大型磷酸裝置石墨換熱器國產(chǎn)化技術(shù)研究

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（云南天安化工有限公司磷肥制造中心，云南 安寧 650309）

1 概述

在磷酸裝置濃縮生產(chǎn)系統(tǒng)中，石墨換熱器是最關(guān)鍵的設(shè)備之一，它能否正常有效運(yùn)行，對(duì)整個(gè)磷酸生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)狀況有較大影響。因此，各磷酸生產(chǎn)單位均對(duì)石墨換熱器的生產(chǎn)和維護(hù)十分重視。

云南天安化工有限公司磷肥制造中心國產(chǎn)化示范項(xiàng)目二期30萬t/年濕法磷酸裝置始建于2007年，因當(dāng)時(shí)國內(nèi)各石墨換熱器廠家均無大型石墨換熱器生產(chǎn)能力，故本裝置4套100kt/a濃縮生產(chǎn)系統(tǒng)的4臺(tái)石墨換熱器（設(shè)備位號(hào)E0301A/B/C/D）均選用法國卡朋羅蘭公司生產(chǎn)的設(shè)備，于2007年7月投用。在長周期滿負(fù)荷的運(yùn)行下，4臺(tái)換熱器都發(fā)生了不同程度的列管堵塞及破損現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了磷酸裝置的正常運(yùn)行，給公司造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 進(jìn)口換熱器損壞情況及存在問題

2.1 進(jìn)口換熱器技術(shù)參數(shù)

設(shè)備型號(hào)：PYTIC70 733/φ51/38×7560。

外形尺寸：φ1636×11256。

石墨列管：φ51/38×77560-733（根）。

換熱面積：716.4m2。

生產(chǎn)能力：100kt/a。

操作溫度：管程80℃，殼程125℃。

操作壓力：管程0.3MPa，殼程0.2MPa。

2.2 損壞情況

4臺(tái)進(jìn)口石墨換熱器隨使用年限增長，已有不同程度損壞：A系列堵管169根，B系列堵管65根，C系列堵管68根，D系列堵管78根，每臺(tái)換熱器列管總數(shù)為733根，堵管比例為：A系列23.06%，B系列8.87%，C系列9.28%，D系列10.64%,而石墨換熱器的設(shè)計(jì)允許堵管比例為5%～10%，根據(jù)上述情況石墨換熱器AD系列已經(jīng)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重制約并存在極大隱患。

2.3 存在問題

（1）換熱器因大面積堵管較多，造成管板受熱不均，生產(chǎn)過程中，在熱脹冷縮的外力作用下，A系列換熱器上管板被拉裂，已無法徹底修復(fù)，運(yùn)行中仍會(huì)滲酸，每次清洗時(shí)，在試漏過程中都會(huì)出現(xiàn)滲漏和冒泡現(xiàn)象，需再次涂抹膠泥消漏，耗時(shí)8～12h，難以按公司核定的計(jì)劃停車時(shí)間恢復(fù)生產(chǎn)。

（2）2021年1月，裝置消缺檢修期間發(fā)現(xiàn)下管板表面碳纖維層大面積脫落，隨著保護(hù)層的脫落，后續(xù)管板的磨損將會(huì)加劇，對(duì)濃縮系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成了故障隱患。

（3）換熱器下封頭為碳鋼襯膠材質(zhì)，目前，碳鋼部件的密封面已腐蝕嚴(yán)重，無法徹底消除漏點(diǎn)，運(yùn)行中隨時(shí)有泄漏風(fēng)險(xiǎn)，難以管控，給系統(tǒng)正常運(yùn)行生產(chǎn)帶來了一定的影響及有較大的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

3 國內(nèi)外石墨換熱器的對(duì)比

鑒于該裝置進(jìn)口石墨換熱器現(xiàn)有的故障因素，已導(dǎo)致裝備性能下降，進(jìn)而制約了磷酸的正常生產(chǎn)，對(duì)其進(jìn)行更新改造已刻不容緩。因其在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要地位，對(duì)它的更新改造必須慎之又慎，下面從幾個(gè)方面對(duì)進(jìn)口設(shè)備、國產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，來論述石墨換熱器國產(chǎn)化改造的可行性。

3.1 生產(chǎn)技術(shù)對(duì)比

現(xiàn)在國內(nèi)石墨換熱器的生產(chǎn)技術(shù)已較為成熟，已縮小了與進(jìn)口設(shè)備的差距，主要表現(xiàn)如下。

（1）開發(fā)了增強(qiáng)不透性石墨材料，擴(kuò)大了換熱器的應(yīng)用范圍。不透性石墨材料的增強(qiáng)技術(shù)在國外已得到了較為廣泛的應(yīng)用，如采用碳纖維增強(qiáng)列管式石墨換熱器的石墨管和石墨管板，及開發(fā)表面涂敷耐磨陶瓷氧化物涂層的石墨材料等新技術(shù)?，F(xiàn)在國內(nèi)石墨換熱器廠家研制出的擠壓浸漬石墨管，其強(qiáng)度性能基本達(dá)到德國西格里及法國卡朋羅蘭等公司的增強(qiáng)石墨管的性能，從而大大提高了石墨換熱器的抗熱震性、抗腐蝕性和抗裂性，拓展了石墨換熱器在高溫、高壓環(huán)境中的應(yīng)用范圍。

（2）開發(fā)化工專用石墨材料。國外十分注重發(fā)展細(xì)顆粒、低孔隙率、高強(qiáng)度的石墨材料，國外碳素生產(chǎn)公司制造的化工專用石墨坯材的顆粒度在0.1～0.3mm。化工專用石墨材料顆粒細(xì)、密度高、機(jī)械強(qiáng)度和換熱性能好。目前，國內(nèi)各碳素材料生產(chǎn)廠經(jīng)過研發(fā)努力也生產(chǎn)出了高強(qiáng)度、細(xì)顆粒的化工專用石墨，粒度在0.2～0.5mm，從而徹底改變了制造化工用石墨使用冶金電極石墨材料的狀況。

（3）開發(fā)出一批大規(guī)格、高參數(shù)石墨換熱器。國外石墨換熱器的規(guī)格大型化、性能高參數(shù)化趨勢十分明顯，為此，我公司一、二期“836”等大型國家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目在建設(shè)時(shí)期均專門從法國卡朋羅蘭公司購進(jìn)年產(chǎn)100kt/a的大型石墨換熱器?，F(xiàn)在，國內(nèi)各石墨換熱器生產(chǎn)廠隨著制造技術(shù)的逐漸成熟，南通京通石墨設(shè)備有限公司已能生產(chǎn)出年產(chǎn)150kt/a的大型石墨換熱器。并在培燒、浸漬和石墨化處理工藝方面進(jìn)行了有益的探索，大大緩解了國內(nèi)大型石墨換熱器需求方面的矛盾。

3.2 使用情況對(duì)比

我公司一期30萬噸磷酸裝置原設(shè)計(jì)3臺(tái)石墨換熱器均為法國卡朋羅蘭公司制造的生產(chǎn)能力100kt/a的石墨換熱器，面積為758m2，于2005年2月投用。開車初期，使用效果較好，清洗周期為25～28天，可加入蒸汽35t。但隨著使用年限的增長，列管堵塞的增多，裝備性能持續(xù)下降，后期已只能運(yùn)行15～20天，加入蒸汽量也縮減為30t。

2013年9月和2014年11月，我們分別對(duì)故障隱患較大的E0105A/C兩臺(tái)石墨換熱器做了國產(chǎn)化改造。改造后，清洗周期達(dá)到30天，有效提高了設(shè)備運(yùn)行率，且運(yùn)行平穩(wěn)。每次正常清洗12h，人工檢修清理4h既可再次投入運(yùn)行，檢修工作量小。原設(shè)備最大蒸汽加入量為35t，改造后最大可加入40t蒸汽，提高了濃縮能力，原出酸量為12～15m3/h，改造后出酸量為17～20m3/h，按單臺(tái)換熱器每年運(yùn)行300天計(jì)算，一年可增加產(chǎn)量3.6萬 t。

3.3 價(jià)格對(duì)比

我公司年產(chǎn)能力100kt/a的法國卡朋羅蘭公司制造的石墨換熱器價(jià)格約750萬元/臺(tái)，約10000元/m2。一期國產(chǎn)化改造的石墨換熱器價(jià)格為140萬元/臺(tái)，價(jià)格約1500元/m2，是進(jìn)口設(shè)備價(jià)格的1/5。

3.4 對(duì)比結(jié)論

通過幾個(gè)方面的對(duì)比，我們可得出結(jié)論：目前國產(chǎn)換熱器制造技術(shù)已趨于成熟，工藝操作與進(jìn)口換熱器無差別，雖外形較大（可通過調(diào)整安裝位置解決），但相較其低廉的價(jià)格與服務(wù)的及時(shí)性，對(duì)換熱器實(shí)施國產(chǎn)化改造，是值得的，也是切實(shí)可行的。鑒于國產(chǎn)換熱器的使用業(yè)績、使用效果及生產(chǎn)制造規(guī)模，國產(chǎn)換熱器已完全能取代進(jìn)口換熱器。

故本次我公司決定對(duì)損壞情況較為嚴(yán)重的E0301A石墨換熱器進(jìn)行國產(chǎn)化改造。

4 國產(chǎn)石墨換熱器的選型

4.1 E0301A現(xiàn)用設(shè)備工藝參數(shù)（如表1）

表1 進(jìn)口石墨換熱器參數(shù)

4.2 國產(chǎn)石墨換熱器的材料選型

鑒于目前設(shè)備安裝位置結(jié)構(gòu)為鋼混結(jié)構(gòu)，安裝位置受限，本次采購的新設(shè)備外形安裝尺寸需考慮現(xiàn)有安裝基礎(chǔ)，需與原設(shè)備基本保持一致。本次更新的設(shè)備石墨列管材質(zhì)擬選用浸漬管，其性能略優(yōu)于原進(jìn)口設(shè)備焙燒管，從而保證在保障設(shè)備換熱效率的同時(shí)，其設(shè)備外形安裝尺寸與原設(shè)備基本保持一致。石墨列管材料性能參數(shù)對(duì)比如表2。

表2 石墨列管材料性能對(duì)比

4.3 國產(chǎn)石墨換熱器的結(jié)構(gòu)選型

經(jīng)與國內(nèi)多家石墨換熱器制造廠家做技術(shù)交流探討，對(duì)比各生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)情況及在磷酸行業(yè)的使用業(yè)績，結(jié)合我公司的實(shí)際情況，我們最終選定江蘇南通京通石墨設(shè)備有限公司作為我公司本次石墨換熱器國產(chǎn)化改造的生產(chǎn)廠家。該公司生產(chǎn)的換熱器結(jié)構(gòu)型式如圖1。

圖1

管板材料采用改性酚醛樹脂浸漬石墨，厚度≥500mm。下端管板（磷酸進(jìn)口端）設(shè)置防磨板，防止固體物對(duì)管板沖擊造成磨損。列管材料為酚醛浸漬石墨擠壓管。上管箱主要材質(zhì)采用碳鋼襯膠，襯膠材質(zhì)為天然橡膠硫化（D3硬質(zhì)膠）。殼體上段材質(zhì)為碳鋼，下段1.5m材質(zhì)為316L。下管箱材質(zhì)為2205雙相不銹合金鋼。下管箱兩段之間設(shè)置2205材質(zhì)的錐形濾網(wǎng)，濾網(wǎng)厚度為8mm。

管束裝在碳鋼外殼內(nèi)，一端的固定管板與碳鋼外殼和上封頭由螺栓連結(jié)在一起；另一端浮動(dòng)管板的一端套在鋼制外殼和下封頭內(nèi)由螺栓連接。允許管束和浮動(dòng)管板相對(duì)固定管板兩者之間軸向生產(chǎn)相對(duì)移動(dòng)，以消除受熱時(shí)由于石墨與碳鋼外殼膨脹系數(shù)的不同而引起的相對(duì)位移對(duì)設(shè)備可能造成的損壞。管板與鋼制外殼之間以及管板與鋼襯膠封頭之間有平墊密封，浮動(dòng)管板與下封頭間還有“O”型圈輔助密封。

4.4 國產(chǎn)石墨換熱器換熱面積的計(jì)算選型

4.4.1 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

壓型石墨管：793根，Φ50/Φ36x6540mm。

三角形排列，間距59mm。

石墨管導(dǎo)熱系數(shù)43w/m.℃。

設(shè)備結(jié)構(gòu)：直徑Φ1900，管板厚度～500，折流板間距～500，缺口25%；管程程數(shù)：1程。

在計(jì)算設(shè)備總熱負(fù)荷、確定設(shè)備選型后（初步確定管子規(guī)格尺寸、殼體尺寸、程數(shù)、流速），通過流體有關(guān)性質(zhì)參數(shù)（如密度、動(dòng)力黏度、運(yùn)動(dòng)黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等）及流速來計(jì)算并最終確定換熱面積。

4.4.2 計(jì)算換熱面積

根據(jù)生產(chǎn)要求（如熱負(fù)荷、物料終始溫度等）來確定所需換熱器的傳熱面積。此時(shí)，通常采用傳統(tǒng)的“平均溫差法”。即通過計(jì)算平均溫度差（ΔTm），利用傳熱基本方程式來計(jì)算。

即由Q=KΑΔTm

式中，Q為傳熱量，W；A為換熱面積，m2；K為總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；ΔTm為平均溫度差，℃。

其中，ΔTm的計(jì)算按照兩流體流向?yàn)槟媪麝P(guān)系而定：

式中，T1、T2為熱流體的進(jìn)口及出口溫度，℃；t1、t2為冷流體的進(jìn)口及出口溫度，℃。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得Α=772m2

4.4.3 國產(chǎn)換熱器相關(guān)數(shù)據(jù)（如表3）

4.5 結(jié)論

由表1（進(jìn)口石墨換熱器參數(shù)）和表3（國產(chǎn)石墨換熱器參數(shù)）對(duì)比可知，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)比較接近，個(gè)別參數(shù)甚至優(yōu)于操作要求。我們得出對(duì)論：通過對(duì)石墨換熱器進(jìn)行技術(shù)研究，對(duì)其做國產(chǎn)化改造是可行且穩(wěn)定可靠的。

表3 國產(chǎn)石墨換熱器參數(shù)

5 結(jié)語

江蘇南通京通石墨設(shè)備有限公司生產(chǎn)的GHC1900-772型石墨換熱器已于2022年5月到貨，我們于6月2日對(duì)其做了水壓試驗(yàn)，在試驗(yàn)壓力0.6MPa保壓30min,在設(shè)計(jì)壓力0.4MPa保壓40min，設(shè)備無滲漏，無可見異常變形，無異常響聲，試驗(yàn)驗(yàn)收合格，見圖2。

圖2

現(xiàn)計(jì)劃按公司總體部署安排，結(jié)合裝置生產(chǎn)情況擇機(jī)對(duì)設(shè)備故障隱患較大的E0301A石墨換熱器進(jìn)行國產(chǎn)化更新改造。