神華煤直接液化干氣制氫工藝廢熱鍋爐逆循環(huán)分析及對策

趙立新（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

神華煤直接液化干氣制氫裝置是由從美國凱洛格公司引進的大型合成氨生產(chǎn)裝置改造而成。該工藝采用蒸汽轉(zhuǎn)化造氣，高低變換脫除一氧化碳，改良的熱鉀堿溶液脫除二氧化碳產(chǎn)出粗氫，最后通過新增的變壓吸附裝置制得合格氫氣。

該工藝較突出的優(yōu)點，是合理高效的回收利用余熱，而第一廢熱鍋爐就是回收余熱的關(guān)鍵設(shè)備，它不僅使余熱得到有效利用，還減少了燃料和電能的消耗，大大提高了生產(chǎn)的經(jīng)濟性。而且由于其蒸發(fā)量大，蒸汽壓力高，其產(chǎn)生的蒸汽還作為原料氣壓縮機等轉(zhuǎn)動設(shè)備的動力，所以合理的維護和使用第一廢熱鍋爐，對裝置的健康穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 第一廢熱鍋爐簡介

第一廢熱鍋爐是一種采用刺刀管式換熱元件的熱交換設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單、水循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定、換熱元件的熱膨脹不受限、運行安全可靠等優(yōu)點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。鍋爐由206根雙套管組成，水從內(nèi)管下來，汽水混合物從外管進入汽包，管外走的是工藝氣。管板只設(shè)在工藝氣出口一端，解決了結(jié)構(gòu)上的困難。雙套管的外管直徑51mm×3mm，正三角形排列，管間距63.5mm。內(nèi)管直徑25mm×1.6mm，有效長度5283mm，內(nèi)外管的環(huán)隙有四層定距爪，每層三個，互為120°，起到防止內(nèi)管震動，保證同心度的作用。鍋爐的殼程走工藝氣，進口溫度約900℃，壓力3.1MPa。

2 廢熱鍋爐的水循環(huán)機理

生產(chǎn)時，二段爐的出口溫度控制在850℃以上，而爐水在套管內(nèi)的溫度僅300℃左右，造成熱膨脹量很大，而廢鍋雙套管一端未固定，可以自由伸縮，解決了這個問題。但雙套管建立水循環(huán)時，有可能產(chǎn)生逆循環(huán)和偏流。正常操作時整個上升管都充滿了汽水混合物，循環(huán)的動力可表示為：（H+h）(γ水-γ混）

公式中 γ水為下降管中水的重度。

γ混為上升管中汽水混合物的重度。

h是雙套管的有效長度。

H是汽包與鍋爐的位差。

(γ水-γ混）為下降管內(nèi)的水與上升管內(nèi)的汽水混合物的重度差。它由鍋爐傳入熱量，發(fā)蒸汽后形成，蒸汽產(chǎn)量越多，重度差越大，循環(huán)速度也越快。

需要說明的是在開始循環(huán)時，上升管、下降管的水溫相同，因此循環(huán)推動力僅雙套管這一段，即h(γ水-γ混），如果通路不暢就不會循環(huán)起來。外套管的材質(zhì)是低合金鋼，僅能耐受400℃的溫度，如果循環(huán)不能及時建立熱量帶不走，就會超溫，對設(shè)備造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。

3 廢熱鍋爐的正循環(huán)和逆循環(huán)

在正常運行時，汽包水由兩根下降管進入廢熱鍋爐的水室，再沿著套管的內(nèi)管向下流動，水受熱后產(chǎn)生的汽水混合物由刺刀管內(nèi)外管之間的環(huán)隙向上流動。與此同時，汽水混合物從外管壁面繼續(xù)吸收熱量產(chǎn)生蒸汽，形成重度更小的汽水混合物，經(jīng)過廢熱鍋爐的混合室后，通過兩根上升管送入汽包進行汽水分離，這種按照正常流程的循環(huán)過程，稱之為正循環(huán)。

但是，由于幾臺廢熱鍋爐合用一個汽包，各臺廢熱鍋爐的上升管都是在汽包液位以下引入汽包，而且各上升管在汽包內(nèi)是互相連通的。這樣，在運行過程中，因為熱負荷的不平衡，再加上汽包各上升管壓力的不平衡等因素，會使廢熱鍋爐的循環(huán)狀態(tài)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。此時，汽包中的水將由上升管流入廢熱鍋爐的混合室，再由各刺刀管換熱元件的環(huán)隙通道向下流動，與此同時，水吸收熱量，形成汽水混合物，再由內(nèi)管上升，經(jīng)水室由下降管進入汽包，也可能只從一根上升管中下降，從另一根下降管中上升，這種和正常流程相反的循環(huán)過程，稱之為逆循環(huán)。

4 逆循環(huán)的原因分析

（1）蒸汽升溫時，操作條件發(fā)生變化，導(dǎo)致熱負荷大幅變化，這也是蒸汽升溫時，廢鍋發(fā)生逆循環(huán)的最主要的原因。開車過程中，在蒸汽升溫之前是氮氣升溫，氮氣的吸熱量小，切換為蒸汽升溫后，蒸汽相較于氮氣，吸熱量大且潛熱巨大。如果開車過程出現(xiàn)異常(如:蒸汽的流量、溫度發(fā)生大幅度的波動或儀表失真等)，在很短的時間里，大量蒸汽在套管較小的一段區(qū)域內(nèi)加熱，造成這一區(qū)域的爐水瞬時汽化形成一個局部的高壓區(qū)，高壓區(qū)會向兩端產(chǎn)生較大的壓差推動力。一面加速了汽水混合物的上升，另一面卻也阻斷了下降管中水的正常流動，甚至將下降管內(nèi)的熱水瞬時反向推回汽包，從而造成正循環(huán)中斷，這也是產(chǎn)生“逆循環(huán)”時汽包液位有時發(fā)生無規(guī)律波動的原因［1］。

（2）相同的兩臺第一廢熱鍋爐，容易因管道阻力不均使高溫工藝介質(zhì)流量分配不均，再加上鍋爐傳熱面上的污垢熱阻不同等因素導(dǎo)致熱負荷不均。

（3）在設(shè)備制造過程引起的偏差。理論上雙套管的下管末端與外管端帽之間的距離要做到完全一致，但實際做到非常困難，距離過短則循環(huán)阻力過大，過大則端部產(chǎn)蒸汽過猛，對循環(huán)推動力都有影響。

（4）因蒸汽管網(wǎng)壓力大幅波動或安全閥起跳等原因，導(dǎo)致汽包壓力大幅度波動。

（5）鍋爐給水泵故障等原因，導(dǎo)致汽包液位大幅度波動。

5 逆循環(huán)的危害

（1）逆循環(huán)發(fā)生后，經(jīng)下降管進入汽包的汽液混合物不再經(jīng)過旋風分離器分離，導(dǎo)致大量爐水帶出汽包。鍋爐水中硅含量下降，高壓蒸汽中硅含量大幅增加。經(jīng)計算：逆循環(huán)發(fā)生時，當汽包的蒸汽流量 FI-33 在 110t∕h 時，蒸汽中帶水約 8t∕h；當汽包的蒸汽流量FI-33在180t∕h時，蒸汽中帶水量約14t∕h［2］。

大量的二氧化硅和鹽類隨著水進入蒸汽系統(tǒng)，最終沉積于蒸汽過熱盤管或透平的葉片、噴嘴上，特別是在透平葉片處凝結(jié)時，會破壞轉(zhuǎn)子的動平衡，還會導(dǎo)致透平葉輪一級后壓力升高，降低透平的工作效率，嚴重時甚至損壞設(shè)備造成停車。

而轉(zhuǎn)化工序的工藝蒸汽進入轉(zhuǎn)化催化劑后，鹽類會堵塞催化劑的孔隙或附著在催化劑表面，降低催化劑的比表面積，使催化劑活性下降。

（2）一段爐對流段蒸汽過熱盤管溫度下降，正常生產(chǎn)450℃，一般會下降至400℃左右，對后續(xù)的減溫減壓工藝造成影響。

（3）鍋爐水循環(huán)量下降，一般會降至正常生產(chǎn)的50%-70%，由于流量減小，流速變慢，水在套管壁上的沸騰狀態(tài)由核沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟し序v，導(dǎo)致熱阻增加，管壁溫度升高，減少廢鍋的使用壽命。

6 如何判斷廢熱鍋爐發(fā)生了逆循環(huán)

逆循環(huán)的發(fā)生相對較隱蔽，且不容易觀察，很容易被操作人員忽略掉，在國內(nèi)某一制氫裝置就曾出現(xiàn)過第一廢熱鍋爐逆循環(huán)一年多，而未被操作人員發(fā)現(xiàn)的情況。

為了判斷廢熱鍋爐的循環(huán)是否建立，一般通過兩個儀表來判斷。

一個是觀察下降管不同高度的兩點之間的壓力差（PDI33∕PDI35），是根據(jù)不同溫度下水的密度有差異，溫度越高密度越小的原理。由這個壓差計可以得知固定兩點之間的壓力差，通過計算可以得出當前狀態(tài)下水的密度，再通過對照表查出對應(yīng)的溫度。通過此溫度和汽包的水溫做對比，就可以判斷汽包中的水是否已經(jīng)正常流下來了，當逆循環(huán)發(fā)生時，鍋爐中汽水混合物溫度要高于汽包水溫，該數(shù)值較正常值要高。基于測量原理，這個壓差計又被稱為密度計。

另一個判斷方法是觀察下降管和上升管之間的壓差（PDI32∕PDI34）。它表示流動的阻力降，也可以理解為推動力。正循環(huán)時下降管為高壓側(cè)，上升管為低壓側(cè)，當循環(huán)未建立時讀數(shù)為零。而正循環(huán)建立后，讀數(shù)會由剛剛建立循環(huán)時的不穩(wěn)定正值，逐漸升高為一個穩(wěn)定的正值。讀數(shù)越大，表示循環(huán)速度越快，當逆循環(huán)發(fā)生時候，讀數(shù)為負值。

壓差計的缺點是不能做定量的計算，但是在操作過程中，經(jīng)過長期的經(jīng)驗積累，可以得出一個讀數(shù)和蒸汽產(chǎn)量的大致關(guān)系。

需要說明的是，若裝置因發(fā)生了特殊情況而緊急停車，致使廢熱鍋爐停止循環(huán)，重新開車還需參照密度計、壓差計建立循環(huán)，此時需注意，循環(huán)終止壓差計的讀數(shù)會回零，但密度計會仍然有讀數(shù)，除非汽包水降溫至常溫。

7 逆循環(huán)案例分析

某制氫裝置開車，氮氣直排升溫，為保證高變催化劑床層溫度升到200℃，達到一段爐進蒸汽條件，汽包的操作壓力提高至4.5MPa-5.0MPa。

一段爐進蒸汽前系統(tǒng)關(guān)鍵控制點參數(shù)為：一段爐出口溫度470℃，廢熱鍋爐入口溫度409℃，高變床層最低點溫度210℃，廢熱鍋爐101-CA 下降管密度檢測PDI0034：33KPa，上升管壓差檢測PDI0035：0.07KPa，廢熱鍋爐101-CB 下降管密度檢測PDI0032：32KPa，上升管壓差檢測 PDI0033：-0.11KPa，汽包壓力：4.8MPa，汽包液位：58%，過熱蒸汽盤管出口溫度390℃。

02:38裝置工藝人員在一段爐進蒸汽前給當班班組操作指令：汽包自產(chǎn)蒸汽并入管網(wǎng)，3:04當班班組開始蒸汽升溫操作，此時發(fā)現(xiàn)廢熱鍋爐PDI0035 下降到-0.48KPa、PDI0034 波動上升。廢熱鍋爐101-CB上升管壓差檢測值PDI0033在正值波動，下降管密度檢測值PDI0032 穩(wěn)定在30-34KPa。隨即聯(lián)系儀表人員檢查兩壓差計是否有問題，并開始重點監(jiān)控該流程，20 分鐘后，儀表檢查回復(fù)無故障。這期間，PDI0035 一直穩(wěn)定在-0.48KPa，PDI0034 波動上升最高值到57KPa，判斷廢熱鍋爐101-CA 是逆循環(huán)，停止升溫，一段爐退出蒸汽，退守到爐出口溫度400℃以下，待條件穩(wěn)定后重新進蒸汽升溫建立廢鍋正循環(huán)。

6小時后，一段爐重新進蒸汽升溫，建立廢熱鍋爐101-CA∕CB正循環(huán)。

事故原因分析：

（1）2:38自產(chǎn)汽并網(wǎng)與3:04一段爐進蒸汽升溫這二個操作環(huán)節(jié)點間隔時間短。

（2）自產(chǎn)汽并網(wǎng)操作中汽包壓力從4.9MPa 下降到4.4MPa，雖然汽包壓降只有0.5MPa，也不是驟然下降，但汽包內(nèi)的水全部處于沸點溫度，進蒸汽前一段爐氮氣升溫氣量低，兩廢熱鍋爐入口氮氣量容易偏流，造成熱負荷不平衡產(chǎn)生逆循環(huán)。

8 有利于建立汽包水循環(huán)的操作

（1）提高工藝氣的溫度。開工過程中，一般進入廢熱鍋爐的工藝介質(zhì)溫度達到400℃就開始循環(huán)，若是操作不當或設(shè)備有缺陷，循環(huán)開始的溫度會稍高一些。但無論哪種情況，如果工藝氣的溫度超過540℃還不循環(huán)，其外套有可能超溫，造成設(shè)備損傷。此時，應(yīng)立即停止蒸汽升溫操作，把溫度降回350-400℃，待條件穩(wěn)定后重新開始升溫。

（2）有的制氫裝置，在兩個廢熱鍋爐的下降管設(shè)置有激冷水注入管線，以便通過冷水的注入大幅降低下降管液柱的重度，但此操作有一定風險，主要是擔心會引起震動，損傷設(shè)備。而一般情況下，在第一次循環(huán)未能正常建立的通常做法是，大幅度降低鍋爐負荷，把溫度降到350-400℃，汽包液位控制50-60%，一次性向一段爐加中壓蒸汽20t∕h，接著增加到40t∕h，再增點火嘴，增加爐膛溫度，一般情況下，這樣進行一兩次循環(huán)也能建立。

（3）加大工藝介質(zhì)流量，空速越大越有利于傳熱，大氣量也會相應(yīng)的削弱因流量不均而造成的偏流效應(yīng)，有利于建立循環(huán)。

（4）生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量避免超低負荷運行，開工時入爐的蒸汽流量不應(yīng)低于設(shè)計值的60%。

（5）適當降低汽包壓力。熱虹吸的動力是水和蒸汽的重度差，汽包壓力越高，水和蒸汽的重度差越小，推動力相應(yīng)越小，見表一。所以在開工時，應(yīng)先在較低壓力下建立循環(huán)，循環(huán)正常后再升到操作壓力，一般在準備建立循環(huán)時，汽包壓力控制在3.5-4.0MPa為好。

表1 不同壓力下水和蒸汽的重度差

（6）在升溫過程中適當增加下降管的排污量也有利于建立循環(huán)。

（7）操作過程中應(yīng)盡量避免汽包壓力、液位，蒸汽管網(wǎng)壓力等工藝條件的大幅波動，以免造成套管內(nèi)的汽泡反復(fù)凝結(jié)、汽化，不利于循環(huán)建立。

（8）開車過程發(fā)生的逆循環(huán)可通過上升管中注入氮氣的方法抑制。在裝置開車過程中，蒸汽升溫時自產(chǎn)蒸汽達不到并網(wǎng)的條件，一般都會通過就地放空排入大氣。而若將氮氣注入廢鍋上升管，最直接的影響就是自產(chǎn)蒸汽的純度會降低，但此時自產(chǎn)蒸汽都是放空的，因此氮氣對開車過程造不成負面的影響。

當廢熱鍋爐出現(xiàn)逆循環(huán)時，將氮氣注入上升管，因氮氣重度比汽水混合物重度要小，依據(jù)自循環(huán)的原理，只要在同一時間內(nèi)，注入上升管內(nèi)的氮氣量（體積）大于下降管內(nèi)汽水混合物的量（體積），都會使自循環(huán)的方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，壓差計PDI-35∕PDI-33會由負值顯示為正值，即能將逆循環(huán)糾正為正循環(huán)。而逆循環(huán)一旦轉(zhuǎn)換為正循環(huán)，套管產(chǎn)生的汽泡就會按照正循環(huán)的方向由內(nèi)管上升進入汽包中，同時下降管也將會失去汽水混合物的供給，汽泡就會逐漸減少最終消失。循環(huán)正常后汽泡上升過程中會有推動力放大效應(yīng)，這兩方面因素同時作用下，即使停止注入氮氣，正循環(huán)也會繼續(xù)下去。

在操作過程中，選擇合適的注氮時間是非常關(guān)鍵的。注氮過早，自循環(huán)可能尚未形成，注氮的意義不大，注氮過晚，則逆循環(huán)的產(chǎn)汽量大增，糾正會更加困難。經(jīng)摸索總結(jié)，若選擇在壓差計PDI-35∕PDI-33剛出現(xiàn)負值時注氮效果最好，因為此時上升管中的汽水混合物是最少的，只需少量氮氣就可迅速糾正循環(huán)，此時間點最為合適。

結(jié)束語

本文結(jié)合國內(nèi)多家單位廢熱鍋爐的操作經(jīng)驗，根據(jù)裝置廢鍋的實際運行情況，詳細闡述了廢熱鍋爐逆循環(huán)的機理和原因，提出了一系列的優(yōu)化措施，應(yīng)用后取得了明顯的成效。