半水煤氣中溫變換系統第一換熱器優化技改小結

吳 杰，白雪峰，吳世家

（山西豐喜華瑞煤化工有限公司，山西新絳 043100）

0 引 言

山西豐喜華瑞煤化工有限公司（簡稱豐喜華瑞） “24·40”項目（240kt／a合成氨裝置、400kt／a尿素裝置）主要利用焦爐煤氣為原料生產合成氨與尿素，由于焦爐煤氣中碳含量較低，為保證尿素生產所需CO2量，采用半水煤氣（固定床間歇式氣化爐制氣）進行補碳；在焦爐煤氣供應不足的情況下，會加大半水煤氣的產氣量，以保證合成氨產量。其中，半水煤氣經濕法脫硫系統脫除H2S后，經煤氣壓縮機加壓至1.8 MPa，利用半水煤氣氧化鋅脫硫槽（精脫硫）將半水煤氣中的有機硫和無機硫進行轉化和吸收，再通過中溫變換爐將半水煤氣中的CO變換為H2和CO2，然后變換氣與經脫硫、轉化、中溫變換后的焦爐煤氣混合，經混合氣氧化鋅脫硫槽精脫硫后進入低溫變換爐，在銅基催化劑的作用下，CO進一步變換，使出口低變氣中的CO含量＜0.3%，以滿足合成氨和尿素生產的需要。

中溫變換系統共有3套——2套供半水煤氣變換用、1套供焦爐煤氣變換用，半水煤氣系統與焦爐煤氣系統共用1套低溫變換系統，屬于典型的中溫串低溫變換工藝。生產中，2套半水煤氣中溫變換系統（并聯）第一換熱器（列管式換熱器）頻繁出現列管腐蝕穿孔而需更換的問題，通過2次優化技改最終使問題得到解決。以下對有關情況作一介紹。

1 半水煤氣中溫變換系統工藝流程簡介

除去油水的半水煤氣進入中溫變換系統第一換熱器殼程，與管程中來自第三換熱器的變換氣進行換熱，半水煤氣溫度由35℃提高至250℃左右，接著進入氧化鋅脫硫槽，將半水煤氣中的有機硫轉變為無機硫并脫除至總硫為微量；脫硫后的半水煤氣進入第二換熱器殼程，與管程中來自變換爐二段出口的變換氣換熱，使入變換爐半水煤氣溫度達到330℃左右；半水煤氣中變爐上段出口變換氣溫度429℃，進入第二換熱器列管內與殼程的半水煤氣換熱，溫度降至400℃，再進入半水煤氣中變爐下段繼續進行CO變換反應，使出口氣CO含量≤3%、溫度升至405℃；之后變換氣進入第三換熱器管程，與殼程來自脫碳工段的堿洗氣換熱降溫至365℃，接著進入第一換熱器管程，與殼程的半水煤氣換熱，溫度降至220℃左右，隨后進入混合氣氧化鋅脫硫槽進一步脫除H2S。

2 半水煤氣中溫變換系統第一換熱器腐蝕問題

豐喜華瑞半水煤氣中溫變換系統第一換熱器腐蝕嚴重，檢修更換頻繁，考察其他同類型企業，也存在第一換熱器腐蝕嚴重、壽命短的問題。以豐喜華瑞2＃半水煤氣中溫變換系統為例，第一換熱器為列管式，材質0Cr18Ni10Ti，換熱面積250m2。豐喜華瑞合成氨裝置于2007年投運，2008年第一換熱器列管就出現腐蝕穿孔，經修補后繼續使用；2009年又拆除更換1臺與原設備相同的新換熱器，舊換熱器送設備廠更換內件；2010年第一換熱器列管又出現腐蝕穿孔現象，隨即更換為2009年送修后返回的那臺換熱器。為尋找第一換熱器列管腐蝕原因，對其進行現場解體檢查，發現腐蝕部位主要集中在冷半水煤氣進口端對面靠近管板的列管上，且腐蝕后的列管失去金屬光澤（變為黑褐色），而其他部位的列管腐蝕程度較輕。

3 第一次優化技改

2＃半水煤氣中溫變換系統第一換熱器原設計為列管式，設計氣量26000m3／h，換熱面積為250m2，繼2010年后，2012年第一換熱器列管又出現腐蝕穿孔。經與設計院討論，分析認為主要原因是冷半水煤氣進口端溫差過大形成熱應力及進口處不銹鋼晶間腐蝕。基于這一分析，經反復討論，豐喜華瑞決定改變第一換熱器結構，將原列管式換熱器更換為U形管換熱器，同時將其換熱面積增至310m2。

U形管換熱器投用后，雖未出現腐蝕問題，但其換熱效果不理想，達不到工藝設計要求：改造前，第一換熱器半水煤氣進口溫度30～40℃、出口溫度240～260℃，變換氣進口溫度310～320℃、出口溫度220～240℃；改造后，半水煤氣進口溫度35℃、出口溫度217℃，變換氣進口溫度362℃、出口溫度262℃。簡言之，本次改造后第一換熱器半水煤氣出口溫度與設計值相差約33℃，甚至變換氣不先經第三換熱器（即經第三換熱器副線直接入第一換熱器），第一換熱器半水煤氣出口溫度仍無法提升至設計值，需借助電爐將半水煤氣溫度提高至設計值。

4 第二次優化技改

4.1 優化技改方案

借助電爐加熱雖然能暫時解決生產問題，但能耗太高，從原列管式第一換熱器的運行情況來看，原第一換熱器（列管式）換熱效果沒有問題，但存在腐蝕問題；從第一次技改后的第一換熱器（U形管式）的運行情況來看，換熱器未發生過腐蝕，有效地解決了熱應力腐蝕問題，但不能達到要求的換熱效果。為從根本上解決問題，豐喜華瑞經自行論證，最終確定的改造方案為：新增1臺小型列管式換熱器，與現有U形管換熱器串聯使用（如圖1），利用新增列管式換熱器保證半水煤氣出口溫度，利用U形管換熱器消除熱應力（降低換熱溫差）。

圖1 新增列管式換熱器后局部工藝流程簡圖

4.2 新增列管式換熱器換熱面積的確定

4.2.1 半水煤氣中溫變換系統物料衡算

以100kmol半水煤氣量進行半水煤氣中溫變換系統物料衡算（半水煤氣組分為實測值，變換后中變氣組分為根據設計溫度衡算后的計算值），詳見表1。

表1 半水煤氣中溫變換系統物料衡算

4.2.2 新增換熱器半水煤氣進口溫度的確定

實際生產中，進第一換熱器的變換氣壓力為1.793MPa，則變換氣中水蒸氣飽和蒸汽壓pH2O＝（53.349÷180.6）×1.793＝0.5297MPa。據《化學化工物性數據手冊（無機卷）》表1.8.3，壓力0.5297MPa下，飽和水蒸氣溫度為146℃，即該壓力下露點為146℃，為避免工藝氣溫度因低于露點而引起設備腐蝕，新增換熱器半水煤氣進口溫度選取150℃，從而確定半水煤氣升溫節點為：在第一換熱器（U形管換熱器）內，半水煤氣溫度由35℃升至150℃；在新增換熱器（列管式換熱器）內，半水煤氣溫度由150℃升至250℃。

4.2.3 新增換熱器變換氣出口溫度的確定

在新增換熱器中，半水煤氣由150℃升溫至250℃，假設變換氣溫度由325℃降至275℃，據半水煤氣中各組分在不同溫度下的標準焓（表2）與表1中半水煤氣與變換氣的組分，利用公式Q＝∑φi·△Hi（式中：Q—工藝氣的熱量；φi—組分i的摩爾體積；△Hi—組分i的標準焓）進行計算：在新增換熱器內，100kmol半水煤氣生成的變換氣（即180.6kmol中變氣）由325℃降溫至275℃放出熱量75400kcal，100 kmol半水煤氣由150℃升溫至250℃吸收熱量72906kcal，熱損失為（75400－72906）／75400×100%＝3.3%，在合理范圍內，假設成立。

表2 半水煤氣各組分不同溫度下的標準焓 kcal／kmol

在第一換熱器（U形管換熱器）中，仍然利用公式Q＝∑φi·△Hi進行計算：100kmol半水煤氣生成的變換氣（即180.6kmol中變氣）由275℃降溫至220℃放出熱量Q1＝81632 kcal，100kmol半水煤氣生成的變換氣 （即180.6kmol中變氣）由276℃降溫至220℃放出熱量Q1′＝83150kcal；而100kmol半水煤氣由35℃升至150℃吸收熱量Q2＝82080kcal，Q1＜Q2＜Q1′。簡言之，在第一換熱器中，半水煤氣溫度由35℃升至150℃時，中變氣溫度可由275℃降至220℃，計算誤差在合理范圍內。

4.2.4 傳熱系數計算

雖然第一次改造后的U形管換熱器設計換熱面積為310m2，但其換熱效果遠低于原換熱面積為250m2的列管式換熱器；從原列管式換熱器的運行經驗來看，250m2的換熱面積是可以滿足換熱需求的，故將第一換熱器（U形管換熱器）與新增換熱器（列管式換熱器）作為一個整體，以“有效總換熱面積”為250m2進行設計計算。

半水煤氣設計氣量為26000m3／h，半水煤氣進口溫度為35℃，出口溫度為250℃，變換氣進口溫度為325℃，出口溫度為220℃，則對數平均溫度差△t＝（△t2－△t1）／［ln（△t2／△t1）］＝128℃（△t1＝325－250＝75℃，△t2＝220－35＝185℃）。利用表1與表2有關數據計算可得26000m3／h半水煤氣由35℃升溫至250℃所需熱量為7704309.74kJ／h，即2140086W，據傳熱方程式Q＝K·A·△t（式中：K—總傳熱系數；A—換熱面積）計算得新增換熱器的總傳熱系數為67W／（m2·K）。

4.2.5 新增換熱器換熱面積計算

在新增換熱器中，半水煤氣溫度由150℃升至250℃，變換氣溫度由325℃降至275℃，對數平均溫度差△t′＝（△t3－△t1）／［ln（△t3／△t1）］ ＝100℃（△t1＝325－250＝75℃，△t3＝275－150＝125℃）。利用表1與表2有關數據計算可得26000m3／h半水煤氣溫度由150℃升至250℃需要的熱量為3540974.3kJ／h，即983604W，據傳熱方程式Q＝K·A·△t計算得新增換熱器的換熱面積為146.81m2，考慮10%的余量，其換熱面積取160m2。

5 系統運行情況

2013年，2＃半水煤氣中溫變換系統第一換熱器（U形管換熱器）后串聯（新增）1臺小型列管式換熱器后，運行至今，第一換熱器再未發生腐蝕問題，不但徹底解決了原設備運行周期只有1.5a的問題，還保證了換熱效果。技改前后2＃半水煤氣中溫變換系統有關運行數據的對比見表3（注：半水煤氣總量為23041m3／h，分別進入2套半水煤氣中溫變換系統，2套半水煤氣中溫變換系統均低負荷運行，目的是延長中變催化劑的使用壽命）。可以看出，在第一換熱器后串聯（新增）小型列管式換熱器前后進系統半水煤氣氣量和蒸汽量沒有大的變化，但中溫變換系統半水煤氣出口溫度提高至249℃，保證了氧化鋅脫硫床層的反應溫度。

表3 技改前后2＃半水煤氣中溫變換系統有關運行數據

6 結束語

2013年，豐喜華瑞對其2＃半水煤氣中溫變換系統進行了增設列管式換熱器的技改后，中溫變換系統出口半水煤氣溫度達到工藝指標要求，原第一換熱器（原列管式換熱器）平均更換周期為1.5a，平均單價40萬元，則改造后每年可節約設備更換費用約26.6萬元。2015年，豐喜華瑞對1＃半水煤氣中溫變換系統第一換熱器也進行了類似改造。迄今2套半水煤氣中溫變換系統第一換熱器均未出現腐蝕，換熱效果也很理想，U形管換熱器＋列管式換熱器的技改方案對解決第一換熱器因熱應力而引起的腐蝕穿孔及U形管換熱器“有效換熱面積”不足問題極其有效，可為業內提供一些參考與借鑒。