600 kt/a硫黃制酸裝置冷熱換熱器修復(fù)實(shí)踐

田文軍

（云南磷化集團(tuán)?？诹讟I(yè)有限公司，云南昆明650113）

云南磷化集團(tuán)海口磷業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱?？诹讟I(yè)）600 kt/a硫黃制酸裝置采用“3+1”二轉(zhuǎn)二吸制酸工藝并配有低溫位熱能回收系統(tǒng)（HRS）。該裝置的冷熱換熱器（以下簡(jiǎn)稱換熱器）管束因腐蝕出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致部分SO3煙氣短路進(jìn)入轉(zhuǎn)化器四段，影響二次轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率，導(dǎo)致二吸塔出口的SO2濃度上升、尾氣處理成本增加、裝置產(chǎn)能不達(dá)標(biāo)等問題。筆者結(jié)合?？诹讟I(yè)硫黃制酸的實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)換熱器泄漏的主要影響因素進(jìn)行了分析，提出了提高換熱器使用壽命的建議，并詳細(xì)介紹了換熱器的修復(fù)過程，供其他企業(yè)借鑒。

1 換熱器結(jié)構(gòu)

?？诹讟I(yè)600 kt/a硫黃制酸裝置采用的換熱器結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)示意

高溫SO3煙氣從上部進(jìn)入換熱器管程，經(jīng)換熱降溫后去吸收塔；從吸收塔出來的煙氣經(jīng)過除霧器除霧后進(jìn)入換熱器殼程，與管程的高溫SO3煙氣進(jìn)行換熱。

2 換熱器泄漏的原因分析

2.1 酸霧冷凝腐蝕

換熱器殼程的煙氣來自吸收塔，當(dāng)吸收塔內(nèi)部的除霧器出現(xiàn)花板穿孔、酸杯液封失效、纖維床層出現(xiàn)短路等情況導(dǎo)致除霧效率下降，或分酸器出現(xiàn)腐蝕，吸收酸的濃度或溫度、入塔煙氣溫度異常導(dǎo)致酸霧量超過除霧器的處理能力時(shí)，煙氣攜帶的酸霧會(huì)在換熱器殼程處冷凝，對(duì)換熱器冷煙氣進(jìn)口側(cè)附近的管板、管束、筒體等部位產(chǎn)生腐蝕，隨著時(shí)間的累積，最終造成管束腐蝕破損。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)形式的換熱器，其泄漏點(diǎn)一般在靠近冷煙氣進(jìn)口側(cè)，管程的三氧化硫煙氣泄漏進(jìn)殼程與吸收塔來的冷煙氣接觸形成冷凝酸，進(jìn)而加速換熱器的腐蝕。

2.2 露點(diǎn)腐蝕

以該600 kt/a硫黃制酸裝置為例計(jì)算進(jìn)出換熱器的煙氣露點(diǎn)，換熱器工況參數(shù)見表1。

表1 換熱器工況參數(shù)

盧欽斯基運(yùn)用相平衡回歸的露點(diǎn)計(jì)算公式為[1-2]：

1）當(dāng)pH2O＞1.102pSO3，冷 凝 酸w(H2SO4)≤98.3%時(shí)：

2）當(dāng)pH2O＜1.102pSO3，冷 凝 酸w(H2SO4)≥100%時(shí)：

式中：pH2O——?dú)庀嘀蠬2O的分壓，Pa；

pSO3——?dú)庀嘀蠸O3的分壓，Pa；

T——露點(diǎn)，K。

當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?9.1 kPa，根據(jù)表1中換熱器的工況參數(shù)計(jì)算管程、殼程的煙氣露點(diǎn)：

1）管程煙氣露點(diǎn)：pH2O＜1.102pSO3，則T=1 000÷[3.085 97-0.088 8ln(105 100×0.012%)-0.032 04ln(105 100×10.41%)]=390(K)。

2）殼程煙氣露點(diǎn)：pH2O＞1.102pSO3，則T=1 000÷[2.838 82-0.065 2ln(926 00×0.013 4%)-0.048 77ln(926 00×0.001%)]=373(K)。

由上述計(jì)算可知，與換熱器接觸的煙氣露點(diǎn)在100～117 ℃，而換熱器的工作溫度在70～450 ℃，在煙氣溫度低于露點(diǎn)的區(qū)域會(huì)發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。另外，裝置開停車期間煙氣溫度較低，也易發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。

3 提高換熱器使用壽命的措施

提高換熱器的使用壽命，通常采取以下措施：

1）在冷煙氣進(jìn)口側(cè)加裝冷凝酸收集槽定期排酸、在冷SO2煙氣進(jìn)口側(cè)安裝護(hù)板、煙氣管束噴鋁或滲鋁，在一定程度上可以減少冷凝酸腐蝕。

2）對(duì)吸收塔除霧器進(jìn)行升級(jí)，采用進(jìn)口高效纖維除霧器，除霧效率達(dá)到94%以上，雖然所需的成本較高，但可明顯提高除霧效果。

3）在冷SO2煙氣進(jìn)口側(cè)加裝二級(jí)除霧器，提高除霧效率。

4）在冷SO2煙氣進(jìn)口側(cè)增加煙氣加熱器，使煙氣在與換熱器管束接觸前，將溫度提高至露點(diǎn)以上，避免低溫腐蝕[3]。

盡管上述措施可以在一定程度上降低換熱器的腐蝕速率，但換熱器腐蝕泄漏的情況仍然較為普遍，都會(huì)面臨如何修復(fù)的問題。冷換熱器的修復(fù)安排在裝置大修期間進(jìn)行，在腐蝕損環(huán)面積較小的情況下，一般采取封堵管束的方式進(jìn)行處理，但當(dāng)封堵的列管超過一定數(shù)量后，裝置會(huì)出現(xiàn)設(shè)備阻力升高、生產(chǎn)利用率和熱量利用率下降等問題。

為了使裝置恢復(fù)設(shè)計(jì)能力，需要對(duì)換熱器損壞的管束、管板等部件進(jìn)行更換。若對(duì)換熱器進(jìn)行整體更換，未損壞部分的管束被一同更換，沒有發(fā)揮出最大的效能，經(jīng)濟(jì)性大打折扣；若采用注膠修補(bǔ)的方式對(duì)損壞的部件進(jìn)行修復(fù)，不僅會(huì)使換熱器失去部分換熱能力，還會(huì)增加其再修復(fù)的難度；若對(duì)換熱器局部的管束進(jìn)行更換，則存在操作難度大、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)的問題。經(jīng)綜合考慮，?？诹讟I(yè)決定采用投資回報(bào)率更高的修復(fù)方式，只對(duì)腐蝕損壞的列管或管板進(jìn)行更換，以獲得更高的利用率，同時(shí)降低了施工難度。

4 換熱器的腐蝕情況

因該換熱器盲堵管束較多，計(jì)劃大修時(shí)實(shí)施泄漏管束的更換，在裝置吹凈降溫后對(duì)換熱器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)靠殼程進(jìn)口側(cè)的下管板腐蝕嚴(yán)重。盲堵及泄漏的管束共計(jì)360根，主要分布在殼程進(jìn)口側(cè)，損失換熱面積達(dá)15%以上，列管穿孔的位置集中在下管板上方300～500 mm位置，酸泥厚度約為400 mm，管束其余部位無明顯腐蝕。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，檢修人員計(jì)劃在更換泄漏管束的同時(shí)，對(duì)下管板腐蝕部分進(jìn)行更換。

5 換熱器修復(fù)過程

5.1 檢修準(zhǔn)備階段

在檢修準(zhǔn)備階段，需做好以下工作：

1）做好管道支撐后割除換熱器頂部變徑段及3 m煙氣管道，以便于更換管束。

2）割除殼程進(jìn)口煙氣管道，以便于清理換熱器殼程酸泥。

3）在筒體上折流板附近的位置開1 000 mm×1 500 mm方形人孔。

4）根據(jù)目測(cè)或打壓找出腐蝕及泄漏的管束并做標(biāo)記，繪制損壞管束分布示意圖（見圖2），其中損壞管束用填充色表示，根據(jù)圖示規(guī)劃更換區(qū)域。

5.2 抽管及管板加工

從殼程外緣第一排管束開始清理下管板處的酸泥，從下管板上方50～100 mm處割斷管束，并將管束從折流板處割斷成兩截。在上管板處將管束焊縫割除，分段將上部管束往下抽出、下部管束往上抽出。

按圖2所示區(qū)域從外到里順次逐排完成清理—割管—抽管，循環(huán)操作，直到完成所有抽管工作。

圖2 換熱器損壞管束分布示意

檢查管板的腐蝕情況，確定更換區(qū)域，用新的管板按圖3所示進(jìn)行切割加工，對(duì)腐蝕區(qū)域進(jìn)行替換。

圖3 換熱器管板加工示意

5.3 管束及管板修復(fù)安裝

按下述步驟進(jìn)行新管束及管板的安裝：

1）下管板所有焊接位置打磨45°坡口、上管板管口及折流板管口打磨平整。

2）將多組新管束從上管板穿入，在折流板處進(jìn)行對(duì)位。對(duì)新加工的下管板進(jìn)行多孔定位，拼接錯(cuò)位最大不超過3 mm，將管板焊接固定。

3）管板采用J507焊條焊接，焊條經(jīng)300～350 ℃烘干，保溫1～2 h，烘干后放入焊條保溫桶存放。焊接前對(duì)管板焊縫處進(jìn)行高溫脫硫處理，焊接時(shí)采用逆向分段焊接，減少變形。

4）使用吊車將管束吊起，從上管板進(jìn)行穿管，折流板處、下管板處配合進(jìn)行對(duì)位，可制作專用吊具一次起吊多根管束。在穿管完成后點(diǎn)焊固定，穿管、焊接分批次進(jìn)行以提高效率。

5）滲鋁管采用專用A312SL滲鋁鋼焊條焊接，保持焊縫、熔合線和滲鋁層三者的連續(xù)性，保證焊縫、熔合線同滲鋁層具有匹配的耐熱抗腐蝕性能。

6）恢復(fù)殼體后進(jìn)行氣密性試驗(yàn)再次找補(bǔ)漏，直至打壓合格。

5.4 管程噴砂清理

換熱器使用一個(gè)周期后，因煙氣腐蝕等問題，管束內(nèi)壁會(huì)附著粉塵、鐵銹、酸泥等，將導(dǎo)致管壁有效通流面積減小、設(shè)備阻力增大、總傳熱系數(shù)減小、熱效率降低等問題，因此在大修期間需要使用鐵砂對(duì)管束進(jìn)行噴砂清理，噴砂采用0.6～0.7 MPa壓縮空氣為動(dòng)力。

6 換熱器修復(fù)效果

在裝置大修期間通過對(duì)換熱器降溫、換管修復(fù)、噴砂清理以及氣密性試驗(yàn)，歷經(jīng)30天使裝置恢復(fù)了正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了滿負(fù)荷生產(chǎn)，設(shè)備阻力、換熱器進(jìn)出口煙氣溫度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。換熱器修復(fù)前后現(xiàn)場(chǎng)情況見圖4～6，運(yùn)行參數(shù)見表2。

圖4 修復(fù)前冷SO2煙氣進(jìn)口側(cè)列管

圖5 修復(fù)后冷SO2煙氣進(jìn)口側(cè)列管

圖6 修復(fù)后上管板完成穿管情況

表2 換熱器修復(fù)前后運(yùn)行參數(shù)

7 結(jié)語

對(duì)于硫酸裝置而言，冷熱換熱器具有管束易被腐蝕的特點(diǎn)，其修復(fù)難度較大。海口磷業(yè)通過對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)和腐蝕泄漏的原因進(jìn)行分析，采取局部管束抽管更換、管板局部切割更換及管束內(nèi)管噴砂清理等措施，對(duì)換熱器進(jìn)行了修復(fù)。實(shí)踐表明，該修復(fù)方法對(duì)冷熱換熱器的設(shè)備結(jié)構(gòu)、換熱效率、再修復(fù)性影響較小，能較大限度提高設(shè)備的使用價(jià)值，值得借鑒。