制氫裝置轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐的改造

商好朋 楊麗君 商好賓 沈文朋

（1.山東華星石油化工集團(tuán)有限公司；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

山東華星石油化工集團(tuán)有限公司（簡稱華星公司）的20 000Nm3/h制氫裝置轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐，自2011年8月投用至2016年3月間出現(xiàn)過4次換熱管泄漏故障（2012年、2013年、2014年檢修堵漏，2016年3月?lián)屝薅侣渲?次檢修打壓時(shí)泄漏部位為出口管端的角焊縫，立即分別進(jìn)行了堵漏。2016年10月對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了緊急更換，但是在2019和2020年檢修該設(shè)備時(shí)仍發(fā)現(xiàn)20根換熱管有內(nèi)漏現(xiàn)象，再次停車進(jìn)行堵漏。此故障引起廢熱鍋爐反復(fù)停車和維修，給華星公司造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。另外，國內(nèi)其他企業(yè)制氫廢熱鍋爐（包括引進(jìn)的大型制氫裝置的廢熱鍋爐）都曾被報(bào)道過運(yùn)行中出現(xiàn)的故障。近年來，甲醇、煤制氣等諸多裝置中也多有轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐的故障報(bào)道。因此，廢熱鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行已成為整個(gè)制氫工藝中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

為了解決20 000Nm3/h制氫裝置轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐存在的問題，華星公司委托有多年實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)設(shè)計(jì)制造公司，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況重新設(shè)計(jì)制造一臺(tái)全新的轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐，更換原故障頻發(fā)的老設(shè)備，到目前新設(shè)備運(yùn)行良好，未發(fā)現(xiàn)任何故障的發(fā)生跡象。為杜絕同類設(shè)備出現(xiàn)類似故障，筆者將原轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐改造要點(diǎn)做一總結(jié)，對(duì)國內(nèi)類似設(shè)備的改進(jìn)大有裨益。

1 設(shè)備概況

轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐是20 000Nm3/h制氫裝置的下游設(shè)備，高溫轉(zhuǎn)化氣經(jīng)轉(zhuǎn)化爐出口直接進(jìn)入廢熱鍋爐。該廢熱鍋爐的操作與設(shè)計(jì)條件見表1。

表1 轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐的操作與設(shè)計(jì)條件

2 設(shè)備改造要點(diǎn)

為了從根本上消除原設(shè)備存在的弊端，改造單位從設(shè)計(jì)到制造采取多項(xiàng)措施來保證新設(shè)備的質(zhì)量。

2.1 設(shè)計(jì)單位選擇

華星公司選擇有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)設(shè)計(jì)制造一體化供貨商——天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司（簡稱天華院）承擔(dān)此次改造任務(wù)。天華院具有很強(qiáng)的專業(yè)設(shè)計(jì)制造能力，編撰了GB/T 151—2014《熱交換器》附錄中“撓性管板”一節(jié)。在重新設(shè)計(jì)的過程中，天華院結(jié)合原廢熱鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行分析計(jì)算，在不改變外形尺寸的基礎(chǔ)上，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

在本次設(shè)計(jì)中，前、后管板采用應(yīng)力分析法設(shè)計(jì)、設(shè)備整體按常規(guī)設(shè)計(jì)，充分考慮了熱應(yīng)力的影響，并分別對(duì)3種極限工況進(jìn)行強(qiáng)度核算分析，保證設(shè)備運(yùn)行的安全性。

2.2.1 嚴(yán)控?zé)岫斯芸诘臒崃髅芏?/p>

利用內(nèi)窺鏡對(duì)原廢熱鍋爐換熱管內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)部分管束內(nèi)部有催化劑粉末結(jié)垢（圖1），甚至有些管束內(nèi)部已被腐蝕穿透。由于工藝氣中含有CO2和H2O，在換熱管內(nèi)部結(jié)垢后，靠近后管箱的地方容易形成垢下碳酸腐蝕，進(jìn)而換熱管內(nèi)表面形成麻坑，管壁減薄，長時(shí)間則會(huì)發(fā)生換熱管內(nèi)部泄漏［1］。

圖1 換熱管內(nèi)部結(jié)垢情況

由結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況的計(jì)算結(jié)果可知，正常操作時(shí)進(jìn)入廢熱鍋爐的工藝氣流量較之設(shè)計(jì)的最大值有很大的差別，從而造成出口流速過低。在以往的廢熱鍋爐設(shè)計(jì)中，過大的換熱面積只要通過中心旁路閥調(diào)節(jié)滿足出口溫度即可，但是在此項(xiàng)設(shè)計(jì)計(jì)算中出口流速和換熱管長度都會(huì)對(duì)廢熱鍋爐的運(yùn)行造成很大的影響。因此，在重新設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，為防止催化劑顆粒附著在換熱管后端，避免換熱管出口部分形成垢下腐蝕破壞，采取的舉措為：

a.提高操作條件下最小出口流速，然而隨著出口流速的增加，換熱管入口的流速也隨之增加，換熱管入口處的熱流密度在一定范圍內(nèi)也隨之增加，此時(shí)容易發(fā)生膜態(tài)惡化傳熱現(xiàn)象。因此，必須嚴(yán)格控制熱端管板管口的熱流密度，即控制流速成為設(shè)計(jì)過程中必須重視的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過反復(fù)計(jì)算選擇后，新設(shè)計(jì)參數(shù)在各個(gè)工況下，既滿足了出口流速的增加又控制了管口的熱流密度。

b.縮短換熱管的長度，在滿足最大換熱面積的情況下，通過調(diào)節(jié)換熱管規(guī)格、適當(dāng)減少換熱余量和縮短換熱管的長度的方法，縮短粉塵在換熱管中的停留時(shí)間，從而達(dá)到減少粉塵附著的目的。

2.2.2 管板和管接頭采用全焊透結(jié)構(gòu)

原設(shè)備前、后管板選用的是強(qiáng)度焊+貼脹的焊接形式，該方法在早期的廢熱鍋爐制造中被廣泛應(yīng)用，但經(jīng)實(shí)踐證明，此種方法易發(fā)生“尺蠖幼蟲”破壞現(xiàn)象［2］。目前，國內(nèi)外采用比較多的是“內(nèi)孔焊”和“全深焊透”結(jié)構(gòu)：內(nèi)孔焊的施工與質(zhì)量控制的難度均較大，尤其在管板兩端無法實(shí)施，冷端管板的焊縫區(qū)還是破損高發(fā)部位，此工藝的工期較長；全深焊透的質(zhì)量不易控制，對(duì)焊接工作人員水平要求高，此工藝的工期較長。天華院設(shè)計(jì)人員開發(fā)的深孔焊工藝，既能保證焊接質(zhì)量，又節(jié)省時(shí)間，到目前該工藝已被成功應(yīng)用到數(shù)百臺(tái)廢熱鍋爐制造中。因而，此次廢熱鍋爐的改造中就選擇了這種深孔焊結(jié)構(gòu)。

2.2.3 熱端管板管口采用熱保護(hù)技術(shù)

由于高溫和高速的氣流沖蝕，高溫側(cè)管板與換熱管的連接處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，也是最薄弱的部位。原廢熱鍋爐選用的是陶瓷性保護(hù)套管，但是在熱沖擊下陶瓷套管容易破裂，故此次改造時(shí)選擇了耐高溫的金屬保護(hù)套管。在原廢熱鍋爐設(shè)計(jì)中管板與管箱中耐火材料的外側(cè)有層金屬防護(hù)襯板以防止工藝氣體沖刷耐火材料，但是在高溫環(huán)境下此保護(hù)襯板的焊接接頭處易開裂甚至脫落，進(jìn)而可能與管板碰撞或堵塞部分管子，造成高溫氣體偏流和操作條件惡化，故此次改造時(shí)，在耐火材料的外側(cè)選擇了耐磨強(qiáng)度更高的重質(zhì)澆注料，它能替代防護(hù)襯板有效防護(hù)高溫氣體的沖刷。

2.3 制造管控

原廢熱鍋爐的換熱管與管板焊接處頻發(fā)泄漏，除了設(shè)計(jì)方面存在弊端外，制造方也負(fù)有一定的責(zé)任。在本次廢熱鍋爐改造中，天華院以完整的質(zhì)量保證體系和專業(yè)化的匠人施工隊(duì)伍，從細(xì)節(jié)到整體全面保證設(shè)備的制造質(zhì)量。

3 結(jié)束語

通過采取上述改造措施，改造后的廢熱鍋爐一直運(yùn)行平穩(wěn)，到目前未出現(xiàn)任何故障，說明此次改造是成功的。

轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐既非普通的換熱器，也非一般的鍋爐設(shè)備，設(shè)計(jì)和制造都有其專業(yè)獨(dú)特性，建議該類設(shè)備的設(shè)計(jì)供貨應(yīng)由專業(yè)公司承擔(dān)，這樣才能保障生產(chǎn)運(yùn)行安全平穩(wěn)。目前，國內(nèi)轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐的設(shè)計(jì)和供貨已形成專業(yè)化的隊(duì)伍，可以很好解決制氫等行業(yè)中類似的故障問題。