解決甲醛裝置廢熱鍋爐泄漏新技術開發(fā)應用

唐 浩

(瀘天化(集團)有限責任公司，四川瀘州，646000)

1 甲醛裝置廢熱鍋爐介紹

某公司2004年引進丹麥托普索公司(Tφpsoe)鐵鉬法甲醇氧化制甲醛專利技術，甲醛裝置于2005年12月建成投產。Tφpsoe公司設計的廢熱鍋爐(E-102A/B)為“U”型管換熱器，共用一個殼側，按管側分為2個換熱器(即E-102A、E-102B)。其作用是：來自第一、二甲醛反應器R-101和R-102殼側的導熱油氣液混合物，分別經第一、二導熱油分離器B-101和B-102進行氣液分離后的導熱油蒸汽，分別在廢熱鍋爐A(即E-102A)、廢熱鍋爐B(即E-102B)的管側內經過恒壓換熱后由氣相變?yōu)橐合?頂部進、底部出)，釋放出大量的相變潛熱，加熱殼側爐水產生2.4 MPa飽和蒸汽；E-102A、E-102B發(fā)生相變的導熱油混合物分別進入B-101、B-102上部進行氣液分離，液相導熱油通過B-101、B-102底部分別循環(huán)回流到R-101、R-102殼側；導熱油在R-101、R-102殼側經過恒壓換熱后由液相變?yōu)闅庀啵沾罅康南嘧儩摕?，帶走R-101、R-102反應管內甲醇氧化產生的大量熱量，從而維持催化劑床層溫度的穩(wěn)定。甲醛裝置廢熱鍋爐導熱油系統(tǒng)流程見圖1，廢熱鍋爐設備相關性能參數見表1。

表1 廢熱鍋爐管側和殼側性能數據

在實際生產中，由于廢熱鍋爐經常發(fā)生泄漏問題，造成該裝置不能正常穩(wěn)定生產。

(E-102A—廢熱鍋爐A；E-102B—廢熱鍋爐B；R-101—第一甲醛反應器；R-102—第二甲醛反應器；B-101—第一導熱油分離器；B-102—第二導熱油分離器；E-112—導熱油放空冷凝器；T-101—導熱油儲槽；E-103—后冷卻器；CW—循環(huán)水上水；RCW—循環(huán)水回水；E-101—工藝氣/甲醇預熱器；PV0204—R-101殼側導熱油壓力調節(jié)閥；PV0208—R-102殼側導熱油壓力調節(jié)閥；PV0501B—廢熱鍋爐E102A/B蒸汽放空壓力調節(jié)閥；PV0501A—廢熱鍋爐E102A/B蒸汽外送壓力調節(jié)閥；SM—2.4 MPa中壓飽和蒸汽。)圖1 Tφpsoe甲醛裝置廢熱鍋爐導熱油系統(tǒng)流程

2 廢熱鍋爐內部泄漏判斷

正常情況下，甲醛裝置每次停車后開車，廢熱鍋爐A(E-102A)導熱油側惰氣排放都比較頻繁，每8h排4次左右，一般要2—3天才會逐漸減少，3天后每周基本排1—2次即可。

從2006年9月到2007年2月，甲醛裝置每次停車后再開車，廢熱鍋爐A都要頻繁排惰氣每班(8h)排4—5次，7天左右才慢慢恢復正常，有時要連續(xù)排20天后才會逐漸恢復正常。在2007年5月18日，甲醛裝置停車后再開車后，廢熱鍋爐A排惰氣更頻繁(每8h排7—8次)，沒有好轉的趨勢。2007年6月2日至3日，連續(xù)取樣分析導熱油放空氣冷凝器E-112殼側液體中水含量高達83.36%—91.7%，嚴重危及甲醛裝置的安全穩(wěn)定運行。

完全可以排除導熱油中的輕組分揮發(fā)或空氣在停車時漏入高真空的導熱油系統(tǒng)引起的，而是判斷廢熱鍋爐A(E-102A)列管或管板有內漏，殼側約2.4 MPa的爐水漏入管側約20kPa導熱油系統(tǒng)所致。利用2007年6月中旬甲醛裝置停車搶修機會，拆開廢熱鍋爐A(“U”型管換熱器)封頭檢查發(fā)現(xiàn)管板下半部分存在的問題是第1排(從上往下數)第4根(從左往右數)、第4排第3根共2根列管與管板的焊縫處各有一條有泄漏痕跡的裂紋，進行了補焊處理，然后加水打壓到2.0 MPa試漏合格。列管與管板的兩處焊縫裂紋修復后的照片見圖2。

對廢熱鍋爐A 的“U”型管板修復工作，暫時解決了2.4 MPa爐水進入管側造成其頻繁排惰氣影響生產運行的問題。從開車運行看，導熱油系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定，廢熱鍋爐A每2—3天才排1次惰氣，短期確保了裝置的安全穩(wěn)定運行。

圖2 廢熱鍋爐A管板泄漏修復后照片

3 廢熱鍋爐管板泄漏原因分析

廢熱鍋爐A(E-102A)管板出現(xiàn)裂紋導致殼側爐水泄漏進入管側導熱油系統(tǒng)，經過認真研究設備內部結構和操作規(guī)程，分析主要有兩個方面的原因。

3.1 開車過程中管板前后溫差較大產生熱應力

表2是托普索公司提供的導熱油沸點和壓力對應關系(部分數據)。

表2 導熱油沸點和壓力對應關系

根據表2的數據資料可得：導熱油在絕壓103.3 kPa的沸點257℃；常壓絕壓110.0 kPa的沸點為260℃；絕壓135.9 kPa的沸點為270℃；絕壓166.3 kPa的沸點為280℃。那么，只要甲醛反應器殼側有導熱油蒸汽產生，那么溫度就至少有257℃以上，這些含有液體導熱油的油蒸汽混合物要先分別經過導熱油分離器分離后，純油蒸汽最終分別進入廢熱鍋爐進行換熱，管側的導熱油只發(fā)生相變——油蒸汽變?yōu)橐后w導熱油，殼側的爐水獲得熱量變成蒸汽，從而實現(xiàn)換熱；如果管內的油蒸汽(≥257℃)和殼側的爐水(約130℃)溫差太大(≥127℃)，就會對“U”型列管內外和管板前后產生較大的熱應力，從而會損壞管板或列管。

甲醛裝置開車程序：首先是對第一個甲醛反應器R-101投醇開車，一般至少4h以后，第二個甲醛反應器R-102才投醇開車；而在開車之前，廢熱鍋爐的爐水溫度最高只能達到130℃(如果界外送來的是常溫脫鹽水，那就只能先用0.35 MPa、147℃的飽和低壓蒸汽進行加熱)，可是一旦甲醛反應器發(fā)生反應放熱，殼側就會產生257℃以上導的熱油蒸汽，油蒸汽最終進入廢熱鍋爐A的管側；那么廢熱鍋爐A(E-102A)封頭管板前和“U”型管內的油蒸汽溫度都是≥257℃，與管板后和“U”型管外(溫度基本上與130℃爐水一致)，溫差≥127℃，這么大的溫差就會產生熱應力，“U”型管就會自動伸縮。

如果這么大的溫差持續(xù)時間長了、開停車次數多了，加上“U”型管和管板的熱膨脹系數有可能不一致、列管與管板的局部焊縫質量可能會存在問題，就必然導致“U”型管與管板產生裂紋。而當第二甲醛反應器R-102開車時，廢熱鍋爐B(E-102B)的爐水溫度已被E-102A加熱達到設計的224℃(壓力為2.4MPa對應的飽和蒸汽溫度)，大大縮小了與廢熱鍋爐B封頭管板前后及“U”型管內外的油蒸汽(257℃)溫差(30—35℃)，因此廢熱鍋爐管板焊縫就不容易裂紋，這也就是廢熱鍋爐B(E-102B)封頭管板一直未發(fā)生泄漏的原因。

因此，要解決廢熱鍋爐A(E-102A)封頭管板泄漏，降低封頭管板前后的溫差是關鍵，需要開發(fā)降低該溫差的新技術。

3.2 爐水沖擊列管產生沖擊應力和溫差應力

在正常運行過程中，廢熱鍋爐一直有一股130℃、大于4.0 MPa的新鮮鍋爐給水連續(xù)補入(滿負荷時流量約6.5t/h)，而鍋爐給水進入點正好在廢熱鍋爐A(E-102A)的“U”型管下方，敞口的管口正好朝上，沒有設置防沖擋板，壓力大于4.0MPa的新鮮鍋爐給水直接沖擊“U”型管，這樣新鮮爐水長期一直連續(xù)沖擊“U”型管，這就必然產生爐水對“U”型管的沖擊應力；再加上新鮮爐水與廢熱鍋爐的爐水有100℃溫差(廢熱鍋爐內的爐水溫度為224℃)，會產生溫差應力。連續(xù)的沖擊應力和溫差應力會導致列管頻繁伸縮而影響管板的正常工作，超過其焊縫的疲勞極限就會產生裂紋。

因此，要徹底解決廢熱鍋爐A(E-102A)管板泄漏問題，需要對設備內部結構進行技術創(chuàng)新，徹底消除沖擊應力和溫差應力。

4 解決廢熱鍋爐泄漏新技術開發(fā)應用

根據前面從工藝和設備兩個方面對廢熱鍋爐A(E-102A)管板泄漏原因的全面分析和深入研究，利用2007年11月甲醛裝置大修機會進行，開發(fā)實施了兩項解決管板泄漏的新技術。

4.1 廢熱鍋爐開車升溫新技術

廢熱鍋爐E-102增加中壓蒸汽開車升溫管道，在廢熱鍋爐底部預留的50.8 mm盲法蘭處(見圖3的“注2”)配管徑為38.1 mm(即1.1/2″)的開車升溫中壓蒸汽(224℃、2.4 MPa)管道和切閥(見圖3的“注1”)，并與廢熱鍋爐送出界區(qū)的PV0501A后切閥后的中壓蒸汽總管相連。廢熱鍋爐開車升溫新技術流程見圖3(即虛線的管道和閥門)。

采用新的開車升溫技術后，廢熱鍋爐開車升溫程序調整為：第一步在每次甲醛裝置開車前，先用低壓蒸汽(0.35 MPa、147℃)將廢熱鍋爐爐水升溫到120℃左右；第二步再用外管網中壓蒸汽(224℃、2.4 MPa)將爐水升到200℃左右，接近正常生產操作溫度224℃，以最大限度縮小爐水與廢熱鍋爐A管內導熱油蒸汽的溫差、管板前后的溫差(僅為20℃)。

圖3 廢熱鍋爐開車升溫新技術流程示意圖

在廢熱鍋爐E-102開車升溫操作過程中，須嚴格遵循三個原則：(1)飽和水蒸氣壓力與溫度對應的原則(見表3)；(2)控制升溫速率≤50℃/h；(3)當溫度與壓力平衡后，先升壓才能升溫的原則。

表3 水的飽和蒸汽壓與溫度對照

同時，由于甲醛裝置開車前先把廢熱鍋爐爐水預熱到200℃、接近正常工作溫度224℃(溫差不足5℃)，非常有利于開車過程中兩個甲醛反應器R-101、R-102殼側油位的穩(wěn)定，因為這兩個油位都帶有導致裝置跳車的液位高聯(lián)鎖。以前由于E-102A/B管側與殼側的溫差太大，引起油壓持續(xù)波動導致R-101、R-102殼側油位大幅度波動，為此在開車過程中經常引起油位聯(lián)鎖動作導致裝置緊急停車。廢熱鍋爐開車升溫新技術實施后，再也未發(fā)生開車過程中因為甲醛反應器R-101、R-102油位波動導致裝置停車的事故。

4.2 廢熱鍋爐設備內部結構技術創(chuàng)新

將廢熱鍋爐E-102A、E-102B列管全部抽薪，對新鮮爐水管道實施了三方面技術創(chuàng)新。

4.2.1 爐水進入方式新設計

將廢熱鍋爐底部溫度計TG0550(見圖4的“注3”)與爐水進口位置互換，即把爐水進口改到廢熱鍋爐底部中間位置(見圖4的“注4”)、將TG0550調整到E-102AU型管下方；也就是廢熱鍋爐A(E-102A)的“U”型管組與廢熱鍋爐B(E-102B)的“U”型管組之間的空間地帶，徹底解決低溫爐水對廢熱鍋爐A(E-102A)U型管底部的沖擊問題。

因為新增加的MS開車升溫管道在廢熱鍋爐B(E-102B)U型管的下方，而調整后的TG0550在廢熱鍋爐A(E-102A)U型管下方，當TG0550溫度達到200℃時，標志著整個廢熱鍋爐的爐水及設備都達到了200℃時，這個時候第一甲醛反應器R-101才投醇開車，對廢熱鍋爐而言這是非常安全可靠的開車條件。

圖4 廢熱鍋爐設備內部結構技術創(chuàng)新示意圖

4.2.2 內部爐水管道新布局

原設計內部爐水管道方向為單管敞口朝上，創(chuàng)造性調整為進入一根62cm長的水平分布管(將在進廢熱鍋爐內的鍋爐水管道向左延伸，見圖4的“注5”)。

4.2.3 爐水分布方式新結構

原設計內部爐水管道為單管敞口朝上，沒有分布器，創(chuàng)新實施為從62 cm長的水平分布管兩側向下各開10個直徑1 mm的小孔噴出(分布管實物詳見圖5)。

圖5 廢熱鍋爐內部爐水分布方式新結構

對廢熱鍋爐設備內部結構實施技術創(chuàng)新后，徹底解決了低溫新鮮爐水直接沖擊廢熱鍋爐A(E-102A)“U”型管底部的沖擊應力問題，也不沖擊廢熱鍋爐B的“U”型管；且能實現(xiàn)與高溫爐水均勻混合，避免較大溫差對“U”型管產生熱應力。

5 結束語

通過對Tφpsoe甲醛裝置廢熱鍋爐開車升溫新技術和廢熱鍋爐設備內部結構技術創(chuàng)新的開發(fā)應用，優(yōu)化改進了開車升溫操作程序，很好地解決了廢熱鍋爐管板焊縫泄漏問題，運行13年來效果良好。既保證了廢熱鍋爐的安全穩(wěn)定運行，又為甲醛裝置的長周期運行打下了堅實的基礎，甲醛裝置長周期運行由2007年的91天躍升到目前的最好紀錄293天。解決了Tφpsoe甲醛裝置廢熱鍋爐泄漏問題，新技術的開發(fā)應用取得了良好的效果。