半水煤氣中溫變換系統(tǒng)第一換熱器優(yōu)化技改小結(jié)

吳 杰，白雪峰，吳世家

（山西豐喜華瑞煤化工有限公司，山西新絳 043100）

0 引 言

山西豐喜華瑞煤化工有限公司（簡(jiǎn)稱豐喜華瑞） “24·40”項(xiàng)目（240kt／a合成氨裝置、400kt／a尿素裝置）主要利用焦?fàn)t煤氣為原料生產(chǎn)合成氨與尿素，由于焦?fàn)t煤氣中碳含量較低，為保證尿素生產(chǎn)所需CO2量，采用半水煤氣（固定床間歇式氣化爐制氣）進(jìn)行補(bǔ)碳；在焦?fàn)t煤氣供應(yīng)不足的情況下，會(huì)加大半水煤氣的產(chǎn)氣量，以保證合成氨產(chǎn)量。其中，半水煤氣經(jīng)濕法脫硫系統(tǒng)脫除H2S后，經(jīng)煤氣壓縮機(jī)加壓至1.8 MPa，利用半水煤氣氧化鋅脫硫槽（精脫硫）將半水煤氣中的有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫進(jìn)行轉(zhuǎn)化和吸收，再通過(guò)中溫變換爐將半水煤氣中的CO變換為H2和CO2，然后變換氣與經(jīng)脫硫、轉(zhuǎn)化、中溫變換后的焦?fàn)t煤氣混合，經(jīng)混合氣氧化鋅脫硫槽精脫硫后進(jìn)入低溫變換爐，在銅基催化劑的作用下，CO進(jìn)一步變換，使出口低變氣中的CO含量＜0.3%，以滿足合成氨和尿素生產(chǎn)的需要。

中溫變換系統(tǒng)共有3套——2套供半水煤氣變換用、1套供焦?fàn)t煤氣變換用，半水煤氣系統(tǒng)與焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)共用1套低溫變換系統(tǒng)，屬于典型的中溫串低溫變換工藝。生產(chǎn)中，2套半水煤氣中溫變換系統(tǒng)（并聯(lián)）第一換熱器（列管式換熱器）頻繁出現(xiàn)列管腐蝕穿孔而需更換的問(wèn)題，通過(guò)2次優(yōu)化技改最終使問(wèn)題得到解決。以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 半水煤氣中溫變換系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介

除去油水的半水煤氣進(jìn)入中溫變換系統(tǒng)第一換熱器殼程，與管程中來(lái)自第三換熱器的變換氣進(jìn)行換熱，半水煤氣溫度由35℃提高至250℃左右，接著進(jìn)入氧化鋅脫硫槽，將半水煤氣中的有機(jī)硫轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)硫并脫除至總硫?yàn)槲⒘?；脫硫后的半水煤氣進(jìn)入第二換熱器殼程，與管程中來(lái)自變換爐二段出口的變換氣換熱，使入變換爐半水煤氣溫度達(dá)到330℃左右；半水煤氣中變爐上段出口變換氣溫度429℃，進(jìn)入第二換熱器列管內(nèi)與殼程的半水煤氣換熱，溫度降至400℃，再進(jìn)入半水煤氣中變爐下段繼續(xù)進(jìn)行CO變換反應(yīng)，使出口氣CO含量≤3%、溫度升至405℃；之后變換氣進(jìn)入第三換熱器管程，與殼程來(lái)自脫碳工段的堿洗氣換熱降溫至365℃，接著進(jìn)入第一換熱器管程，與殼程的半水煤氣換熱，溫度降至220℃左右，隨后進(jìn)入混合氣氧化鋅脫硫槽進(jìn)一步脫除H2S。

2 半水煤氣中溫變換系統(tǒng)第一換熱器腐蝕問(wèn)題

豐喜華瑞半水煤氣中溫變換系統(tǒng)第一換熱器腐蝕嚴(yán)重，檢修更換頻繁，考察其他同類型企業(yè)，也存在第一換熱器腐蝕嚴(yán)重、壽命短的問(wèn)題。以豐喜華瑞2＃半水煤氣中溫變換系統(tǒng)為例，第一換熱器為列管式，材質(zhì)0Cr18Ni10Ti，換熱面積250m2。豐喜華瑞合成氨裝置于2007年投運(yùn)，2008年第一換熱器列管就出現(xiàn)腐蝕穿孔，經(jīng)修補(bǔ)后繼續(xù)使用；2009年又拆除更換1臺(tái)與原設(shè)備相同的新?lián)Q熱器，舊換熱器送設(shè)備廠更換內(nèi)件；2010年第一換熱器列管又出現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象，隨即更換為2009年送修后返回的那臺(tái)換熱器。為尋找第一換熱器列管腐蝕原因，對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解體檢查，發(fā)現(xiàn)腐蝕部位主要集中在冷半水煤氣進(jìn)口端對(duì)面靠近管板的列管上，且腐蝕后的列管失去金屬光澤（變?yōu)楹诤稚?，而其他部位的列管腐蝕程度較輕。

3 第一次優(yōu)化技改

2＃半水煤氣中溫變換系統(tǒng)第一換熱器原設(shè)計(jì)為列管式，設(shè)計(jì)氣量26000m3／h，換熱面積為250m2，繼2010年后，2012年第一換熱器列管又出現(xiàn)腐蝕穿孔。經(jīng)與設(shè)計(jì)院討論，分析認(rèn)為主要原因是冷半水煤氣進(jìn)口端溫差過(guò)大形成熱應(yīng)力及進(jìn)口處不銹鋼晶間腐蝕?；谶@一分析，經(jīng)反復(fù)討論，豐喜華瑞決定改變第一換熱器結(jié)構(gòu)，將原列管式換熱器更換為U形管換熱器，同時(shí)將其換熱面積增至310m2。

U形管換熱器投用后，雖未出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，但其換熱效果不理想，達(dá)不到工藝設(shè)計(jì)要求：改造前，第一換熱器半水煤氣進(jìn)口溫度30～40℃、出口溫度240～260℃，變換氣進(jìn)口溫度310～320℃、出口溫度220～240℃；改造后，半水煤氣進(jìn)口溫度35℃、出口溫度217℃，變換氣進(jìn)口溫度362℃、出口溫度262℃。簡(jiǎn)言之，本次改造后第一換熱器半水煤氣出口溫度與設(shè)計(jì)值相差約33℃，甚至變換氣不先經(jīng)第三換熱器（即經(jīng)第三換熱器副線直接入第一換熱器），第一換熱器半水煤氣出口溫度仍無(wú)法提升至設(shè)計(jì)值，需借助電爐將半水煤氣溫度提高至設(shè)計(jì)值。

4 第二次優(yōu)化技改

4.1 優(yōu)化技改方案

借助電爐加熱雖然能暫時(shí)解決生產(chǎn)問(wèn)題，但能耗太高，從原列管式第一換熱器的運(yùn)行情況來(lái)看，原第一換熱器（列管式）換熱效果沒(méi)有問(wèn)題，但存在腐蝕問(wèn)題；從第一次技改后的第一換熱器（U形管式）的運(yùn)行情況來(lái)看，換熱器未發(fā)生過(guò)腐蝕，有效地解決了熱應(yīng)力腐蝕問(wèn)題，但不能達(dá)到要求的換熱效果。為從根本上解決問(wèn)題，豐喜華瑞經(jīng)自行論證，最終確定的改造方案為：新增1臺(tái)小型列管式換熱器，與現(xiàn)有U形管換熱器串聯(lián)使用（如圖1），利用新增列管式換熱器保證半水煤氣出口溫度，利用U形管換熱器消除熱應(yīng)力（降低換熱溫差）。

圖1 新增列管式換熱器后局部工藝流程簡(jiǎn)圖

4.2 新增列管式換熱器換熱面積的確定

4.2.1 半水煤氣中溫變換系統(tǒng)物料衡算

以100kmol半水煤氣量進(jìn)行半水煤氣中溫變換系統(tǒng)物料衡算（半水煤氣組分為實(shí)測(cè)值，變換后中變氣組分為根據(jù)設(shè)計(jì)溫度衡算后的計(jì)算值），詳見(jiàn)表1。

表1 半水煤氣中溫變換系統(tǒng)物料衡算

4.2.2 新增換熱器半水煤氣進(jìn)口溫度的確定

實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)第一換熱器的變換氣壓力為1.793MPa，則變換氣中水蒸氣飽和蒸汽壓pH2O＝（53.349÷180.6）×1.793＝0.5297MPa。據(jù)《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)（無(wú)機(jī)卷）》表1.8.3，壓力0.5297MPa下，飽和水蒸氣溫度為146℃，即該壓力下露點(diǎn)為146℃，為避免工藝氣溫度因低于露點(diǎn)而引起設(shè)備腐蝕，新增換熱器半水煤氣進(jìn)口溫度選取150℃，從而確定半水煤氣升溫節(jié)點(diǎn)為：在第一換熱器（U形管換熱器）內(nèi)，半水煤氣溫度由35℃升至150℃；在新增換熱器（列管式換熱器）內(nèi)，半水煤氣溫度由150℃升至250℃。

4.2.3 新增換熱器變換氣出口溫度的確定

在新增換熱器中，半水煤氣由150℃升溫至250℃，假設(shè)變換氣溫度由325℃降至275℃，據(jù)半水煤氣中各組分在不同溫度下的標(biāo)準(zhǔn)焓（表2）與表1中半水煤氣與變換氣的組分，利用公式Q＝∑φi·△Hi（式中：Q—工藝氣的熱量；φi—組分i的摩爾體積；△Hi—組分i的標(biāo)準(zhǔn)焓）進(jìn)行計(jì)算：在新增換熱器內(nèi)，100kmol半水煤氣生成的變換氣（即180.6kmol中變氣）由325℃降溫至275℃放出熱量75400kcal，100 kmol半水煤氣由150℃升溫至250℃吸收熱量72906kcal，熱損失為（75400－72906）／75400×100%＝3.3%，在合理范圍內(nèi)，假設(shè)成立。

表2 半水煤氣各組分不同溫度下的標(biāo)準(zhǔn)焓 kcal／kmol

在第一換熱器（U形管換熱器）中，仍然利用公式Q＝∑φi·△Hi進(jìn)行計(jì)算：100kmol半水煤氣生成的變換氣（即180.6kmol中變氣）由275℃降溫至220℃放出熱量Q1＝81632 kcal，100kmol半水煤氣生成的變換氣 （即180.6kmol中變氣）由276℃降溫至220℃放出熱量Q1′＝83150kcal；而100kmol半水煤氣由35℃升至150℃吸收熱量Q2＝82080kcal，Q1＜Q2＜Q1′。簡(jiǎn)言之，在第一換熱器中，半水煤氣溫度由35℃升至150℃時(shí)，中變氣溫度可由275℃降至220℃，計(jì)算誤差在合理范圍內(nèi)。

4.2.4 傳熱系數(shù)計(jì)算

雖然第一次改造后的U形管換熱器設(shè)計(jì)換熱面積為310m2，但其換熱效果遠(yuǎn)低于原換熱面積為250m2的列管式換熱器；從原列管式換熱器的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，250m2的換熱面積是可以滿足換熱需求的，故將第一換熱器（U形管換熱器）與新增換熱器（列管式換熱器）作為一個(gè)整體，以“有效總換熱面積”為250m2進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

半水煤氣設(shè)計(jì)氣量為26000m3／h，半水煤氣進(jìn)口溫度為35℃，出口溫度為250℃，變換氣進(jìn)口溫度為325℃，出口溫度為220℃，則對(duì)數(shù)平均溫度差△t＝（△t2－△t1）／［ln（△t2／△t1）］＝128℃（△t1＝325－250＝75℃，△t2＝220－35＝185℃）。利用表1與表2有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可得26000m3／h半水煤氣由35℃升溫至250℃所需熱量為7704309.74kJ／h，即2140086W，據(jù)傳熱方程式Q＝K·A·△t（式中：K—總傳熱系數(shù)；A—換熱面積）計(jì)算得新增換熱器的總傳熱系數(shù)為67W／（m2·K）。

4.2.5 新增換熱器換熱面積計(jì)算

在新增換熱器中，半水煤氣溫度由150℃升至250℃，變換氣溫度由325℃降至275℃，對(duì)數(shù)平均溫度差△t′＝（△t3－△t1）／［ln（△t3／△t1）］ ＝100℃（△t1＝325－250＝75℃，△t3＝275－150＝125℃）。利用表1與表2有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可得26000m3／h半水煤氣溫度由150℃升至250℃需要的熱量為3540974.3kJ／h，即983604W，據(jù)傳熱方程式Q＝K·A·△t計(jì)算得新增換熱器的換熱面積為146.81m2，考慮10%的余量，其換熱面積取160m2。

5 系統(tǒng)運(yùn)行情況

2013年，2＃半水煤氣中溫變換系統(tǒng)第一換熱器（U形管換熱器）后串聯(lián)（新增）1臺(tái)小型列管式換熱器后，運(yùn)行至今，第一換熱器再未發(fā)生腐蝕問(wèn)題，不但徹底解決了原設(shè)備運(yùn)行周期只有1.5a的問(wèn)題，還保證了換熱效果。技改前后2＃半水煤氣中溫變換系統(tǒng)有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比見(jiàn)表3（注：半水煤氣總量為23041m3／h，分別進(jìn)入2套半水煤氣中溫變換系統(tǒng)，2套半水煤氣中溫變換系統(tǒng)均低負(fù)荷運(yùn)行，目的是延長(zhǎng)中變催化劑的使用壽命）?？梢钥闯觯诘谝粨Q熱器后串聯(lián)（新增）小型列管式換熱器前后進(jìn)系統(tǒng)半水煤氣氣量和蒸汽量沒(méi)有大的變化，但中溫變換系統(tǒng)半水煤氣出口溫度提高至249℃，保證了氧化鋅脫硫床層的反應(yīng)溫度。

表3 技改前后2＃半水煤氣中溫變換系統(tǒng)有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

2013年，豐喜華瑞對(duì)其2＃半水煤氣中溫變換系統(tǒng)進(jìn)行了增設(shè)列管式換熱器的技改后，中溫變換系統(tǒng)出口半水煤氣溫度達(dá)到工藝指標(biāo)要求，原第一換熱器（原列管式換熱器）平均更換周期為1.5a，平均單價(jià)40萬(wàn)元，則改造后每年可節(jié)約設(shè)備更換費(fèi)用約26.6萬(wàn)元。2015年，豐喜華瑞對(duì)1＃半水煤氣中溫變換系統(tǒng)第一換熱器也進(jìn)行了類似改造。迄今2套半水煤氣中溫變換系統(tǒng)第一換熱器均未出現(xiàn)腐蝕，換熱效果也很理想，U形管換熱器＋列管式換熱器的技改方案對(duì)解決第一換熱器因熱應(yīng)力而引起的腐蝕穿孔及U形管換熱器“有效換熱面積”不足問(wèn)題極其有效，可為業(yè)內(nèi)提供一些參考與借鑒。