煙氣系統(tǒng)。自廢尾氣焚燒爐來的870 ℃高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過過熱器(分為一級(jí)過熱器、二級(jí)過熱器、三級(jí)過熱器)、蒸發(fā)器，溫度降低至260 ℃，經(jīng)煙囪排出。②汽、水系統(tǒng)。自除氧器來的104 ℃鍋爐水進(jìn)入汽包后，通過在汽包、液包、蒸發(fā)器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)與煙氣進(jìn)行換熱，最終在汽包產(chǎn)生250 ℃的飽和蒸汽。隨后，飽和蒸汽經(jīng)過過熱器與高溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱，產(chǎn)生380 ℃的過熱蒸汽后并入全廠蒸氣管網(wǎng)，為其他裝置提供能源，從而實(shí)現(xiàn)了高溫?zé)煔庥酂岬睦谩?/p>

1.2 腐蝕現(xiàn)象

裝置自2008年投用以來，余熱鍋爐連續(xù)發(fā)生腐蝕泄漏現(xiàn)象，嚴(yán)重影響裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。為保證正常運(yùn)行，降低設(shè)備腐蝕頻次，臨時(shí)將裝置排煙溫度由原設(shè)計(jì)260 ℃提高至315 ℃，結(jié)果出現(xiàn)裝置能耗大幅度升高的現(xiàn)象，也由此造成環(huán)保不達(dá)標(biāo)及能源浪費(fèi)等問題，液包泄漏腐蝕情況見圖2。

圖2 余熱鍋爐液包泄漏腐蝕情況

2 余熱鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化改造分析

2.1 理論分析

根據(jù)理論分析研究可知，余熱鍋爐系統(tǒng)能夠?qū)煔鉁囟冉档椭镰h(huán)境溫度。但由于受傳熱效率的限制，實(shí)際中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。通常情況下，一般氣-氣換熱的溫差在40～70℃，氣-液換熱的溫差為30～60℃[1-2]。

普光氣田天然氣具有高含硫(硫的質(zhì)量濃度為230 g/m3)特性，當(dāng)煙氣溫度降低時(shí)，煙氣中的含硫氧化物在高溫環(huán)境下與冷凝的水結(jié)合，在余熱鍋爐受熱面上形成酸性露珠，進(jìn)而對(duì)受熱面金屬造成腐蝕。因此，對(duì)于這種工況下的余熱鍋爐系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮受熱面金屬壁溫比酸性露珠形成溫度點(diǎn)至少高15 ℃(API 560要求8～14 ℃)[3]，才能夠保證設(shè)備免受酸性露點(diǎn)腐蝕。

2.2 常規(guī)露點(diǎn)腐蝕解決方案[4-6]

2.2.1降低煙氣中的三氧化硫含量

通過在系統(tǒng)流程中增加燃料脫硫、低氧燃燒以及增加吸附劑等工藝手段，從源頭斷絕低溫露點(diǎn)腐蝕的發(fā)生，進(jìn)而降低煙氣出口溫度，最大化地回收煙氣余熱。

此方案的優(yōu)點(diǎn)是從根本上解決了露點(diǎn)腐蝕發(fā)生的可能，但是也存在投資大、對(duì)硫磺回收裝置整體改動(dòng)大、改造周期長(zhǎng)以及成本高等缺點(diǎn)，改造的實(shí)用性較差。

2.2.2升級(jí)受熱面材質(zhì)

通過選用耐腐蝕性的材料，提高余熱鍋爐抗腐蝕性能，減少發(fā)生腐蝕泄漏的頻次，進(jìn)而延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。目前國(guó)內(nèi)普遍采用此種方案，如省煤器材質(zhì)采用國(guó)內(nèi)自行研制的ND鋼(GB 150附錄H中的鋼號(hào)為09CrCuSb),其具有較好的耐酸露點(diǎn)腐蝕的性能，已經(jīng)在很多場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用[7-9]。

此方案的優(yōu)點(diǎn)是改造方案簡(jiǎn)單、投資少、可操作性好、對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)改動(dòng)量小等，缺點(diǎn)是靠升級(jí)換熱管材質(zhì)來延長(zhǎng)設(shè)備壽命，并沒有改變余熱鍋爐的腐蝕環(huán)境，只能作為輔助改造方案。

2.2.3工藝與設(shè)備綜合考慮[10-12]

(1)熱風(fēng)回流 將高溫?zé)煔馔ㄟ^旁路引至易發(fā)生露點(diǎn)腐蝕的低溫段部分，與低溫?zé)煔饣旌虾筮_(dá)到提高煙氣溫度，從而避免設(shè)備發(fā)生露點(diǎn)腐蝕的目的。此方案的缺點(diǎn)是排煙溫度較高、熱回收效率低、余熱浪費(fèi)等。

(2)增加前置預(yù)熱器 通過增加前置預(yù)熱器，將進(jìn)入余熱鍋爐系統(tǒng)的鍋爐水進(jìn)行預(yù)熱，使得鍋爐受熱面金屬壁溫剛好高于煙氣的酸露點(diǎn)溫度，進(jìn)而在降低排煙溫度的前提下，避免設(shè)備發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。

3 余熱鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化改造方案[13-15]

3.1 改造措施

(1)增加省煤器 降低排煙溫度，提高余熱回收效率。

(2)增加前置預(yù)熱器 提高受熱面金屬壁溫，防止發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。

(3)增加露點(diǎn)監(jiān)測(cè)儀和金屬壁溫?zé)犭娮?實(shí)現(xiàn)煙氣露點(diǎn)溫度及受熱面金屬壁溫的監(jiān)測(cè)，確保設(shè)備受熱面金屬壁溫高于露點(diǎn)溫度，避免設(shè)備發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。

3.2 改造后系統(tǒng)流程

由于腐蝕，原余熱鍋爐系統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)無(wú)法使用。在不改變?cè)到y(tǒng)流程的基礎(chǔ)上增加省煤器和前置預(yù)熱器，見圖3。

圖3 改造后余熱鍋爐系統(tǒng)流程圖

從圖3可知：①煙氣系統(tǒng)。 自前端來的870 ℃高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過過熱器(分為一級(jí)過熱器、二級(jí)過熱器、三級(jí)過熱器)、蒸發(fā)器、省煤器，煙氣溫度降低至230 ℃，經(jīng)煙囪排出。②汽、水系統(tǒng)。 自上游來的104 ℃鍋爐水先經(jīng)過前置預(yù)熱器進(jìn)行加熱，溫度升高至180 ℃，進(jìn)入省煤器，與低溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱，溫度升高至220 ℃，進(jìn)入汽包后，通過在汽包、液包、蒸發(fā)器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)與煙氣進(jìn)行換熱，最終在汽包產(chǎn)生250 ℃飽和蒸汽。飽和蒸汽再經(jīng)過過熱器與高溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱，產(chǎn)生380 ℃過熱蒸汽。

3.3 改造方案優(yōu)點(diǎn)

(1)在原系統(tǒng)中增加1臺(tái)省煤器，能夠降低排煙溫度，解決了裝置能耗高、回收熱效率低的問題。同時(shí)省煤器換熱管的材質(zhì)采用ND鋼，其具有較高的耐低溫酸露點(diǎn)腐蝕的性能，提高了余熱鍋爐的可靠性。

(2)在原汽、水系統(tǒng)中增加1臺(tái)前置預(yù)熱器，對(duì)進(jìn)入省煤器的鍋爐水進(jìn)行預(yù)熱，保證省煤器的換熱管金屬壁溫高于露點(diǎn)溫度，進(jìn)一步為防止設(shè)備發(fā)生露點(diǎn)腐蝕提供了保障。

(3)增加1臺(tái)省煤器換熱管金屬壁溫?zé)犭娮韬蜔煔饴饵c(diǎn)測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱管金屬壁溫及煙氣露點(diǎn)溫度的有效監(jiān)控，可以有效確保裝置可靠安全地運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

余熱鍋爐系統(tǒng)改造后，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)排煙溫度降低30 ℃，相比原系統(tǒng)能夠多回收余熱約1.5 MW，每年可多節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)燃料油約1 500 t，年折合節(jié)能收入約400萬(wàn)元。同時(shí)，該余熱鍋爐系統(tǒng)改造屬于首臺(tái)國(guó)產(chǎn)化改造，其成功實(shí)施解決了進(jìn)口設(shè)備供貨周期長(zhǎng)、維修周期長(zhǎng)、成本高等問題，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。通過對(duì)該余熱鍋爐系統(tǒng)的改造，不僅能夠有效解決目前余熱鍋爐系統(tǒng)所存在的各種腐蝕失效問題，而且還能夠進(jìn)一步提高裝置余熱回收效率，為其余11套余熱鍋爐系統(tǒng)改造奠定了良好的基礎(chǔ)。

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