硫酸裝置間接升溫系統(tǒng)空氣預熱器損壞原因分析與改進

張永云

（云南三環(huán)中化化肥有限公司，云南昆明 650113）

云南三環(huán)中化化肥有限公司二期800 kt/a 硫磺制酸裝置由云南化工設(shè)計院采用EPC 工程項目管理方式建設(shè)，裝置工藝流程采用孟莫克PFD 工藝包設(shè)計，為“3+1”兩轉(zhuǎn)兩吸工藝，項目于2011年11月建成投產(chǎn)。項目中轉(zhuǎn)化升溫、吹凈采用了空氣間接升溫系統(tǒng)，分別對轉(zhuǎn)化器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段床層催化劑進行升溫、吹凈；該間接升溫系統(tǒng)較直接升溫系統(tǒng)，有效避免了油煙及燃燒不完全的炭黑、燃燒產(chǎn)生的水分對催化劑活性、強度的影響，較好地保護了催化劑，在制酸裝置中得到廣泛運用。但空氣間接升溫系統(tǒng)中空氣預熱器因使用工況惡劣、受材料耐溫性能、工藝控制操作等因素影響，常發(fā)生高溫煙氣側(cè)管板、換熱管、耐火材料襯里、套管損壞失效問題。本文就800 kt/a 硫磺制酸裝置所使用空氣預熱器失效原因分析，改進、措施制定進行研究、探討。

1 間接升溫工藝及空氣預熱器

1.1 間接升溫工藝

二期800 kt/a 硫磺制酸裝置轉(zhuǎn)化催化劑升溫、吹凈采用了間接升溫工藝，為硫酸生產(chǎn)轉(zhuǎn)化工序提供轉(zhuǎn)化器開車、停車吹凈所需干燥熱空氣；其工藝為燃燒風機提供的5 kPa 空氣和2.5 MPa 的柴油通過燃燒器在燃燒爐霧化、混合充分燃燒，并在摻冷風機產(chǎn)生的摻冷風的摻混下，將進入空氣預熱器下氣室的熱煙氣溫度控制在680℃以下。燃燒產(chǎn)生的熱煙氣通過空氣預熱器換熱管管程同殼程來自干燥塔80℃的干燥空氣進行逆流換熱；換熱降溫后250℃熱煙氣從設(shè)備頂部煙囪排出，換熱升溫至450℃的干燥空氣，分別進入到轉(zhuǎn)化器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ催化劑床層進行升溫或吹凈，滿足工藝需求；轉(zhuǎn)化升溫結(jié)束時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入投料生產(chǎn)前，須關(guān)閉進入轉(zhuǎn)化器Ⅰ至Ⅳ段床層的閥門并插入盲板防止蝶閥閥門存在的內(nèi)漏；裝置停車大修，轉(zhuǎn)化吹凈時，須抽出Ⅰ至Ⅳ段盲板，并開啟閥門，用升溫的干燥熱空氣對床層吹凈。

1.2 空氣預熱器設(shè)備概況

空氣預熱器設(shè)備是間接升溫系統(tǒng)里的關(guān)鍵核心設(shè)備，設(shè)備尺寸為Φ3 900×19 200 mm，換熱面積F=2 315 m2，結(jié)構(gòu)形式為圓柱立式低阻、高效碟環(huán)折流板管殼換熱器，其管程下氣室同燃燒爐連接，熱煙氣進口溫度680℃，出口排空煙氣溫度250℃；殼程進口80℃的干燥冷空氣從上管板中心進氣，逆流換熱至450℃從下管板上方側(cè)向出氣。為防止進口高溫煙氣對設(shè)備材料性能的影響，下管板及中心筒支撐材質(zhì)選用了0Cr19Ni10奧氏體不銹鋼，下氣室及中心筒支撐采用了GG-0.6硅藻土隔熱耐火磚和LZ-55高鋁耐火磚結(jié)構(gòu)；下管板下方設(shè)置有δ=100 mm 的耐火澆筑料，同時下管板換熱管進口設(shè)置有Φ58×160 mm 莫來石剛玉套管，使熱煙氣進入換熱管后能有效傳熱給干燥空氣，有效降低管板、換熱管、焊接接頭溫度，避免熱沖擊對設(shè)備造成的影響。

2 空氣預熱器設(shè)備使用中存在的問題

空氣預熱器設(shè)備于2013年12月投入使用，最近一次使用時間為2022年10月18日二期硫酸裝置大修后裝置恢復開車轉(zhuǎn)化升溫使用；二期裝置恢復開車后，發(fā)現(xiàn)放空氣預熱器排放煙囪出口有白色SO2、SO3氣體逸出異常現(xiàn)象，殼程排污排除冷凝酸和SO2、SO3白色氣體。為進一步排查設(shè)備缺陷原因，對空氣預熱器設(shè)備管程上下氣室人孔進行拆卸，對上下管板、換熱管進行檢查，發(fā)現(xiàn)下管板剛玉套管、耐火材料出現(xiàn)大面積脫落、破碎損壞失效；其次下管板中心支承柱耐火磚襯里坍塌脫落。

拆除下管板莫來石剛玉套管、耐火材料，進一步檢查，發(fā)現(xiàn)管板斷裂部位存在2處，斷裂面尺寸為300 mm×10 mm，部分換熱管在管口部位附近呈環(huán)狀斷裂、蠕化變形、經(jīng)清點換熱管斷裂缺陷數(shù)量119根，占總換熱管比例9%。

空氣預熱器已不具備使用功能，需進行設(shè)備失效原因分析，制定措施修復設(shè)備，滿足后續(xù)生產(chǎn)工藝要求。

3 原因分析、查找

針對空氣預熱器排空煙囪有SO2、SO3氣體，殼程排除冷凝酸和SO2、SO3白色氣體，下管板莫來石剛玉套管、耐火材料出現(xiàn)大面積脫落、破碎，下管板、換熱管斷裂、蠕化現(xiàn)象，結(jié)合操作運行數(shù)據(jù)情況，進行討論分析，造成問題的原因如下。

3.1 空氣預熱器超溫運行

換熱管、管板損壞的直接原因是超溫導致；由于超溫，空氣預熱器的主要部件管板、換熱管、中心筒支撐等金屬材料蠕變加速、強度下降、應(yīng)力腐蝕，最終金屬材料失效。換熱管材質(zhì)為20G 滲鋁管，在GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準中查閱到20G 材料，其使用溫度不超過450℃；管板材質(zhì)為06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼，在GB 150.2—2011《壓力容器第2部分：材料》中查閱到06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼材料，其使用溫度不宜超過700℃。當換熱管、管板溫度超過其耐溫極限，將產(chǎn)生熱應(yīng)力集中及內(nèi)應(yīng)力不均勻分布，從而造成換熱管蠕化、斷口、焊接接頭脫焊、管板變形、斷裂問題。為進一步驗證此觀點，查閱調(diào)取了2022年10月18日—10月22日轉(zhuǎn)化升溫預熱器入口熱煙氣溫度趨勢曲線、預熱器出口空氣溫度趨勢曲線詳見附圖1、圖2所示。

圖1 預熱器入口熱煙氣溫度趨勢曲線

圖2 預熱器出口空氣溫度趨勢曲線

從圖1和圖2可以看出，本次升溫操作，預熱器入口熱煙氣溫度最大操作至755.19℃，大于工藝操作規(guī)程680℃要求；出口空氣溫度最大到了499.99℃，同樣大于工藝操作規(guī)程450℃要求。

3.2 空氣預熱器升溫、降溫速率過快

空氣預熱器由于初始、停爐等環(huán)節(jié)的升溫、降溫速率過快，材料線性熱膨脹、收縮量大、耐火材料和金屬材料線性膨脹差異，勢必造成管板、換熱管、中心筒、耐火材料受熱不均，部件內(nèi)應(yīng)力大，造成耐火材料脫落、管板變形斷裂、換熱管斷裂失效問題。查看2022年10月18日—10月22日空氣預熱器升溫曲線時，發(fā)現(xiàn)升溫初期、停爐降溫速率較快異常曲線。升溫初期，2022年10月18日18：16空氣預熱器進口溫度19.27℃、19：18 分443.86℃，升溫速率412℃/h；停爐后的降溫，2022年10月20日17：27空氣預熱器進口溫度754.14℃，18：36 分189.52℃，降溫速率491℃/h；從上可看出，空氣預熱器開始升溫、停爐時，入口熱煙氣溫度升溫、降溫速率均超100℃/h 要求。

3.3 下氣室耐火襯里施工存在缺陷

空氣預熱器熱煙氣進口原設(shè)計在下管板進氣側(cè)設(shè)置有100 mm 厚的NL-60黏土結(jié)合耐火澆注料和莫來石剛玉套管以隔熱防護管板和換熱管。拆除失效耐火材料、莫來石剛玉套管時，發(fā)現(xiàn)預熱器下管板隔熱防護結(jié)構(gòu)中缺失Φ2.24-304不銹鋼絲，在施工時未嚴格按圖紙施工；Φ2.24-304不銹鋼絲的缺失，使耐火澆筑料的黏結(jié)強度降低，當空氣預熱器超溫運行、升溫、降溫速率過快，內(nèi)應(yīng)力導致管板、換熱管、中心支撐筒的受熱應(yīng)力形變時，耐火材料、莫來石剛玉套管很容易脫落；管板、換熱管、中心支撐筒一旦失去隔熱防護層，部件局部處于高溫裸燒，將進一步加劇管板、換熱管的失效。

3.4 煙氣露點冷凝酸，造成管板、換熱管的晶間化學腐蝕

裝置恢復開車后，發(fā)現(xiàn)放空氣預熱器排放煙囪出口有白色SO2、SO3氣體逸出異常現(xiàn)象，殼程排污排除冷凝酸和SO2、SO3白色氣體。經(jīng)過排查為預熱器出口進入轉(zhuǎn)化器熱空氣閥門內(nèi)漏，盲板插入法蘭密封面不到位、盲板缺陷，導致高溫SO2、SO3氣體從轉(zhuǎn)化器內(nèi)倒流進入預熱器殼程，一部分420℃高溫SO2、SO3氣體在流動過程中降溫，低于煙氣露點溫度150℃時會形成冷凝酸，并在下管板上積液；一部分SO2、SO3氣體從已經(jīng)斷裂失效的管板、換熱管逸出，并順著換熱管管程上升在煙囪排出，排出過程形成的冷凝酸順管壁下流，并匯集至下管板上。煙氣露點冷凝酸的形成，造成管板、換熱管的晶間化學腐蝕，當受到應(yīng)力作用時，即會沿晶界斷裂、強度幾乎完全消失，從而造成管板、換熱管失效。

4 改進措施

根據(jù)空氣預熱器設(shè)備在使用中出現(xiàn)的失效問題，通過管理措施、技術(shù)措施的改進，消除存在隱患，進一步保障設(shè)備的穩(wěn)定長周期運行。具體的改進措施如下。

1）根據(jù)空氣預熱器設(shè)備結(jié)構(gòu)、材料性能，在滿足轉(zhuǎn)化升溫、吹凈工藝需求時，評審修訂工藝操作規(guī)程，進一步明確空氣預熱器工藝指標，杜絕設(shè)備超溫運行，控制空氣預熱器入口熱煙氣溫度≤680℃、空氣預熱器出口熱空氣溫度≤450℃。

2）在DSC 操作系統(tǒng)增設(shè)空氣預熱器入口熱煙氣溫度、空氣預熱器出口熱空氣溫度高報警及趨勢圖，便于操作人員及時調(diào)整及歷史數(shù)據(jù)查閱。當空氣預熱器入口熱煙氣溫度超680℃高報警時，操作人員可及時調(diào)整減少燃燒爐柴油量、增加二次摻冷風機風量；空氣預熱器出口熱空氣溫度450℃高報警時，操作人員可調(diào)整增加干燥冷空氣量或調(diào)節(jié)二次冷激風量。

3）為進一步對空氣預熱器升溫、降溫速率控制，避免設(shè)備驟冷驟熱產(chǎn)生應(yīng)力損壞，繪制空氣預熱器升溫、降溫曲線指導操作人員，空氣預熱器升溫、降溫速率按≤100℃/h 控制；在燃燒爐點火升溫時，選用匹配升溫曲線的油槍噴頭及噴油量；升溫結(jié)束，降溫速率重點控制停油后的降溫速率，可通過風機風門調(diào)整冷卻風量，避免驟冷降溫。

4）嚴格檢修施工管理，優(yōu)化下管板進氣側(cè)耐火材料內(nèi)的不銹鋼絲網(wǎng)的設(shè)置，在L 型爪釘上點焊設(shè)置橫縱Φ2.24不銹鋼絲，增加耐火澆筑料強度，防止耐火澆筑料的冷熱交變引起的剝落。

5）對前期使用的抗熱沖擊能力低、容易破碎的莫來石剛玉套管，借鑒火管鍋爐套管使用經(jīng)驗，對幾種套管的理化指標進行比較，重新選型見表1。

表1 幾種常見套管理化性能對比表

提高套管質(zhì)量等級，選用鋯95瓷套管，防止因套管碎裂后引起的換熱管部件過熱損壞。

6）下管板中心筒支撐在修復實施耐火磚隔熱襯里施工后，在耐火磚襯里外圓周設(shè)置圓柱形304不銹鋼扁鐵制作的防護籠，防止使用中耐火磚的松動、脫落問題，加強中心支撐筒的防護。

7）為防止冷凝酸產(chǎn)生的金屬材料晶間化學腐蝕，進行了以下改進：轉(zhuǎn)化煙氣泄漏倒流至空氣預熱器殼程的冷凝酸腐蝕，轉(zhuǎn)化蝶閥的選型，選擇三偏心硬質(zhì)合金密封結(jié)構(gòu)、零泄漏率、質(zhì)量可靠的蝶閥；轉(zhuǎn)化升溫結(jié)束后，盲板的抽插，使用3 mm 304不銹鋼盲板，注意檢查板面是否存在缺陷；其次原安裝盲板時高溫氣體對石棉墊片產(chǎn)生的熱卷曲密封不到位現(xiàn)象，由原石棉墊改為金屬纏繞墊，確保密封有效；另外加強干燥塔絲網(wǎng)除沫器的檢查、維護，確保干燥后進入預熱器的冷空氣無冷凝酸，使用完預熱器設(shè)備及時進行排污檢查。

8）預熱器堵漏檢修作業(yè)時，冷凝酸在設(shè)備內(nèi)會生產(chǎn)以下化學反應(yīng)：

預熱器殼程內(nèi)會有氫氣、硫化氫氣體，檢修時存在閃爆風險，需在殼程冷空氣入口管最高點設(shè)置氣體檢測分析、排放置換口；該氣體檢測、置換口的開設(shè)采用水刀切割工藝，以保障作業(yè)的安全。

5 結(jié)束語

空氣預熱器設(shè)備在間接升溫系統(tǒng)中故障較多，普遍使用不好，通過空氣預熱器損壞失效原因分析，并采取合理防范措施，有效避免空氣預熱器設(shè)備的非正常損壞，進一步保障了硫酸裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)開、停車升溫與吹凈工藝需求。但針對該設(shè)備的失效情況的不同，仍需進一步研究、討論、改進。