低溫甲醇洗繞管式換熱器泄漏原因及處理措施

張紅衛(wèi)，張 武

（國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤制油分公司，寧夏銀川 750411）

繞管式換熱器是一種新型高效的換熱設(shè)備，目前較多應(yīng)用于化工領(lǐng)域的深冷裝置，其結(jié)構(gòu)緊湊，單位容積傳熱面積大，可將幾股工藝物料同時冷卻或加熱，且冷熱端溫差小，換熱效率高，冷量的回收較為徹底[1]，在低溫甲醇洗裝置中還可以減少甲醇的循環(huán)量，降低水、電、冷量和蒸汽的消耗，因此備受青睞。繞管式換熱器對換熱管要求高，管子長，對接質(zhì)量高，繞制工藝復(fù)雜，且處于裝置的關(guān)鍵部位，若發(fā)生泄漏，則整套裝置需要停工。重造一臺設(shè)備至少需要半年時間，企業(yè)損失將非常嚴(yán)重。實際運行過程中，繞管式換熱器受制造過程、材料選用、工藝條件、操作管理等多種因素影響而導(dǎo)致的泄漏問題比較突出。

低溫甲醇洗裝置中所使用的繞管式換熱器自2016年7月至2020年4月，已出現(xiàn)7 次泄漏，嚴(yán)重影響裝置的長周期和滿負(fù)荷運行，因此，排查換熱器泄漏原因，從根本上解決換熱器泄漏問題顯得至關(guān)重要。

1 裝置概況

某裝置400 萬t/a 煤制油是目前世界上單體規(guī)模最大的煤制油項目[2]，屬國家級示范性工程。該項目包含28 臺氣化爐、10 臺動力鍋爐、12 套空分，堪稱煤化工項目中的巨人。年產(chǎn)合成油品405 萬t，甲醇100 萬t。油品中調(diào)和柴油為273 萬t，石腦油98 萬t，液化石油氣33 萬t。項目對解決中國油氣資源短缺、平衡能源結(jié)構(gòu)、推進國家中長期能源發(fā)展戰(zhàn)略、降低對外依存度、保障國家能源安全等問題具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

該項目中合成氣凈化裝置包括4 套低溫甲醇洗單元、4 套CO2壓縮單元、4 套丙烯制冷單元、1 套燃料氣壓縮單元。低溫甲醇洗單元采用魯奇低溫甲醇洗技術(shù)，并由其提供工藝包，由寰球公司完成基礎(chǔ)設(shè)計及詳細(xì)設(shè)計。

來自變換裝置的7.566×105 Nm3/h 變換原料氣進入變換氣洗氨塔T-3100X07 后，通過鍋爐給水的洗滌除掉其中的NH3和HCN，吸收了NH3和HCN之后的鍋爐水排出界區(qū)。經(jīng)洗滌后的變換原料氣分成兩股，一股經(jīng)變換原料氣/尾氣換熱器E-3100X03與低溫尾氣逆流換熱，隨后進入變換氣分離罐D(zhuǎn)-3100X05 以減少水分，冷凝下來的酸性工藝?yán)淠核椭了崴嵫b置。為了防止洗滌后的變換原料氣中的飽和水在低溫下結(jié)冰，在原料氣進一步冷卻前預(yù)先噴入少量甲醇，隨后通入變換氣/尾氣換熱器Ⅱ，E-3100X04 與低溫尾氣逆流換熱至-26 ℃。另外一股是來自變換氣洗氨塔T-3100X07 的變換原料氣主要部分，其經(jīng)變換原料氣冷卻器E-3100X01 與變換合成氣和CO2產(chǎn)品氣逆流換熱，預(yù)冷后的變換原料氣進入變換原料氣分離罐D(zhuǎn)-3100X01 以減少水分，冷凝下來的酸性工藝?yán)淠核椭了崴嵫b置。為防止洗滌后變換原料氣中的飽和水在低溫下結(jié)冰，在原料氣進一步冷卻前預(yù)先噴入少量甲醇，然后變換原料氣經(jīng)變換原料氣終冷器E-3100X02 與變換合成氣和CO2產(chǎn)品氣逆流換熱至-20 ℃。最后變換原料氣與來自E-3100X04 的變換原料氣流股混合，再分為等量的兩股氣流，分別送至變換氣吸收塔T-3100X02A/B。變換氣冷卻流程簡圖見圖1。

圖1 變換氣冷卻流程圖

2 E-3100X03 泄漏現(xiàn)象分析

2.1 E-3100X03 泄漏現(xiàn)象及危害

經(jīng)過E-3100X03 換熱后的CO2產(chǎn)品氣進入尾氣洗滌塔，經(jīng)脫鹽水洗滌后，在洗滌塔出口檢測尾氣中H2S 含量，此含量作為環(huán)保指標(biāo)（設(shè)計指標(biāo)質(zhì)量比為20 mg/kg），需嚴(yán)格控制。當(dāng)E-3100X03 泄漏時，尾氣中H2S 含量會嚴(yán)重超標(biāo)，環(huán)保指標(biāo)超標(biāo)又會嚴(yán)重影響裝置生存和長周期運行，同時原料氣的泄漏造成產(chǎn)品產(chǎn)量下降，影響裝置滿負(fù)荷運行。

2.2 E-3100X03 泄漏原因分析

2016—2020年E-3100X03 換熱器泄漏次數(shù)統(tǒng)計見表1。

表1 E-3100X03 泄漏次數(shù)統(tǒng)計表

2.2.1 制造缺陷 纏繞管管束在繞制過程中有較高的要求，間距必須均勻，端部管子折彎要自然過渡。管子供貨是盤形的，在繞制前的校直過程中會出現(xiàn)“啞鈴”現(xiàn)象，兩頭粗中間細(xì)以及過度彎曲可能產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，使管束存在隱患，再加上操作條件不穩(wěn)定、疲勞積累過度，導(dǎo)致缺陷擴展，致使管子斷裂[3]。該裝置同類型、同廠家換熱器共16 臺，唯獨E-3100X03 出現(xiàn)泄漏，因此不能判定為制造缺陷。

2.2.2 工藝流程設(shè)計不合理 原料氣在經(jīng)過氨洗滌塔后分為兩股，在送達(dá)E-3100X03 前經(jīng)過氣量調(diào)節(jié)閥3100XFC0013，調(diào)節(jié)閥處管道內(nèi)徑為35 cm，而調(diào)節(jié)閥前后管道內(nèi)徑為45 cm，較大的變徑使管道壓降增大，造成通過E-3100X03 的氣量遠(yuǎn)低于設(shè)計氣量，設(shè)計氣量28 萬Nm3/h，實際氣量不足20 萬Nm3/h，氣量減少造成換熱后溫度降低，增大了E-3100X03發(fā)生凍堵的可能性。

2.2.3 設(shè)計缺陷 原設(shè)計中E-3100X03 換熱后溫度為22 ℃，故未設(shè)計噴淋甲醇。噴淋甲醇的目的是利用甲醇與水完全互溶形成水合物以降低水的冰點，防止水在低溫下結(jié)冰。但實際運行中，E-3100X03換熱后溫度為-5 ℃，原料氣中的飽和水在低溫下結(jié)冰，會附著在換熱器列管上，嚴(yán)重時就會造成E-3100X03 凍堵。凍堵現(xiàn)象發(fā)生后，E-3100X03 前后壓差增大，原料氣量急劇減少，因原料氣經(jīng)過管程，凍堵發(fā)生在列管內(nèi)部，水結(jié)冰膨脹，造成列管破裂。亦或是痕量的水過冷，累積成冰粒，在氣流沖擊下，對管子彎曲段反復(fù)撞擊，逐漸導(dǎo)致管子破裂或穿孔[4]。對比包頭煤化工180 萬t 煤制甲醇裝置[4]，原料冷卻器Ⅱ與E-3100X03 類似，入口安裝有噴淋甲醇，正常運行未發(fā)生凍堵，但在貧甲醇泵聯(lián)鎖停車事故中，噴淋甲醇中斷，原料冷卻器Ⅱ運行壓差由運行時22 kPa 上漲至35 kPa，說明噴淋甲醇中斷期間會發(fā)生凍堵情況。變換原料氣/尾氣換熱器Ⅱ、E-3100X04同為繞管式換熱器，且在E-3100X03 的后方，工藝介質(zhì)流程與E-3100X03 相同，工藝運行參數(shù)同樣低于設(shè)計指標(biāo)，入口設(shè)計有噴淋甲醇，換熱器運行至今從未發(fā)生泄漏。綜上確定，E-3100X03 發(fā)生凍堵是造成泄漏的主要原因。

3 泄漏判斷及泄漏量計算

進行泄漏量計算的目的在于確定換熱器泄漏的根數(shù)及泄漏量，核算泄漏損失，判斷泄漏有無增大，便于決策是否停車檢修。

以凈化某一套裝置泄漏E-3100X03 為例，其表現(xiàn)為CO2尾氣中H2S 含量超標(biāo)，經(jīng)分析化驗，E-3100X03 的殼程入口中H2S 含量為0.01%，殼程出口中H2S 含量為0.51%，故判斷E-3100X03 發(fā)生內(nèi)漏。變換原料氣中H2S 含量為50%，當(dāng)運行負(fù)荷為100%時（變換原料氣量為75 萬Nm3/h，尾氣量為24 萬Nm3/h，E-3100X03 列管內(nèi)徑為20 mm，原料氣壓力為3.0 MPa，溫度為0 ℃，尾氣壓力為0.01 MPa，氣體流速20 m/s），

原料氣的內(nèi)漏量=（0.51%-0.01%）×240 000/50%=2 400 Nm3/h，

每根斷裂列管的漏氣量=3.14×0.01×0.01×20×3 600×2×30=1 356.48 Nm3/h，

泄漏的列管數(shù)量=2 400/1 356.48=1.77≈2 根。

4 處理措施

（1）裝置停車，將E-3100X03 換熱器進行隔離，氣壓查漏后對泄漏列管進行對堵消漏。經(jīng)多次檢修消漏，發(fā)現(xiàn)泄漏管束均發(fā)生在靠近設(shè)備筒體邊緣，主要原因是原料氣經(jīng)E-3100X03 頂部進入，從換熱器列管穿過后再集中送出，兩頭小中間大，邊界效應(yīng)影響造成換熱器中心地帶氣量大、流速快，換熱器邊緣地帶氣量小、流速慢，故在換熱器邊緣地帶更易發(fā)生凍堵現(xiàn)象。于是將E-3100X03 最外圈列管全部對堵，預(yù)判性地消除設(shè)備隱患。堵漏列管數(shù)未超過換熱器列管數(shù)的20%，因此不會造成換熱器換熱效果下降或者壓差增大等情況。

（2）將E-3100X03 前調(diào)節(jié)閥割除，變徑管線全部用全通徑管代替以減小流通阻力，以此來增大E-3100X03 的原料氣量及換熱后溫度。經(jīng)改造優(yōu)化實施后，經(jīng)過E-3100X03 的原料氣量增加約3 萬Nm3/h。

（3）在E-3100X03 前增加噴淋甲醇，并根據(jù)現(xiàn)場管道布局盡可能將噴淋甲醇裝置前移，保證甲醇的噴淋與混合在進入換熱器之前的管道中完成，防止原料氣帶水或冰點太高造成換熱器凍堵泄漏。包頭煤化工180 萬t 煤制甲醇裝置曾進行了同樣改造[5]。

E-3100X03 物料及設(shè)計參數(shù)見表2～表3。

表2 E-3100X03 設(shè)備設(shè)計參數(shù)表

表3 E-3100X03 工藝設(shè)計參數(shù)表 ℃

5 取得效果

通過采用以上解決措施，4 套E-3100X03 換熱器自2020年4月檢修后投用至今未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，取得較好的經(jīng)濟效益，大大提高了裝置滿負(fù)荷運行周期。E-3100X03 換熱器改造前后實際工況對比見圖2～圖3。

圖2 E-3100X03 換熱器改造前工況

圖3 E-3100X03 換熱器改造后工況

6 結(jié)論

E-3100X03 換熱器泄漏是由于通過E-3100X03 的原料氣量不足，達(dá)不到設(shè)計要求，換熱后溫度始終低于設(shè)計指標(biāo)，且未設(shè)計噴淋甲醇裝置，原料氣通過E-3100X03 換熱后溫度過低，低于水的冰點，原料氣中所含飽和水在E-3100X03 換熱器列管內(nèi)結(jié)冰，造成換熱器凍堵，堵塞嚴(yán)重導(dǎo)致?lián)Q熱器泄漏。本裝置針對已泄漏換熱器采取對堵消漏；將原料氣變徑管更換為全通徑管；增加噴淋甲醇裝置。通過實施以上措施，4 套E-3100X03 換熱器自2020年4月投用運行至2021年7月均未出現(xiàn)泄漏情況，大大提高了裝置滿負(fù)荷運行周期，取得較好的經(jīng)濟效益。