氨合成廢熱鍋爐國產(chǎn)化改造過程探討

劉加洪,尚發(fā)廷

(貴州開陽化工有限公司,貴州 貴陽 550306)

貴州開陽化工有限公司500 kt/a合成氨裝置采用瑞士卡薩利新合成回路低壓專利技術(shù),于2013年1月建成投產(chǎn)。2015年5月發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏,管程高壓合成氣漏入殼程飽和蒸汽中。2017年至2020年間,該設(shè)備共拆檢6次,列管堵漏13根,其中2019年3月經(jīng)渦流檢測發(fā)現(xiàn),廢熱鍋爐內(nèi)圈有72根列管存在不同程度的腐蝕減薄,進口端有19根列管嚴(yán)重腐蝕,隨時都有泄漏的可能,為了降低風(fēng)險,合成氨產(chǎn)量由原來的64 t/h降至60 t/h以下,操作壓力由15.5 MPa降至15.0 MPa以下,為了降低返網(wǎng)蒸汽電導(dǎo)率,有約8 t/h的4.0 MPa飽和蒸汽采用現(xiàn)場放空,不僅影響系統(tǒng)滿負(fù)荷及安全運行,還造成生產(chǎn)成本增加。

1 工藝流程

經(jīng)液氮洗凈化后的精制氣經(jīng)合成氣壓縮機壓縮到15.8 MPa,進入熱氣換熱器E7203與來自鍋爐給水預(yù)熱器E7202的出塔氣進行換熱后,分4路進入氨合成塔R7201進行合成反應(yīng),出合成塔的氣體壓力為15.5 MPa,溫度為440 ℃,進入廢熱鍋爐回收熱量,產(chǎn)生4.0 MPa、251 ℃中壓飽和蒸汽送管網(wǎng)。出E7201的合成氣進入E7202與脫鹽水進行換熱,溫度降至215 ℃。再進入E7203與入塔氣進行換熱,然后再經(jīng)水冷、冷氣換熱、兩級氨冷,溫度降至0 ℃,合成氣中氣氨被冷凝為液氨送往氨庫儲存,未反應(yīng)的氫氣、氮氣返回合成氣壓縮機循環(huán)段提壓后,進入氨合成系統(tǒng)的下一個循環(huán)繼續(xù)反應(yīng)。氨合成系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 氨合成系統(tǒng)流程注:R7201—合成塔;E7201—廢熱鍋爐;E7202—鍋爐給水預(yù)熱器;E7203—熱氣—氣換熱器;E7204—水冷器;E7205—冷氣-氣換熱器;E7206—第一氨冷器;E7207—第二氨冷器;V7201—高壓氨分離器;V7202—低壓氨分離器

2 更換前廢熱鍋爐運行及檢修情況

2.1 運行情況

合成氨裝置氨合成廢熱鍋爐為意大利進口設(shè)備,技術(shù)參數(shù)見表1,其操作壓力高、環(huán)境復(fù)雜、運行工況差,該設(shè)備于2012年投入使用,設(shè)計使用年限為15年。

表1 進口廢熱鍋爐技術(shù)參數(shù)

2.2 泄漏及檢修情況

廢熱鍋爐(見圖2)于2015年5月初次發(fā)現(xiàn)泄漏,2017年至2020年間共拆檢6次,其中有3次是因為泄漏系統(tǒng)停車檢修,從表2可看出,3次停車共343 h,影響合成氨產(chǎn)量21 609 t。渦流檢測泄漏情況見圖3,廢熱鍋爐堵漏情況見圖4。

圖2 更換前廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)

2.3 泄漏后造成的影響

該廢熱鍋爐泄漏后,一是加速設(shè)備管道腐蝕;二是停車檢修影響合成氨產(chǎn)量,如泄漏突然擴大,還會造成設(shè)備安全事故發(fā)生,使公司面臨停產(chǎn)狀態(tài);三是增加脫鹽水處理成本。

2.4 泄漏原因分析

根據(jù)廢熱鍋爐運行參數(shù)、檢修情況、渦流檢測結(jié)果及殼程結(jié)垢情況判斷,廢熱鍋爐換熱管內(nèi)腐蝕泄漏的原因是前期鍋爐給水預(yù)熱器泄漏,合成氣漏入爐水中,使?fàn)t水指標(biāo)超標(biāo),廢熱鍋爐換熱管嚴(yán)重結(jié)垢,換熱效果差,內(nèi)壁溫度高造成氫腐蝕,從而導(dǎo)致泄漏。從圖5可看出,廢熱鍋爐殼程操作溫度為248 ℃,相當(dāng)于換熱管外壁溫度為248 ℃,當(dāng)換熱管結(jié)垢一般時,管內(nèi)溫度在360～400 ℃,當(dāng)列管結(jié)垢嚴(yán)重時,管內(nèi)溫度將達400 ℃以上,換熱管材質(zhì)為2.25Cr1Mo,高于400 ℃時易發(fā)生氫腐蝕。

表2 進口廢熱鍋爐檢修統(tǒng)計

圖3 渦流檢測泄漏情況

圖4 廢熱鍋爐堵漏情況

圖5 列管溫度分布

圖6為渦流檢測列管腐蝕分布情況,從圖6中可看出,換熱管腐蝕減薄位置有規(guī)律,主要發(fā)生在以下部位:①管口～第1塊折流板之間以及靠近第1塊折流板位置處;②第2～第3折流板之間以及靠近第3塊折流板位置處;③第3～第4塊折流板之間靠近第3塊折流板位置處。而第1～第4塊折流板是主要產(chǎn)蒸汽區(qū),溫度高,大量蒸汽在此區(qū)域產(chǎn)生,鹽最容易在此積累,結(jié)垢最嚴(yán)重,所以氫腐蝕最嚴(yán)重。

圖6 渦流檢測列管腐蝕分布

3 國產(chǎn)化改造及更換過程

3.1 國產(chǎn)化可行性分析

(1)隨著國內(nèi)裝備制造業(yè)的長足發(fā)展,目前國內(nèi)設(shè)計水平達到國際先進水平。

(2)國內(nèi)壓力容器用鋼主要指標(biāo)高于美國ASME要求,設(shè)備所用材質(zhì)有充分可靠的保證。

(3)國內(nèi)多數(shù)壓力容器制造企業(yè)有三類壓力容器設(shè)計、制造許可證,完全滿足設(shè)計、制造的資質(zhì)要求。

(4)國內(nèi)提供的專有廢熱鍋爐設(shè)備,綜合性能滿足特定工藝要求,使用可靠性和壽命不低于國外進口設(shè)備,目前已有國內(nèi)制造制氫廢熱鍋爐無維修連續(xù)運行15年的記錄。

(5)國產(chǎn)化設(shè)備在減少投資、縮短制造周期、及時響應(yīng)售后服務(wù)以及運行成本等方面都有明顯的優(yōu)勢,如采購原進口設(shè)備,總費用約為1 300萬元,供貨周期約14個月。采購國產(chǎn)設(shè)備總費用約為400萬元,供貨周期為10個月。

3.2 國產(chǎn)化改造技術(shù)要點及內(nèi)容

(1)廢熱鍋爐采用中國標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計,列管采用U形管“噴泉式”布管,通過對換熱管排列方式的改進,降低了管箱和管板中產(chǎn)生的溫差應(yīng)力,使其中的應(yīng)力分布更加均勻,延長了管板的使用壽命。

(2)管箱內(nèi)設(shè)置熱氣導(dǎo)流箱、冷氣導(dǎo)流箱以及冷氣吹掃降溫結(jié)構(gòu),使管程高溫反應(yīng)氣體不與除換熱管外的其他承壓部件接觸,降低了這一部分承壓殼體的金屬壁溫,使溫度降低,提高了廢熱鍋爐運行的可靠性和穩(wěn)定性。

(3)管板與換熱管采用常規(guī)強度焊+貼脹的脹焊并用形式,代替原設(shè)備內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu),因廢熱鍋爐工作溫度和壓力較高,且在熱變形、熱沖擊、熱腐蝕和流體壓力的作用下,換熱管與管板連接處極易被破壞。脹焊并用提高了接頭的抗疲勞性能,可以有效地消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕,提高其使用壽命。另外脹焊結(jié)合,管程介質(zhì)對管板的傳熱面積比殼程介質(zhì)對管板的傳熱面積大許多倍,可減少管板兩側(cè)的溫度差,減少管板翹曲,利于管板密封的可靠性。雖然內(nèi)孔焊接頭力學(xué)性能較好,但要求管板的加工精度和裝配精度很高,所以設(shè)備造價高,如果出現(xiàn)泄漏,返修十分困難。

(4)為了換熱管易于國產(chǎn)化采購,換熱管材質(zhì)采用12Cr2Mo1,管板材質(zhì)采用12Cr2Mo1 IV+Inconel 600 堆焊,殼程管板與錐殼中間增設(shè)過渡短節(jié),為便于熱處理材料選用12Cr2Mo1,焊接接頭采用0.5Mo堆焊過渡。

(5)考慮管接頭結(jié)構(gòu)改為角焊縫結(jié)構(gòu),結(jié)合經(jīng)驗和安全考慮,管板設(shè)計溫度由375 ℃改為400 ℃,考慮目前國內(nèi)常用換熱管規(guī)格,本設(shè)備采用換熱管管徑由 OD31.75×2.77 mm改為φ32×2.5 mm。

(6)在導(dǎo)氣管的外管壁與加強管的內(nèi)管壁之間設(shè)置有隔熱材料,加強管形成第一小管板與承壓管板之間的連接支撐,并對導(dǎo)氣管起到保護作用。

(7)氨合成塔出口氣體溫度較高,最高達440 ℃以上,且與高氫濃度、高壓形成“三高”的苛刻條件,容易產(chǎn)生氫腐蝕。該裝置合成塔出口中心管與廢熱鍋爐入口管直接連接,不再需要安裝適用于高溫高壓的特殊材質(zhì)管道,不但節(jié)約投資,而且減少合成氣泄漏風(fēng)險,提高了設(shè)備的可靠性與安全性。更換后的發(fā)熱鍋爐結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 更換后的廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)

4 更換后運行情況

國產(chǎn)化廢熱鍋爐投入使用后,運行狀況良好,生產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)荷能夠達滿負(fù)荷運行,蒸汽冷凝液電導(dǎo)率下降至正常指標(biāo)范圍,爐水指標(biāo)在加藥調(diào)整后指標(biāo)正常,廢熱鍋爐各項性能指標(biāo)滿足要求。

5 經(jīng)濟效益分析

5.1 成本節(jié)約效益

若采購原進口廢熱鍋爐進行更換,設(shè)備費用約為1 300萬元,采購國產(chǎn)設(shè)備費用為400萬元,節(jié)約成本約900萬元。

5.2 節(jié)約4.0 MPa中壓飽和蒸汽

更換前,泄漏的合成氣進入4.0 MPa飽和蒸汽管網(wǎng),影響鍋爐蒸汽品質(zhì),為了降低冷凝液電導(dǎo)率,采取廢熱鍋爐副產(chǎn)蒸汽部分現(xiàn)場放空,約8 t/h。廢熱鍋爐更換后,不需進行蒸汽放空,從2021年5月10日投入使用至12月25日,共運行224 d,按照4.0 MPa蒸汽138元/t計算: 蒸汽節(jié)約費用=24×8×224×138=593.5萬元。

表3 更換前后運行數(shù)據(jù)對比

5.3 合成氨產(chǎn)品增產(chǎn)效益

更換后,2021年5月因合成氣壓縮機低壓缸軸瓦溫度高,系統(tǒng)減負(fù)荷運行,5月27日系統(tǒng)停車檢修,6月1日系統(tǒng)開車后滿負(fù)荷運行至6月24日,6月24日合成氣壓縮機高壓缸故障及7月低壓缸軸瓦溫度高,系統(tǒng)減負(fù)荷運行至年底,所以受合成氣壓縮機影響,只計算6月1日至6月23日共22 d液氨增產(chǎn)效益,期間實際產(chǎn)合成氨33 299.9 t,增產(chǎn)合成氨1 839.9 t,按照價格不含稅3 300.86元/t,變動成本2 475.89元/t計算:合成氨增產(chǎn)效益=1 839.9×(3 300.86-2 475.89)=151.8萬元。

5.4 節(jié)約脫鹽水處理酸堿用量效益

廢熱鍋爐更換前后脫鹽水站酸堿消耗對比見圖8。

圖8 廢熱鍋爐更換前后脫鹽水站酸堿消耗對比

從圖8可看出,更換前冷凝液電導(dǎo)率高,為降低電導(dǎo)率,混床再生時鹽酸和片堿消耗量增加,1～3月開陽化工水處理脫鹽水站運行正常,消耗鹽酸283.38 t,消耗片堿120.3 t,每天消耗量:鹽酸3.149 t,片堿1.337 t,5～12月系統(tǒng)共運行224 d,消耗鹽酸344.28 t,消耗片堿139 t,平均每天消耗鹽酸1.537 t,片堿0.62 t,按鹽酸價格660元/t,片堿價格3 730元/t計算:廢熱鍋爐更換后酸堿節(jié)約費用=224×(3.149-1.537)×660+224×(1.337-0.62)×3 730=83.7萬元。

5.5 減少脫鹽水一次水補水量

廢熱鍋爐更換前后一次水補水量對比見圖9。

圖9 廢熱鍋爐更換前后一次水補水量對比

從圖9可知,更換前,1～3月(90 d)脫鹽水站一次水補水量905 378 t,平均每天補水10 059 t,更換后,5～12月(224 d)脫鹽水站一次水補水量2 218 793 t,平均每天補水9 905 t,按一次水2.79元/t計算:

廢熱鍋爐更換后一次水節(jié)約費用=224×

(10 059-9 905)×2.79=9.6萬元

5.6 國產(chǎn)化廢熱鍋爐更換后總效益

總效益=900+593.5+151.8+

83.7+9.6=1 738.6萬元

6 結(jié)語

實際運行證明,此次氨合成廢熱鍋爐國產(chǎn)化改造非常成功,取得了安全、節(jié)能、防腐、擴能多重效果,社會、經(jīng)濟效益十分明顯,給同類廢熱鍋爐國產(chǎn)化改造提供了成功的經(jīng)驗,具有良好的推廣應(yīng)用價值。