高濃度轉化內置換熱器堵塞原因分析及處理實踐

曹汝俊，邱遠鵬，馮芝勇，俞學敏

（陽谷祥光銅業有限公司，山東陽谷 252300）

陽谷祥光銅業有限公司（以下簡稱祥光銅業）煙氣制酸系統引進了Outotec的高濃度SO2轉化技術LURECTM，正常運行時一期系統處理的煙氣φ(SO2)可達16%以上，二期系統可達18%以上，兩套系統轉化率均在99.94%以上。兩套轉化裝置的Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ換熱器均采用內置換熱的方式，轉化阻力低，換熱效果好，系統可充分利用反應熱能，熱能利用率高，操作彈性大，即使冶煉“雙閃”工藝系統按30%的負荷生產，轉化系統仍然可以保持熱量及反應動態平衡，使整套系統能夠適應煙氣φ(SO2)在6%～18%波動。

制酸系統投入運行近10年內，轉化系統的轉化效果表現良好，但是隨著生產周期的延長，轉化器內置的Ⅰ換熱器的換熱效果出現減弱跡象，轉化器一段進口不同位置的煙氣溫度差達到約10 ℃，二段進口不同位置的煙氣溫度差達到約30 ℃。Ⅰ換熱器的換熱原理為進、出轉化器的煙氣分別進入換熱器管程和殼程進行熱量傳遞。經分析，導致轉化器一段和二段進口煙氣溫度不均的原因為換熱器管程和殼程發生堵塞。Ⅰ換熱器管程和殼程不同程度存在堵塞情況，較于管程，殼程堵塞更嚴重。在2019年祥光銅業組織的大修過程中，對2套制酸系統的Ⅰ換熱器殼程進行了徹底疏通和清理，開車后一段和二段入口溫度指標得到了極大改善，達到了預期效果。

1 Ⅰ換熱器的構造

Ⅰ換熱器設置在轉化器中心管與中心圓筒之間，換熱管布置在兩筒體圓環中，換熱管管徑為φ38 mm，每相鄰兩排緊鄰的3根換熱管呈正三角形排列，換熱器的煙氣走向見圖1。

圖1 Ⅰ換熱器的煙氣走向

Ⅰ換熱器管程通氣為未轉化的高濃度SO2煙氣，殼程通氣為經過一段轉化后含有高濃度SO3的高溫煙氣。由于殼程及管程的溫差較大，可使進入一段的煙氣溫度提高至410 ℃以上，進入二段的煙氣溫度降低至480 ℃，在換熱器處完成換熱過程。考慮到321不銹鋼具有優異的高溫應力破斷性能及高溫抗蠕變性能，應力和機械性能優于304不銹鋼，故Ⅰ換熱器換熱管采用321不銹鋼材質制作。由于Ⅰ換熱器位于中心管與中心圓筒之間，從氣室處進入清理只能清理換熱器殼程的外層，而內、外層間距太大，清理工具很難穿透，要保證清理效果，需要內、外層同時進行清理。中心管與內層換熱管的環形空間寬度約為570 mm，較為狹窄，僅能保證人員通行，因此需要在中心管處開孔，使得清理人員可以從中心管進入內層換熱管完成清理操作。

2 換熱器現狀分析

2.1 工藝運行情況

在轉化器一段進口圓周上以圓心角120°取A，B，C點，二段進口圓周上以圓心角180°取A，B點，測量煙氣溫度情況見表1。

表1 轉化器一、二段進口煙氣溫度情況

由表1可知：轉化器一段進口A，B，C點煙氣的最大溫度差為10.18 ℃；二段進口A，B點煙氣的最大溫度差為30.22 ℃。

2.2 換熱器堵塞原因分析

在上一次大修過程中對轉化器內置的Ⅰ換熱器檢查時發現，在轉化器一段出口氣室及二段煙氣進口氣室換熱器列管夾層中出現煙塵和列管外壁因熱脹冷縮脫落的硬殼。因列管間距狹小，僅對換熱器外部的煙塵進行了清理，未清理換熱器列管間隙，由此導致Ⅰ換熱器殼程列管間隙被粉塵嚴重堵塞，影響了換熱效果。Ⅰ換熱器堵塞有以下幾方面的原因：

1）轉化器內催化劑粉化，粉化后的催化劑粉塵隨著煙氣進入換熱器殼程，在設備點檢短時停車期間，沉降于換熱器列管間隙并不斷富集堆積，進而減少了管道的有效換熱面積，影響換熱效果。

2）在高SO2氣濃轉化過程中，催化劑在高溫過熱狀態下呈熔融狀態，使得催化劑活性組分生成揮發性物質或可升華物質附著在換熱器管壁上[1]，隨著溫度變化或開停車不斷堆積在管壁上或脫落在管壁夾縫中。

3）催化劑中的助劑氧化鉀會與極少量硫酸霧形成硫酸鹽，換熱管管壁在極少量硫酸霧環境下腐蝕也會生成硫酸鹽。在轉化降溫時硫酸鹽附著于換熱器管壁，并不斷富集、成片脫落，堆積在列管間隙，尤其靠近風口處堵塞更嚴重，導致換熱器不同部位的換熱效果出現差異。

4）短時停車期間，換熱器溫度變化劇烈，由于換熱管熱脹冷縮，殼程表面的灰塵脫落堆積于管道縫隙。

另外，熔融狀態的催化劑微孔會發生堵塞且出現催化劑粘連現象，使得轉化阻力增大，進而影響通風量，也會影響換熱器的換熱效果。

3 換熱器清理方案及措施

3.1 換熱器清理方案

設備的除垢方法主要有化學清洗法、物理清洗法和機械清洗法，其優缺點分別為：

1）化學清洗法是通過使用化學清洗液與換熱器傳熱管表面的水垢和其他沉積物發生化學反應，使污垢溶解、脫落或剝離的方法，常見的方法有循環法、浸漬法和浪涌法等。化學清洗不需要拆開換熱器，簡化了清洗過程，也減輕了清洗的勞動程度，但若化學清洗液選擇不當，會腐蝕破壞清洗物的基體，造成損失。

2）物理清洗法是借助各種機械外力和能量使污垢粉碎，然后從物體表面剝離，從而達到清洗效果的方法，具有高效、無腐蝕、安全、環保的優點。其缺點是在清洗結構復雜的設備內部時，有時作用力不能均勻達到所有部位而出現“死角”，影響清洗效果。常見的物理清洗法有超聲波除垢、清管器(PIG)清管技術和電場除垢技術等。

3）機械清洗法是靠機械作用提供一種大于污垢粘附力的力而使污垢從換熱面上脫落的方法。該方法可以除去化學方法不能除去的碳化污垢和硬質垢，但要清理干凈管內垢層一般需要5～6遍，有時多達10遍，清理效率低，質量差。

經分析，上述設備除垢方法以及使用水循環洗滌的方案都不適用于內置換熱器的清理。為了解決生產中存在的實際問題，技術人員根據設計圖紙制作了試驗模型（見圖2），模擬換熱器內部的構造進行試驗。在對模擬試驗效果進行多次分析論證后，最終決定采用高壓壓縮氣體對列管間隙內的灰塵進行吹掃并配合使用扁鋼釬清理回收煙塵的方案，具體為：在中心管開孔進入主煙氣管道，在主煙氣管道底部換熱器殼體位置開孔進入Ⅰ換熱器內側進行清理；從氣室進入對換熱器外部進行清理。通過內外配合對Ⅰ換熱器進行徹底清理，即可保證清理效果。

3.2 換熱器清理工具

對Ⅰ換熱器進行清理需要準備的專用工具有：

圖2 制作的試驗模型

1）帶接頭的銅管。根據設計圖紙標注的換熱管及管間距離尺寸，模擬換熱管制作了試驗模型，通過使用不同材質及規格的型材進行現場吹掃試驗。銅質管道質地偏軟，對現有的鐵質換熱管外壁劃傷的機械損傷影響較小，因此選用銅管作為清理吹掃工具。銅管尾部為薄壁，頭部機械壓扁并打磨出坡口狀有利于氣流分布；接頭為快插快接螺紋不銹鋼連接件，用以連接銅管和氣源管。氣源管為φ8 mm PU管，與現場 0.6～0.8 MPa工業壓縮空氣管連接即可使用。

2）扁鋼釬。扁鋼釬采用扁鋼加工而成，包括手柄、鋼釬和鋼翅3個部分，手柄與鋼釬以及鋼釬與鋼翅的連接均采用焊接方式，鋼釬頭部不能太尖銳以避免損傷換熱器。扁鋼釬配合銅管使用，可將墜落底部的物料清理出來，效果較好。

3.3 換熱器清理操作步驟

經檢查發現，Ⅰ換熱器列管外部在60～80 cm高度結垢硬度較大，其余部分堵塞也較為嚴重，與前期換熱器堵塞分析預期基本相符。換熱器清理操作步驟如下：

1）換熱管管壁吹掃。通過銅管輸入工業壓縮空氣對換熱管管壁結料進行吹掃，銅管沿著換熱管間隙逐步向換熱器內部進行吹掃，直至銅管能夠全部穿插換熱器整個橫截面。經過吹掃，大部分管壁結料被吹掃掉落至換熱器底部。

2）換熱管管壁刮拉。所有換熱管縫經吹掃后，再由扁鋼釬反向抽拉2遍，將管壁不易被吹掃的物料刮下。

3）換熱器底部清理。換熱管管壁經吹掃及刮拉合格后，使用扁鋼釬將換熱器底部的沉積物料拉出或推至換熱器與中心筒之間的空隙。

4） 收集清理物料。經過銅管吹掃及扁鋼釬推拉，最終將清理物料進行統一收集。

換熱器管程采用銅管進行清理，通過延長銅管長度使得銅管可以貫通整個換熱管內部，此處清理相對容易。氣室處換熱器外側清理與內側清理類似。

4 換熱器清理過程中遇到的問題及解決措施

由于祥光銅業首次清理內置換熱器經驗不足，在換熱器清理過程中遇到了一些問題。作業人員集思廣益，采取相應措施解決了問題，主要表現在：

1）在對換熱器管壁物料吹掃和底部物料推拉期間，部分物料可能掉落至相鄰的已清理完的管縫之間。針對該問題，作業人員采取“雙管齊下”及協同合作的方式進行清理，即不再管道單縫隙吹掃及推拉，而是相鄰3道管縫同時作業。管縫吹掃期間，每個換熱器分風口2人同時作業，受銅管氣流影響，相鄰銅管吹掃的管縫物料大部分會直接垂直掉落至每段換熱器底部，很少出現單縫吹掃時物料“回串”的情況。對換熱器底部的物料推拉時采取同樣的措施，效果較單縫推拉明顯改善。

2）受換熱器進入催化劑層分風口結構的限制，相鄰分風口之間的空間極其狹小，銅管及扁鋼釬不能進入，導致該處換熱管管壁的物料清理較困難。作業人員進入換熱器內部清理分風口處的管壁物料，通過換熱器外部手電筒提供的照明進行觀察，逐縫隙進行清理，解決了在換熱器外部清理分風口處管壁空間受限的問題。

3）受設備結構影響，清理換熱管管縫內部時照明受限，結料及清理情況不易觀察。為此，作業人員佩戴頭燈，既解決了清理期間個人所需的照明要求，又能為觀察換熱管管縫帶來便利。

5 換熱器清理效果檢驗

5.1 換熱管管壁

Ⅰ換熱器清理完畢后，對其外部和內部進行檢查驗收，使用手電筒順著管壁間隙檢查清理效果，使用鋼釬沿著管壁間隙查看清理是否徹底。經檢查，換熱管管壁和換熱器底部縫隙清理較為徹底，中間管縫無明顯掛料。

Ⅰ換熱器清理前后對比見圖3。

5.2 煙氣溫度

經清理后，轉化器一、二段進口的煙氣溫度情況見表2。

圖3 Ⅰ換熱器清理前后對比

表2 清理后轉化器一、二段進口煙氣溫度情況

由表2可見：Ⅰ換熱器經清理投料后，轉化器一段進口A，B，C點煙氣的最大溫度差為2.04 ℃，二段進口A，B點煙氣的最大溫度差為9.88 ℃，較清理前煙氣最大溫度差大幅降低，此次換熱器清理效果顯著。

6 結語

換熱器在長期運行過程中，由于硫酸鹽、管壁脫落的鐵銹或粉化的催化劑等物質使得換熱器殼程和管程堵塞、結垢，進而產生換熱效果下降、系統阻力增大等嚴重后果，需嚴格控制凈化指標，控制催化劑粉化等保證換熱器正常運行。在對內置換熱器沒有任何清理經驗可循的情況下，祥光銅業創造性地配合使用附帶壓縮空氣的銅管和扁鋼釬對Ⅰ換熱器進行了清理。煙氣制酸系統大修結束投料后，轉化器一段進口不同位置的煙氣最大溫度差由檢修前的約10 ℃降低到約2 ℃，二段進口不同位置的煙氣最大溫度差由檢修前的約30 ℃降低到約10℃，Ⅰ換熱器清理達到了預期效果。此次高SO2氣濃轉化內置換熱器的處置經驗，對于空間受限、工況條件惡劣的換熱設備清理具有一定的借鑒意義。