制氫裝置轉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有限公司；2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

山東華星石油化工集團有限公司（簡稱華星公司）的20 000Nm3/h制氫裝置轉化氣廢熱鍋爐，自2011年8月投用至2016年3月間出現過4次換熱管泄漏故障（2012年、2013年、2014年檢修堵漏，2016年3月搶修堵漏），其中3次檢修打壓時泄漏部位為出口管端的角焊縫，立即分別進行了堵漏。2016年10月對該設備進行了緊急更換，但是在2019和2020年檢修該設備時仍發現20根換熱管有內漏現象，再次停車進行堵漏。此故障引起廢熱鍋爐反復停車和維修，給華星公司造成了很大的經濟損失。另外，國內其他企業制氫廢熱鍋爐（包括引進的大型制氫裝置的廢熱鍋爐）都曾被報道過運行中出現的故障。近年來，甲醇、煤制氣等諸多裝置中也多有轉化氣廢熱鍋爐的故障報道。因此，廢熱鍋爐的穩定運行已成為整個制氫工藝中至關重要的環節。

為了解決20 000Nm3/h制氫裝置轉化氣廢熱鍋爐存在的問題，華星公司委托有多年實際生產經驗的專業設計制造公司，根據設備的實際運行情況重新設計制造一臺全新的轉化氣廢熱鍋爐，更換原故障頻發的老設備，到目前新設備運行良好，未發現任何故障的發生跡象。為杜絕同類設備出現類似故障，筆者將原轉化氣廢熱鍋爐改造要點做一總結，對國內類似設備的改進大有裨益。

1 設備概況

轉化氣廢熱鍋爐是20 000Nm3/h制氫裝置的下游設備，高溫轉化氣經轉化爐出口直接進入廢熱鍋爐。該廢熱鍋爐的操作與設計條件見表1。

表1 轉化氣廢熱鍋爐的操作與設計條件

2 設備改造要點

為了從根本上消除原設備存在的弊端，改造單位從設計到制造采取多項措施來保證新設備的質量。

2.1 設計單位選擇

華星公司選擇有實際經驗的專業設計制造一體化供貨商——天華化工機械及自動化研究設計院有限公司（簡稱天華院）承擔此次改造任務。天華院具有很強的專業設計制造能力，編撰了GB/T 151—2014《熱交換器》附錄中“撓性管板”一節。在重新設計的過程中，天華院結合原廢熱鍋爐的實際運行情況進行分析計算，在不改變外形尺寸的基礎上，對其內部結構進行了優化設計。

2.2 設計改進

在本次設計中，前、后管板采用應力分析法設計、設備整體按常規設計，充分考慮了熱應力的影響，并分別對3種極限工況進行強度核算分析，保證設備運行的安全性。

2.2.1 嚴控熱端管口的熱流密度

利用內窺鏡對原廢熱鍋爐換熱管內部進行檢查，發現部分管束內部有催化劑粉末結垢（圖1），甚至有些管束內部已被腐蝕穿透。由于工藝氣中含有CO2和H2O，在換熱管內部結垢后，靠近后管箱的地方容易形成垢下碳酸腐蝕，進而換熱管內表面形成麻坑，管壁減薄，長時間則會發生換熱管內部泄漏［1］。

圖1 換熱管內部結垢情況

由結合實際運行工況的計算結果可知，正常操作時進入廢熱鍋爐的工藝氣流量較之設計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計中，過大的換熱面積只要通過中心旁路閥調節滿足出口溫度即可，但是在此項設計計算中出口流速和換熱管長度都會對廢熱鍋爐的運行造成很大的影響。因此，在重新設計計算時，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也隨之增加，此時容易發生膜態惡化傳熱現象。因此，必須嚴格控制熱端管板管口的熱流密度，即控制流速成為設計過程中必須重視的一個重要環節。通過反復計算選擇后，新設計參數在各個工況下，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，通過調節換熱管規格、適當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間，從而達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構

原設備前、后管板選用的是強度焊+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用，但經實踐證明，此種方法易發生“尺蠖幼蟲”破壞現象［2］。目前，國內外采用比較多的是“內孔焊”和“全深焊透”結構：內孔焊的施工與質量控制的難度均較大，尤其在管板兩端無法實施，冷端管板的焊縫區還是破損高發部位，此工藝的工期較長；全深焊透的質量不易控制，對焊接工作人員水平要求高，此工藝的工期較長。天華院設計人員開發的深孔焊工藝，既能保證焊接質量，又節省時間，到目前該工藝已被成功應用到數百臺廢熱鍋爐制造中。因而，此次廢熱鍋爐的改造中就選擇了這種深孔焊結構。

2.2.3 熱端管板管口采用熱保護技術

由于高溫和高速的氣流沖蝕，高溫側管板與換熱管的連接處會出現應力集中，也是最薄弱的部位。原廢熱鍋爐選用的是陶瓷性保護套管，但是在熱沖擊下陶瓷套管容易破裂，故此次改造時選擇了耐高溫的金屬保護套管。在原廢熱鍋爐設計中管板與管箱中耐火材料的外側有層金屬防護襯板以防止工藝氣體沖刷耐火材料，但是在高溫環境下此保護襯板的焊接接頭處易開裂甚至脫落，進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，在耐火材料的外側選擇了耐磨強度更高的重質澆注料，它能替代防護襯板有效防護高溫氣體的沖刷。

2.3 制造管控

原廢熱鍋爐的換熱管與管板焊接處頻發泄漏，除了設計方面存在弊端外，制造方也負有一定的責任。在本次廢熱鍋爐改造中，天華院以完整的質量保證體系和專業化的匠人施工隊伍，從細節到整體全面保證設備的制造質量。

3 結束語

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

轉化氣廢熱鍋爐既非普通的換熱器，也非一般的鍋爐設備，設計和制造都有其專業獨特性，建議該類設備的設計供貨應由專業公司承擔，這樣才能保障生產運行安全平穩。目前，國內轉化氣廢熱鍋爐的設計和供貨已形成專業化的隊伍，可以很好解決制氫等行業中類似的故障問題。