神華煤直接液化干氣制氫工藝廢熱鍋爐逆循環分析及對策

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裝置改造而成。該工藝采用蒸汽轉化造氣，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鍵設備，它不僅使余熱得到有效利用，還減少了燃料和電能的消耗，大大提高了生產的經濟性。而且由于其蒸發量大，蒸汽壓力高，其產生的蒸汽還作為原料氣壓縮機等轉動設備的動力，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備，它具有結構簡單、水循環系統穩定、換熱元件的熱膨脹不受限、運行安全可靠等優點，因此得到了廣泛的應用。鍋爐由206根雙套管組成，水從內管下來，汽水混合物從外管進入汽包，管外走的是工藝氣。管板只設在工藝氣出口一端，解決了結構上的困難。雙套管的外管直徑51mm×3mm，正三角形排列，管間距63.5mm。內管直徑25mm×1.6mm，有效長度5283mm，內外管的環隙有四層定距爪，每層三個，互為120°，起到防止內管震動，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 廢熱鍋爐的水循環機理

生產時，二段爐的出口溫度控制在850℃以上，而爐水在套管內的溫度僅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時，有可能產生逆循環和偏流。正常操作時整個上升管都充滿了汽水混合物，循環的動力可表示為：（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）為下降管內的水與上升管內的汽水混合物的重度差。它由鍋爐傳入熱量，發蒸汽后形成，蒸汽產量越多，重度差越大，循環速度也越快。

需要說明的是在開始循環時，上升管、下降管的水溫相同，因此循環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起來。外套管的材質是低合金鋼，僅能耐受400℃的溫度，如果循環不能及時建立熱量帶不走，就會超溫，對設備造成不可逆轉的損傷。

3 廢熱鍋爐的正循環和逆循環

在正常運行時，汽包水由兩根下降管進入廢熱鍋爐的水室，再沿著套管的內管向下流動，水受熱后產生的汽水混合物由刺刀管內外管之間的環隙向上流動。與此同時，汽水混合物從外管壁面繼續吸收熱量產生蒸汽，形成重度更小的汽水混合物，經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過程，稱之為正循環。

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狀態發生逆轉。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，再由內管上升，經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過程，稱之為逆循環。

4 逆循環的原因分析

（1）蒸汽升溫時，操作條件發生變化，導致熱負荷大幅變化，這也是蒸汽升溫時，廢鍋發生逆循環的最主要的原因。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。如果開車過程出現異常(如:蒸汽的流量、溫度發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域內加熱，造成這一區域的爐水瞬時汽化形成一個局部的高壓區，高壓區會向兩端產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，甚至將下降管內的熱水瞬時反向推回汽包，從而造成正循環中斷，這也是產生“逆循環”時汽包液位有時發生無規律波動的原因［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致熱負荷不均。

（3）在設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，距離過短則循環阻力過大，過大則端部產蒸汽過猛，對循環推動力都有影響。

（4）因蒸汽管網壓力大幅波動或安全閥起跳等原因，導致汽包壓力大幅度波動。

（5）鍋爐給水泵故障等原因，導致汽包液位大幅度波動。

5 逆循環的危害

（1）逆循環發生后，經下降管進入汽包的汽液混合物不再經過旋風分離器分離，導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。經計算：逆循環發生時，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，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時，會破壞轉子的動平衡，還會導致透平葉輪一級后壓力升高，降低透平的工作效率，嚴重時甚至損壞設備造成停車。

而轉化工序的工藝蒸汽進入轉化催化劑后，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450℃，一般會下降至400℃左右，對后續的減溫減壓工藝造成影響。

（3）鍋爐水循環量下降，一般會降至正常生產的50%-70%，由于流量減小，流速變慢，水在套管壁上的沸騰狀態由核沸騰轉變為膜沸騰，導致熱阻增加，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生了逆循環

逆循環的發生相對較隱蔽，且不容易觀察，很容易被操作人員忽略掉，在國內某一制氫裝置就曾出現過第一廢熱鍋爐逆循環一年多，而未被操作人員發現的情況。

為了判斷廢熱鍋爐的循環是否建立，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下水的密度，再通過對照表查出對應的溫度。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正常流下來了，當逆循環發生時，鍋爐中汽水混合物溫度要高于汽包水溫，該數值較正常值要高。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。正循環時下降管為高壓側，上升管為低壓側，當循環未建立時讀數為零。而正循環建立后，讀數會由剛剛建立循環時的不穩定正值，逐漸升高為一個穩定的正值。讀數越大，表示循環速度越快，當逆循環發生時候，讀數為負值。

壓差計的缺點是不能做定量的計算，但是在操作過程中，經過長期的經驗積累，可以得出一個讀數和蒸汽產量的大致關系。

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

7 逆循環案例分析

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關鍵控制點參數為：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：汽包自產蒸汽并入管網，3:04當班班組開始蒸汽升溫操作，此時發現廢熱鍋爐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 穩定在30-34KPa。隨即聯系儀表人員檢查兩壓差計是否有問題，并開始重點監控該流程，20 分鐘后，儀表檢查回復無故障。這期間，PDI0035 一直穩定在-0.48KPa，PDI0034 波動上升最高值到57KPa，判斷廢熱鍋爐101-CA 是逆循環，停止升溫，一段爐退出蒸汽，退守到爐出口溫度400℃以下，待條件穩定后重新進蒸汽升溫建立廢鍋正循環。

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。

事故原因分析：

（1）2:38自產汽并網與3:04一段爐進蒸汽升溫這二個操作環節點間隔時間短。

（2）自產汽并網操作中汽包壓力從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生逆循環。

8 有利于建立汽包水循環的操作

（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溫度達到400℃就開始循環，若是操作不當或設備有缺陷，循環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，其外套有可能超溫，造成設備損傷。此時，應立即停止蒸汽升溫操作，把溫度降回350-400℃，待條件穩定后重新開始升溫。

（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，損傷設備。而一般情況下，在第一次循環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也能建立。

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

（4）生產過程中應盡量避免超低負荷運行，開工時入爐的蒸汽流量不應低于設計值的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，推動力相應越小，見表一。所以在開工時，應先在較低壓力下建立循環，循環正常后再升到操作壓力，一般在準備建立循環時，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。

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

（8）開車過程發生的逆循環可通過上升管中注入氮氣的方法抑制。在裝置開車過程中，蒸汽升溫時自產蒸汽達不到并網的條件，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蒸汽的純度會降低，但此時自產蒸汽都是放空的，因此氮氣對開車過程造不成負面的影響。

當廢熱鍋爐出現逆循環時，將氮氣注入上升管，因氮氣重度比汽水混合物重度要小，依據自循環的原理，只要在同一時間內，注入上升管內的氮氣量（體積）大于下降管內汽水混合物的量（體積），都會使自循環的方向發生轉變，壓差計PDI-35∕PDI-33會由負值顯示為正值，即能將逆循環糾正為正循環。而逆循環一旦轉換為正循環，套管產生的汽泡就會按照正循環的方向由內管上升進入汽包中，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。循環正常后汽泡上升過程中會有推動力放大效應，這兩方面因素同時作用下，即使停止注入氮氣，正循環也會繼續下去。

在操作過程中，選擇合適的注氮時間是非常關鍵的。注氮過早，自循環可能尚未形成，注氮的意義不大，注氮過晚，則逆循環的產汽量大增，糾正會更加困難。經摸索總結，若選擇在壓差計PDI-35∕PDI-33剛出現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，此時間點最為合適。

結束語

本文結合國內多家單位廢熱鍋爐的操作經驗，根據裝置廢鍋的實際運行情況，詳細闡述了廢熱鍋爐逆循環的機理和原因，提出了一系列的優化措施，應用后取得了明顯的成效。