大冶有色700 kt/a制酸裝置Ⅲ換熱器技改實(shí)踐

俞 陽(yáng)，張冠華，林先彬，李小偉

(大冶有色金屬股份有限公司冶煉廠，湖北黃石435005)

大冶有色金屬股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱大冶有色）冶煉廠700 kt /a制酸裝置由中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，大冶有色建安公司和宜興市化工成套設(shè)備有限公司共同建設(shè)。該裝置設(shè)計(jì)凈化工序煙氣處理量為2.5×105m3/h，進(jìn)氣φ(SO2)為10.82% ，硫酸設(shè)計(jì)產(chǎn)能為 700 kt/a，于2011年9月建成投產(chǎn)[1]。制酸裝置采用絕熱增濕稀酸洗滌，采用一級(jí)動(dòng)力波洗滌器—?dú)怏w冷卻塔—二級(jí)動(dòng)力波洗滌器—二級(jí)電除霧器 、ⅣⅠ-ⅢⅡ“3+1”二轉(zhuǎn)二吸工藝流程。

1 Ⅲ換熱器運(yùn)行存在的問(wèn)題

1.1 性能指標(biāo)大幅下降、傳熱效率低

700 kt/a制酸裝置自2012年以來(lái)，Ⅲ換熱器受中間吸收塔出塔煙氣酸霧夾帶影響，換熱器列管大量腐蝕，表層形成鐵銹酸泥，折流板腐蝕嚴(yán)重，部分列管穿孔，內(nèi)部泄漏量達(dá)0.24%[2]。歷次檢修清理Ⅲ換熱器殼程酸泥，列管累計(jì)穿管修復(fù)210根、打塞盲管540根（設(shè)計(jì)列管5 824根），但Ⅲ換熱器換熱情況逐步惡化，技術(shù)性能評(píng)價(jià)見(jiàn)表1。

由表1可以看出：Ⅲ換熱器關(guān)鍵性能指標(biāo)相較設(shè)計(jì)值，傳熱系數(shù)下降50%，換熱量下降30%，傳熱效率降低19%，管程出口溫度偏高約25～40 ℃、殼程出口溫度偏低80～95 ℃，管程阻力增加700～1 700 Pa，換熱性能大幅下降，已不能滿足轉(zhuǎn)化工序換熱設(shè)備要求。

表1 Ⅲ換熱器技術(shù)性能評(píng)價(jià)

1.2 對(duì)轉(zhuǎn)化工序及生產(chǎn)的影響

Ⅲ換熱器的傳熱系數(shù)及換熱量大幅下降，對(duì)轉(zhuǎn)化工序主要有3個(gè)影響：一是Ⅲ換熱器殼程出口進(jìn)Ⅱ換熱器溫度低于設(shè)計(jì)值約90 ℃，導(dǎo)致煙氣經(jīng)Ⅱ換熱器換熱進(jìn)入轉(zhuǎn)化器三段床層的溫度長(zhǎng)期在420℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于445 ℃的設(shè)計(jì)值，三段床層溫升偏小，一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率低于設(shè)計(jì)值2～3個(gè)百分點(diǎn)；二是分段轉(zhuǎn)化率偏低，反應(yīng)后移，四段床層溫升通常超過(guò)30 ℃，工況稍有波動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)化溫度及最終吸收塔出口煙氣指標(biāo)異常，轉(zhuǎn)化工序熱平衡失衡頻繁，系統(tǒng)承受工況波動(dòng)的能力較差；三是在“澳斯麥特爐+3臺(tái)轉(zhuǎn)爐”工況下轉(zhuǎn)化器三段床層進(jìn)口溫度尚能達(dá)到430 ℃，在“澳斯麥特爐+2臺(tái)轉(zhuǎn)爐”工況下三段床層進(jìn)口溫度出現(xiàn)掉溫情況，因此于2015年新建2 200 kW煙氣管道補(bǔ)溫電爐用于日常生產(chǎn)長(zhǎng)時(shí)間補(bǔ)溫。

1.3 對(duì)制酸裝置生產(chǎn)組織的影響

因Ⅲ換熱器的瓶頸限制，實(shí)際拉低了制酸裝置生產(chǎn)負(fù)荷，2016年硫酸產(chǎn)量平均為2 010 t/d。日常生產(chǎn)依靠電爐補(bǔ)溫維持轉(zhuǎn)化溫度，當(dāng)澳斯麥特爐更換噴槍或長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)循環(huán)后，轉(zhuǎn)化升溫緩慢，影響火法工序生產(chǎn)。

2 技術(shù)改造方案

2.1 煙氣條件

“澳斯麥特爐+3臺(tái)轉(zhuǎn)爐”和“澳斯麥特爐+2臺(tái)轉(zhuǎn)爐”2種模式典型工況下煙氣條件見(jiàn)表2。

表2 典型工況煙氣條件

2.2 確定新Ⅲ換熱器技術(shù)性能指標(biāo)

以Ⅲ換熱器改造滿足轉(zhuǎn)化器三段、四段床層進(jìn)口煙氣溫度及轉(zhuǎn)化系統(tǒng)熱平衡要求，Ⅲ換熱器殼程出口溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值，分別計(jì)算并綜合論證的技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

2.3 新Ⅲ換熱器結(jié)構(gòu)形式選擇

通過(guò)考察比較江西銅業(yè)等其他煙氣制酸廠家Ⅲ換熱器使用情況，結(jié)合270 kt/a制酸裝置大、小2臺(tái)換熱器Ⅲa和Ⅲb的使用情況，綜合討論分析，在原址上新建1臺(tái)Ⅲ換熱器，進(jìn)口前增加1臺(tái)犧牲式小換熱器。同行業(yè)不同廠家換熱器使用情況見(jiàn)表4。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)布置方案

對(duì)轉(zhuǎn)化現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多次勘察討論后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道和設(shè)備布置，新Ⅲ換熱器雖可置于轉(zhuǎn)化器、原Ⅲ換熱器、Ⅳ換熱器中間的空地上，但放置在該處管道走向復(fù)雜，相關(guān)管道和支架變動(dòng)較大。換熱器管程進(jìn)出口管夾角太小，可能影響換熱效率，且在豎直方向上管道有重疊，不利于后期檢修，因此在原址進(jìn)行改造，新Ⅲ換熱器的平面布置見(jiàn)圖1。

表4 不同廠家Ⅲ換熱器使用情況

圖1 新Ⅲ換熱器的平面布置

3 改造后新Ⅲ換熱器性能評(píng)價(jià)

新Ⅲ換熱器采用急擴(kuò)加速流縮放管管殼式換熱器，空心環(huán)管間支承結(jié)構(gòu)，傳質(zhì)系數(shù)高，設(shè)備阻力小，且殼程環(huán)狀進(jìn)出口不易積垢，有利于降低能耗[3]。更新改造于2017年5月完成，6月投入使用。新Ⅲ換熱器的使用性能著重從殼程、管程進(jìn)出口溫度、換熱器傳熱性能、設(shè)備阻力等方面評(píng)價(jià)。

3.1 殼程、管程進(jìn)出口溫度

新Ⅲ換熱器投入使用后，殼程出口溫度370 ℃左右（提高約90 ℃），管程出口溫度270 ℃左右（降低約30 ℃），具體見(jiàn)表5。

表5 新Ⅲ換熱器管程、殼程溫度

由表5可以看出：Ⅲ換熱器更新改造后，殼程、管程的溫度及平均溫差全部達(dá)到初始轉(zhuǎn)化工序的設(shè)計(jì)要求，解決了轉(zhuǎn)化器三段床層進(jìn)口溫度偏低、1#余熱鍋爐進(jìn)口煙氣溫度偏高等問(wèn)題。

3.2 新Ⅲ換熱器的傳熱性能

Ⅲ換熱器更新改造后，殼程、管程的溫度及平均溫差全部達(dá)到初始轉(zhuǎn)化工序的設(shè)計(jì)要求，通過(guò)熱量衡算計(jì)算Ⅲ換熱器的傳熱系數(shù)、換熱量、傳熱效率等性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 新Ⅲ換熱器性能指標(biāo)

由表6可以看出：新Ⅲ換熱器的傳熱系數(shù)大幅提高至25～26 W/(m2·K)，相比改造前的13.62 W/(m2·K)提高約1倍，換熱量增加約4 500 kW，轉(zhuǎn)化工序熱量回用增加4 500 kW，有效改善了轉(zhuǎn)化熱平衡，減少電爐補(bǔ)溫操作。傳熱效率由55.4%提高至74.0%，基本達(dá)到了原設(shè)計(jì)值。

3.3 新Ⅲ換熱器設(shè)備阻力

更新改造后，新Ⅲ換熱器的管程阻力降低，殼程阻力在設(shè)計(jì)值以內(nèi)，阻力變化對(duì)比見(jiàn)表7。

表7 設(shè)備阻力

4 Ⅲ換熱器更新改造后對(duì)制酸裝置影響效果評(píng)價(jià)

新Ⅲ換熱器于2017年6月投入使用后，Ⅲ換熱器殼程阻力相對(duì)增大、SO2風(fēng)機(jī)動(dòng)力消耗增多。Ⅲ換熱器換熱量增大，余熱鍋爐帶出轉(zhuǎn)化工序熱量減少，轉(zhuǎn)化工序熱平衡有效改善，電爐補(bǔ)溫電耗大幅降低。

4.1 Ⅲ換熱器換殼程阻力相對(duì)增大，SO2風(fēng)機(jī)動(dòng)力消耗增多

Ⅲ換熱器改造后殼程阻力在設(shè)計(jì)值以內(nèi)，但相比改造前平均增加0.85 kPa，相應(yīng)的SO2風(fēng)機(jī)動(dòng)力消耗增加、電耗增加。Ⅲ換熱器殼程阻力在低值和高值時(shí)的SO2風(fēng)機(jī)工藝指標(biāo)見(jiàn)表8。

表8 Ⅲ換熱器殼程阻力低值和高值對(duì)應(yīng)SO2風(fēng)機(jī)工藝指標(biāo)

由表8可以看出:新Ⅲ換熱器殼程阻力在低值和高值對(duì)應(yīng)的SO2風(fēng)機(jī)功率分別為1 950 kW和4 200 kW，全壓增大19 kPa，風(fēng)機(jī)實(shí)際功率增大2 250 kW。全壓增加1 kPa則風(fēng)機(jī)實(shí)際功率增加118 kW，所以殼程阻力增大0.85 kPa對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)功率增大約100 kW。高負(fù)荷工況按40%時(shí)間計(jì)，則平均每月增加電耗33 840 kWh，按電價(jià)0.569 6元/kWh計(jì)，合計(jì)每月增加費(fèi)用2萬(wàn)元，預(yù)計(jì)全年增加24萬(wàn)元。

4.2 電爐電耗降低

轉(zhuǎn)化器三、四段床層進(jìn)口溫度同比調(diào)節(jié)至合理溫度區(qū)間，熱平衡失衡（垮溫）現(xiàn)象減少，三段床層基本不需要電爐補(bǔ)溫操作。Ⅲ換熱器更新前后電爐補(bǔ)溫減少降低的電耗統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表9。

表9 Ⅲ換熱器更新前后電爐月平均電耗

經(jīng)計(jì)算，轉(zhuǎn)化器三、四段床層電爐每月節(jié)約用電約486 648 kWh，按電價(jià)0.569 6元/kWh計(jì)，合計(jì)每月節(jié)約費(fèi)用27.72萬(wàn)元，預(yù)計(jì)全年節(jié)約332.63萬(wàn)元，折硫酸變動(dòng)成本降低3.17元/t。

4.3 余熱鍋爐帶出轉(zhuǎn)化工序熱量減少

新Ⅲ換熱器換熱量增大，系統(tǒng)熱平衡有效改善，1#余熱鍋爐進(jìn)口溫度降低約35 ℃，蒸汽產(chǎn)量減少，1#余熱鍋爐換熱量對(duì)比見(jiàn)表10。

表10 Ⅲ換熱器改造前后1#余熱鍋爐換熱量、蒸汽量對(duì)比

由表10可以看出：在設(shè)計(jì)工況下，余熱鍋爐的換熱量為7 475 kW。Ⅲ換熱器更新改造前，在實(shí)際負(fù)荷小于設(shè)計(jì)負(fù)荷工況下，余熱鍋爐換熱量偏大，將過(guò)多熱量轉(zhuǎn)移出轉(zhuǎn)化工序，轉(zhuǎn)化工序熱平衡穩(wěn)定性降低。Ⅲ換熱器更新改造后，Ⅲ換熱器的換熱量增大4 500 kW，1#余熱鍋爐換熱量減小4 500 kW，1#余熱鍋爐蒸汽量在Ⅲ換熱器改造前后減少約50%，轉(zhuǎn)化工序熱平衡穩(wěn)定性達(dá)到要求。

4.4 改善轉(zhuǎn)化熱平衡，提高三段床層轉(zhuǎn)化率

改造后新Ⅲ換熱器管程出口溫度由原來(lái)的300℃左右降低至270 ℃左右，殼程出口溫度提升至360 ℃以上，轉(zhuǎn)化器三段床層進(jìn)口煙氣溫度提升至440 ℃以上，三段床層溫升及轉(zhuǎn)化率均提升。同時(shí)，新Ⅲ換熱器的換熱量由14 000 kW增至18 500 kW，減少煙氣熱量經(jīng)1#余熱鍋爐轉(zhuǎn)移出轉(zhuǎn)化工序，確保了三段床層進(jìn)口煙氣溫度穩(wěn)步提高，轉(zhuǎn)化熱平衡穩(wěn)定性得到大幅提升，在非極端惡劣工況下，三段床層基本未再出現(xiàn)垮溫現(xiàn)象，在應(yīng)對(duì)澳斯麥特爐更換噴槍及長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)化工序的升溫速度加快。轉(zhuǎn)化工序熱平衡穩(wěn)定性大幅提高，制約整個(gè)700 kt/a制酸裝置運(yùn)行穩(wěn)定性及產(chǎn)量提升的瓶頸得到解決。

5 結(jié)語(yǔ)

Ⅲ換熱器的更新改造，殼程、管程進(jìn)出口溫度、換熱器傳熱系數(shù)、換熱量、傳熱效率、設(shè)備阻力等關(guān)鍵性能均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。對(duì)于制酸裝置，新Ⅲ換熱器換熱量增大、余熱鍋爐帶出熱量減少、轉(zhuǎn)化工序回用熱量增加，轉(zhuǎn)化工序熱平衡穩(wěn)定性增強(qiáng)，一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率提升，三、四段床層電爐補(bǔ)溫電耗大幅降低。

新Ⅲ換熱器經(jīng)2017年大修后使用至今運(yùn)行良好，管程、殼程進(jìn)出口溫度均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。2019年火法系統(tǒng)及制酸裝置大幅提高產(chǎn)能，轉(zhuǎn)化工序的整體熱負(fù)荷提高，三、四段床層的進(jìn)口煙氣最高同時(shí)達(dá)到450 ℃，三段床層底部溫度達(dá)到480 ℃，四段床層溫度達(dá)到470 ℃。預(yù)計(jì)2020年制酸裝置仍將維持高負(fù)荷生產(chǎn)，因此考慮在下一次大修中根據(jù)實(shí)際工況要求并經(jīng)熱量衡算后，打塞子堵塞適量列管，減少新Ⅲ換熱器少量換熱面積，調(diào)節(jié)三、四段床層的進(jìn)口煙氣溫度。