高含硫天然氣凈化裝置余熱鍋爐系統優化改造

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(1. 甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070；2. 上海藍濱石化設備有限責任公司， 上海 201518)

中石化普光氣田天然氣凈化廠為川氣東送工程配套建設單位，該廠6套高含硫天然氣凈化聯合裝置中的12臺尾氣焚燒爐余熱鍋爐系統(以下簡稱余熱鍋爐)均由意大利FBM/MACCHI公司2008年設計、制造。裝置自投用以來，由于多種原因，如過熱段爆管、低溫段腐蝕穿孔(高溫硫腐蝕、低溫露點腐蝕)等造成裝置數次停車，嚴重影響正常操作及生產。停車后的修復難度比較大，需要經過工藝吹掃隔離、熱交換器內部清理、試漏、消氫、修復及試壓等環節才能完成。最后一次事故的發生是蒸發段管束泄漏后鍋爐水進入到煙氣之中，由此在換熱管壁溫相對較低局部部位形成露點腐蝕的環境。隨著裝置的運行時間加長，泄漏量也在逐步增加，進一步加劇換熱管的腐蝕直至造成失效。文中對此進行了詳細的分析，并提出了改造方案。

1 余熱鍋爐系統簡介

1.1 系統流程

此余熱鍋爐為煙道式余熱鍋爐，主要由過熱器、蒸發器、汽包及液包等部分組成。鍋爐水通過蒸發器與高溫煙氣換熱，通過汽包產生飽和蒸汽，飽和蒸汽再通過過熱器與高溫煙氣換熱，產生過熱蒸汽后并入蒸汽管網，其工藝流程見圖1。

圖1 改造前余熱鍋爐系統流程圖

從圖1可以看出，①煙氣系統。自廢尾氣焚燒爐來的870 ℃高溫煙氣依次經過過熱器(分為一級過熱器、二級過熱器、三級過熱器)、蒸發器，溫度降低至260 ℃，經煙囪排出。②汽、水系統。自除氧器來的104 ℃鍋爐水進入汽包后，通過在汽包、液包、蒸發器內循環流動與煙氣進行換熱，最終在汽包產生250 ℃的飽和蒸汽。隨后，飽和蒸汽經過過熱器與高溫煙氣進行換熱，產生380 ℃的過熱蒸汽后并入全廠蒸氣管網，為其他裝置提供能源，從而實現了高溫煙氣余熱的利用。

1.2 腐蝕現象

裝置自2008年投用以來，余熱鍋爐連續發生腐蝕泄漏現象，嚴重影響裝置的長周期穩定運行。為保證正常運行，降低設備腐蝕頻次，臨時將裝置排煙溫度由原設計260 ℃提高至315 ℃，結果出現裝置能耗大幅度升高的現象，也由此造成環保不達標及能源浪費等問題，液包泄漏腐蝕情況見圖2。

圖2 余熱鍋爐液包泄漏腐蝕情況

2 余熱鍋爐系統優化改造分析

2.1 理論分析

根據理論分析研究可知，余熱鍋爐系統能夠將煙氣溫度降低至環境溫度。但由于受傳熱效率的限制，實際中是無法實現的。通常情況下，一般氣-氣換熱的溫差在40～70℃，氣-液換熱的溫差為30～60℃[1-2]。

普光氣田天然氣具有高含硫(硫的質量濃度為230 g/m3)特性，當煙氣溫度降低時，煙氣中的含硫氧化物在高溫環境下與冷凝的水結合，在余熱鍋爐受熱面上形成酸性露珠，進而對受熱面金屬造成腐蝕。因此，對于這種工況下的余熱鍋爐系統，設計時需考慮受熱面金屬壁溫比酸性露珠形成溫度點至少高15 ℃(API 560要求8～14 ℃)[3]，才能夠保證設備免受酸性露點腐蝕。

2.2 常規露點腐蝕解決方案[4-6]

2.2.1降低煙氣中的三氧化硫含量

通過在系統流程中增加燃料脫硫、低氧燃燒以及增加吸附劑等工藝手段，從源頭斷絕低溫露點腐蝕的發生，進而降低煙氣出口溫度，最大化地回收煙氣余熱。

此方案的優點是從根本上解決了露點腐蝕發生的可能，但是也存在投資大、對硫磺回收裝置整體改動大、改造周期長以及成本高等缺點，改造的實用性較差。

2.2.2升級受熱面材質

通過選用耐腐蝕性的材料，提高余熱鍋爐抗腐蝕性能，減少發生腐蝕泄漏的頻次，進而延長設備運行時間。目前國內普遍采用此種方案，如省煤器材質采用國內自行研制的ND鋼(GB 150附錄H中的鋼號為09CrCuSb),其具有較好的耐酸露點腐蝕的性能，已經在很多場合得到了廣泛應用[7-9]。

此方案的優點是改造方案簡單、投資少、可操作性好、對現有系統改動量小等，缺點是靠升級換熱管材質來延長設備壽命，并沒有改變余熱鍋爐的腐蝕環境，只能作為輔助改造方案。

2.2.3工藝與設備綜合考慮[10-12]

(1)熱風回流 將高溫煙氣通過旁路引至易發生露點腐蝕的低溫段部分，與低溫煙氣混合后達到提高煙氣溫度，從而避免設備發生露點腐蝕的目的。此方案的缺點是排煙溫度較高、熱回收效率低、余熱浪費等。

(2)增加前置預熱器 通過增加前置預熱器，將進入余熱鍋爐系統的鍋爐水進行預熱，使得鍋爐受熱面金屬壁溫剛好高于煙氣的酸露點溫度，進而在降低排煙溫度的前提下，避免設備發生露點腐蝕。

3 余熱鍋爐系統優化改造方案[13-15]

3.1 改造措施

(1)增加省煤器 降低排煙溫度，提高余熱回收效率。

(2)增加前置預熱器 提高受熱面金屬壁溫，防止發生露點腐蝕。

(3)增加露點監測儀和金屬壁溫熱電阻 實現煙氣露點溫度及受熱面金屬壁溫的監測，確保設備受熱面金屬壁溫高于露點溫度，避免設備發生露點腐蝕。

3.2 改造后系統流程

由于腐蝕，原余熱鍋爐系統設備已經無法使用。在不改變原系統流程的基礎上增加省煤器和前置預熱器，見圖3。

圖3 改造后余熱鍋爐系統流程圖

從圖3可知：①煙氣系統。 自前端來的870 ℃高溫煙氣依次經過過熱器(分為一級過熱器、二級過熱器、三級過熱器)、蒸發器、省煤器，煙氣溫度降低至230 ℃，經煙囪排出。②汽、水系統。 自上游來的104 ℃鍋爐水先經過前置預熱器進行加熱，溫度升高至180 ℃，進入省煤器，與低溫煙氣進行換熱，溫度升高至220 ℃，進入汽包后，通過在汽包、液包、蒸發器內循環流動與煙氣進行換熱，最終在汽包產生250 ℃飽和蒸汽。飽和蒸汽再經過過熱器與高溫煙氣進行換熱，產生380 ℃過熱蒸汽。

3.3 改造方案優點

(1)在原系統中增加1臺省煤器，能夠降低排煙溫度，解決了裝置能耗高、回收熱效率低的問題。同時省煤器換熱管的材質采用ND鋼，其具有較高的耐低溫酸露點腐蝕的性能，提高了余熱鍋爐的可靠性。

(2)在原汽、水系統中增加1臺前置預熱器，對進入省煤器的鍋爐水進行預熱，保證省煤器的換熱管金屬壁溫高于露點溫度，進一步為防止設備發生露點腐蝕提供了保障。

(3)增加1臺省煤器換熱管金屬壁溫熱電阻和煙氣露點測試儀，實現對換熱管金屬壁溫及煙氣露點溫度的有效監控，可以有效確保裝置可靠安全地運行。

4 結語

余熱鍋爐系統改造后，能夠將原設計排煙溫度降低30 ℃，相比原系統能夠多回收余熱約1.5 MW，每年可多節省標準燃料油約1 500 t，年折合節能收入約400萬元。同時，該余熱鍋爐系統改造屬于首臺國產化改造，其成功實施解決了進口設備供貨周期長、維修周期長、成本高等問題，具有巨大的經濟效益及社會效益。通過對該余熱鍋爐系統的改造，不僅能夠有效解決目前余熱鍋爐系統所存在的各種腐蝕失效問題，而且還能夠進一步提高裝置余熱回收效率，為其余11套余熱鍋爐系統改造奠定了良好的基礎。

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