硫酸裝置轉化換熱器泄漏維修的實踐

王 軍，王彥淳

（1.新洋豐農業科技股份有限公司，湖北荊門 448150；2.青島科技大學，山東青島 266001）

新洋豐農業科技股份有限公司（以下簡稱新洋豐農業）總部硫酸廠200kt/a硫精砂制酸裝置采用稀酸洗凈化、ⅢⅠ-ⅣⅡ、“3+1”二轉二吸工藝流程。2019年6月，新洋豐農業對該裝置大修，采用真空抽吸加回轉篩的方式對轉化器4段催化劑進行篩分，在轉化器一段裝填20 m3進口新鮮催化劑。經測試，轉化器各段催化劑床層阻力壓差較大修前均有所下降，壓力降在700 Pa左右，催化劑篩分的效果很好。2019年7月裝置重新開車，總轉化率下降了0.27個百分點。對此異常現象，新洋豐農業從優化轉化溫度、降低進氣SO2濃度、提高氧硫比等方面進行了調整，然而總轉化率仍沒有提高。

由于轉化率大幅下降，造成氨法尾氣脫硫系統的氨耗大幅增加，大大增加了生產成本。尾氣脫硫系統產出的亞硫酸銨溶液增加了20%左右，致使脫硫系統的氧化槽處理量增大，已達到處理能力的極限。雖然排放尾氣中SO2的質量濃度仍然低于排放限值200 mg/m3，但是煙囪排口尾氣視覺變差，硫酸裝置的產量也受限。如果不能及時提高總轉化率，硫酸生產將難以為繼。

1 轉化工序工藝流程

200kt/a硫精砂制酸轉化工序工藝流程見圖1。

圖1 200kt/a 硫精砂制酸轉化工序工藝流程

焙燒工序產生的φ(SO2)為12%～14%高溫含塵爐氣經旋風除塵器—電除塵器除塵—動力波洗滌器—填料塔—電除霧器凈化除霧后進入干燥塔；干燥后的爐氣由SO2主風機依次送入Ⅲ換熱器和Ⅰ換熱器的殼程，加熱到420 ℃進入轉化器一段，經催化劑催化反應后進入Ⅰ換熱器的管程，經Ⅰ換熱器降溫后進入轉化器二段；二段出口爐氣進入Ⅱ換熱器管程降溫后進入轉化器三段；三段出口爐氣進入Ⅲ換熱器的管程和省煤器降溫后進入一吸塔進行吸收。一吸塔出口的爐氣依次經過Ⅳb換熱器、Ⅳa換熱器和Ⅱ換熱器的殼程換熱，達到420 ℃后進入轉化器四段；四段出口的爐氣依次經過Ⅳa換熱器和Ⅳb換熱器的管程后進入二吸塔進行吸收。二吸塔出口的尾氣進入氨法脫硫系統脫硫后達標排放。

2 總轉化率下降原因分析

經初步判斷，考慮轉化工序換熱器發生內漏。為了找到泄漏設備進行維修，利用便攜式檢測儀器對轉化工序換熱器的管程、殼程氣體組分和轉化器、吸收塔進出口管道的氣體組分進行檢測。

2.1 換熱器的管程和殼程氣體組分檢測

Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳa和Ⅳb換熱器的管程和殼程氣體中SO2和O2體積分數檢測結果見表1～5。

由表1～2和表4可見：Ⅰ，Ⅱ和Ⅳa換熱器均未漏氣；由表3可見：Ⅲ換熱器管程存在內漏，且泄漏氣量占總氣量的3.5%左右；由表5可見：Ⅳb換熱器管程存在內漏，且泄漏氣量占總氣量的3.0%左右。

表1 Ⅰ換熱器管程和殼程氣體組分

表2 Ⅱ換熱器管程和殼程氣體組分

表3 Ⅲ換熱器管程和殼程氣體組分

表4 Ⅳa換熱器管程和殼程氣體組分

表5 Ⅳa換熱器管程和殼程氣體組分

2.2 轉化器進出口管道的氣體組分檢測

對轉化器和吸收塔進出口管道的氣體組分進行檢測，并計算轉化率，數據見表6。

表6 轉化器和吸收塔進出口的氣體組分和轉化率數據

2.3 轉化工序存在的問題

通過對以上檢測數據進行分析，造成轉化工序總轉化率下降的原因有以下3點：

1）Ⅲ換熱器列管泄漏，導致SO2主風機出口進入Ⅲ換熱器殼程的部分SO2氣體發生短路，這部分氣體直接進入一吸塔，造成一吸塔出口一次轉化率下降到95.92%；泄漏氣量占總氣量的3.5%左右。

2）Ⅳb換熱器列管泄漏，導致一吸塔出口進入Ⅳb換熱器殼程部分SO2的氣體發生短路，這部分氣體直接進入二吸塔，二吸塔進口的轉化率由99.60%降至99.41%，泄漏氣量占總氣量的3.0%左右。

3）由于一吸塔和二吸塔共用一個吸收酸循環槽，溶解于w(H2SO4)98%濃硫酸中的SO2在二吸塔內解吸，進入二吸塔的出口氣體中，導致二吸塔出口的轉化率由99.41%降至99.33%。

3 問題解決措施

3.1 換熱器泄漏列管檢修

3.1.1 換熱器泄漏列管查找方法

Ⅲ換熱器有1 206根φ57 mm×3.5 mm的滲鋁管，每根長度6 145 mm；Ⅳb換熱器有1 815根φ45 mm×3.5 mm的滲鋁管，每根長度8 102 mm。換熱器內列管數量較多，因此在短時間內停車對泄漏的列管進行維修的難度極大。經多方咨詢和討論研究，硫酸行業換熱器檢測漏點一般有以下幾種方法[1]：

1）殼程打壓法。將殼程進出口的煙氣管道用鐵板焊接成盲板，打壓時在管程上下部感受泄漏管的氣流，從而找到泄漏管道進行維修。該法操作簡單，但焊煙氣管道盲板的工作量大、時間長，并且殼程一般設計壓力為0.03 MPa，而空壓機打壓可以達到0.3 MPa以上，超壓可能達到10倍以上，如果殼程壓力控制不當會導致殼程超壓，極有可能導致煙氣管道盲板爆炸，發生嚴重的安全事故。在實際操作中，由于換熱器列管漏點小的地方氣流也很小，在管程上下部感受氣流尋找泄漏管不太容易。另外，臨時停車時換熱器內溫度高，也不能采用殼程打壓法，該法只能在大修時使用。

2）管束灌柴油法。向管束中灌入柴油，觀察列管的液位變化，液位下降的滲鋁管即發生了泄漏。然而柴油會從泄漏點漏到設備內部，換熱器內管束密集，滲漏的柴油不易清除。柴油屬于易燃物，臨時停車時設備具有較高溫度，在維修時也需要動火，設備內殘留柴油極易著火引發安全事故，因而不宜采用管束灌柴油法。

3）更換法。一般換熱器進口處的氣流接觸面前幾排管束最先腐蝕穿孔，因此直接將氣流迎風面的前幾排管束全部換掉。該法雖然維修簡單，但泄漏列管可能不在前幾排，因而不一定能徹底解決問題。

4）煙餅法。煙餅是一種拍戲用的發煙物品，點燃后會冒出大量煙霧，煙霧無毒、無異味，對人和環境基本無害，有白色、紅色、綠色等煙型可以選擇。由于硫酸生產一般都是產生白色煙霧，因此多采用白煙型煙餅發煙測漏，操作方法如下：①把需要測漏的換熱器殼程進出口的煙氣管道用鐵板焊接成盲板防止跑煙，在殼程開孔或安裝φ100 mm以上的閥門；②為防止煙餅投入殼程中時被摔碎或熄滅而不能充分燃燒發煙，將數個煙餅用鐵絲懸掛，點燃后投入換熱器殼程中；③煙餅燃燒產生大量煙霧，會從換熱器穿孔的列管管程中冒出，技術人員在管程上部觀察，把冒白煙的管子做好記號進行維修。該法的優點是操作簡單，工作量小；缺點是氣流無壓力，除非列管穿孔很嚴重，才會從管中大量冒煙，對穿孔較小的管子，白煙若有若無，不易觀察。

3.1.2 漏點查找及制定檢修方案

經過綜合考慮，決定采用煙餅+管束打壓法快速找出漏氣管束并進行維修。系統停車后，在換熱器殼程進出口煙氣管道各開1個人孔，用保溫棉碼垛，將整個煙管堵死，不讓高溫煙氣流動，同時起到隔熱作用，為檢修創造好的作業條件。在換熱器管程上、下部開人孔，操作人員進入換熱器上部管程氣室觀察。將10個左右的白煙型煙餅用鐵絲捆綁好點燃丟入殼程室，蓋上觀察孔。煙餅燃燒釋放出的白色煙霧往上走，在管程氣室的人員觀察冒煙的管子并做好記號，圈定泄漏區域。圈定泄漏區域后，管程上部的打壓橡皮塞安裝壓力表和閥門，采用空壓機向單個管程中打壓；管程下部的操作人員穿戴好防酸面罩和防護服配合上部打壓人員，用橡皮塞將打壓管塞住，避免漏氣。換熱器頂部操作人員用氣閥打壓到30 kPa的壓力后關閉氣閥，觀察壓力表。打壓壓力不能過大，否則管程上、下兩端的操作人員不能用橡皮塞塞住打壓管。如果壓力表穩壓，說明管子不漏；不能穩壓，說明管子有漏點，做好記號待維修。采用逐根打壓法，將圈定的泄漏區管子迅速檢查確定，泄漏的管子數量少時，采用堵頭封堵法維修。

3.1.3 維修準備

1）提前搭好換熱器的作業腳手架和平臺，準備好焊機、軸流風機、氧氣、乙炔氣、防雨篷布、煙餅、更換的滲鋁管（若無滲鋁管，可用水管鍋爐的φ45 mm蒸發管代替）、10 t硫磺等設備及物資，做好維修人員分工。

2）由于操作人員要進入換熱器管程氣室觀察，因此轉化系統需要降溫24 h，沸騰爐、鍋爐系統保溫。檢修預計4 d完成，其中停車1 d、檢修2 d、升溫1 d。

3）做好檢修安全措施。嚴格作業票證制度做好安全防護；為防止高處墜落事故，腳手架平臺牢固鋪設加裝護欄，人員系雙鉤安全帶；為防止燙傷，用軸流風機進行通風降溫，降溫達標后再作業；換熱器內部通風置換，氣體分析檢測合格后，操作人員戴好防毒面具、攜帶安全繩進入設備內部作業，換熱器外安排監護人監護。

3.1.4 維修操作

實際操作中，轉化系統降溫22 h，Ⅲ換熱器管間溫度降到120 ℃左右，Ⅳb換熱器管間溫度降到72 ℃，為維修創造了良好的工作條件。打開Ⅲ換熱器和Ⅳb換熱器人孔和塞保溫棉用時5 h，煙餅試漏用時2 h，打壓用時10 h（1套打壓工具），檢修全部完工用時23 h，從系統降溫到開車成功耗時62 h。Ⅲ換熱器找出漏管25根，Ⅳb換熱器找出漏管44根，泄漏的主要區域靠近迎風面一側，其他區域泄漏較少。由于泄漏的管束不多，技術人員采用漏管兩端封堵方式維修。

3.1.5 維修效果

維修結束時，沸騰爐固定層溫度降到350～400 ℃，技術人員采用投入硫磺助燃的方法將固定層點燃，實現順利開車。開車后總轉化率由99.33%提高到了99.60%，取得了很好的維修效果。氨法尾氣脫硫系統的氨耗大幅下降，質量分數20%氨水的消耗量由10 t/d下降到3 t/d，硫酸銨產量也大幅下降，煙囪排尾氣視覺良好。

3.2 吸收酸循環槽的改進

為了解決溶解于w(H2SO4)98%濃硫酸中的SO2在二吸塔內解吸，導致二吸塔出口轉化率降低的問題，增加1個吸收酸循環槽，使一吸塔和二吸塔各用1個酸循環槽。

正常生產時，一吸塔循環酸和干燥塔循環酸需要相互串酸，以維持吸收水分后的干燥循環酸的硫酸濃度。由于干燥循環酸干燥的是SO2爐氣，SO2在干燥酸中有溶解現象，含有SO2的干燥酸串入一吸塔循環酸中會導致一吸塔循環酸中SO2的含量上升。如果一吸塔和二吸塔循環酸槽分開設置，就可以降低二吸塔上塔酸中的SO2含量，從而提高轉化率。

4 檢修和生產管理中存在問題

1）此次需要同時維修Ⅲ換熱器和Ⅳb換熱器，由于打壓設備只準備了1套，Ⅲ換熱器打壓結束后再打壓Ⅳb換熱器。如果用2套打壓設備對2個換熱器同時進行打壓，檢修時間也會縮短一半。

2）換熱器頂部與轉化器相通，停風機后換熱器內部溫度仍然較高，工作環境比較惡劣，操作人員要多準備飲用水和風扇降溫，并分兩班輪流作業。

3）精益化生產管理經驗不足，對干吸塔的除沫除霧情況和SO2主風機出口、換熱器殼程進口處的冷凝酸排放量檢查不夠重視，直到轉化率嚴重下降時才發現換熱器出現問題。雖然此次換熱器維修效果良好，但并沒有從根本上解決問題，應以干吸塔除酸霧效率為源頭查找問題。不然隨著使用時間的推移換熱器又會腐蝕穿孔，再次出現同樣的問題。

5 結語

新洋豐農業硫酸廠硫精砂制酸裝置轉化工序的Ⅲ換熱器位于SO2主風機出口，Ⅳb換熱器位于一吸塔出口，干燥塔除沫器和一吸塔除霧器除霧沫效果差時，會導致氣流夾帶酸沫或酸霧，腐蝕Ⅲ換熱器和Ⅳ換熱器。因此，要高度重視干燥塔和吸收塔的除霧效率，每天定時檢查干燥塔出口、SO2主風機出口、一吸塔和二吸塔出口及Ⅲ換熱器和Ⅳ換熱器殼程進口的冷凝酸排放情況。一旦發現冷凝酸量增加，要及時檢查干燥塔除沫器和吸收塔除霧器，同時控制好干燥、吸收工藝指標。

Ⅲ換熱器和Ⅳ換熱器泄漏對轉化率影響比較大，換熱器檢修難度也大，因而杜絕換熱器的泄漏對提高轉化率至關重要。新洋豐農業摸索出的煙餅+管束打壓法能快速準確地找出泄漏管并加以修復，操作簡單可靠，停車處理時間短，是一種較好的搶修換熱器的方法。