600 kt/a硫黃制酸裝置冷熱換熱器修復實踐

田文軍

（云南磷化集團海口磷業有限公司，云南昆明650113）

云南磷化集團海口磷業有限公司（以下簡稱海口磷業）600 kt/a硫黃制酸裝置采用“3+1”二轉二吸制酸工藝并配有低溫位熱能回收系統（HRS）。該裝置的冷熱換熱器（以下簡稱換熱器）管束因腐蝕出現泄漏，導致部分SO3煙氣短路進入轉化器四段，影響二次轉化的轉化率，導致二吸塔出口的SO2濃度上升、尾氣處理成本增加、裝置產能不達標等問題。筆者結合海口磷業硫黃制酸的實際生產情況，對換熱器泄漏的主要影響因素進行了分析，提出了提高換熱器使用壽命的建議，并詳細介紹了換熱器的修復過程，供其他企業借鑒。

1 換熱器結構

海口磷業600 kt/a硫黃制酸裝置采用的換熱器結構示意見圖1。

圖1 換熱器結構示意

高溫SO3煙氣從上部進入換熱器管程，經換熱降溫后去吸收塔；從吸收塔出來的煙氣經過除霧器除霧后進入換熱器殼程，與管程的高溫SO3煙氣進行換熱。

2 換熱器泄漏的原因分析

2.1 酸霧冷凝腐蝕

換熱器殼程的煙氣來自吸收塔，當吸收塔內部的除霧器出現花板穿孔、酸杯液封失效、纖維床層出現短路等情況導致除霧效率下降，或分酸器出現腐蝕，吸收酸的濃度或溫度、入塔煙氣溫度異常導致酸霧量超過除霧器的處理能力時，煙氣攜帶的酸霧會在換熱器殼程處冷凝，對換熱器冷煙氣進口側附近的管板、管束、筒體等部位產生腐蝕，隨著時間的累積，最終造成管束腐蝕破損。對于這種結構形式的換熱器，其泄漏點一般在靠近冷煙氣進口側，管程的三氧化硫煙氣泄漏進殼程與吸收塔來的冷煙氣接觸形成冷凝酸，進而加速換熱器的腐蝕。

2.2 露點腐蝕

以該600 kt/a硫黃制酸裝置為例計算進出換熱器的煙氣露點，換熱器工況參數見表1。

表1 換熱器工況參數

盧欽斯基運用相平衡回歸的露點計算公式為[1-2]：

1）當pH2O＞1.102pSO3，冷 凝 酸w(H2SO4)≤98.3%時：

2）當pH2O＜1.102pSO3，冷 凝 酸w(H2SO4)≥100%時：

式中：pH2O——氣相中H2O的分壓，Pa；

pSO3——氣相中SO3的分壓，Pa；

T——露點，K。

當地大氣壓為79.1 kPa，根據表1中換熱器的工況參數計算管程、殼程的煙氣露點：

1）管程煙氣露點：pH2O＜1.102pSO3，則T=1 000÷[3.085 97-0.088 8ln(105 100×0.012%)-0.032 04ln(105 100×10.41%)]=390(K)。

2）殼程煙氣露點：pH2O＞1.102pSO3，則T=1 000÷[2.838 82-0.065 2ln(926 00×0.013 4%)-0.048 77ln(926 00×0.001%)]=373(K)。

由上述計算可知，與換熱器接觸的煙氣露點在100～117 ℃，而換熱器的工作溫度在70～450 ℃，在煙氣溫度低于露點的區域會發生露點腐蝕。另外，裝置開停車期間煙氣溫度較低，也易發生露點腐蝕。

3 提高換熱器使用壽命的措施

提高換熱器的使用壽命，通常采取以下措施：

1）在冷煙氣進口側加裝冷凝酸收集槽定期排酸、在冷SO2煙氣進口側安裝護板、煙氣管束噴鋁或滲鋁，在一定程度上可以減少冷凝酸腐蝕。

2）對吸收塔除霧器進行升級，采用進口高效纖維除霧器，除霧效率達到94%以上，雖然所需的成本較高，但可明顯提高除霧效果。

3）在冷SO2煙氣進口側加裝二級除霧器，提高除霧效率。

4）在冷SO2煙氣進口側增加煙氣加熱器，使煙氣在與換熱器管束接觸前，將溫度提高至露點以上，避免低溫腐蝕[3]。

盡管上述措施可以在一定程度上降低換熱器的腐蝕速率，但換熱器腐蝕泄漏的情況仍然較為普遍，都會面臨如何修復的問題。冷換熱器的修復安排在裝置大修期間進行，在腐蝕損環面積較小的情況下，一般采取封堵管束的方式進行處理，但當封堵的列管超過一定數量后，裝置會出現設備阻力升高、生產利用率和熱量利用率下降等問題。

為了使裝置恢復設計能力，需要對換熱器損壞的管束、管板等部件進行更換。若對換熱器進行整體更換，未損壞部分的管束被一同更換，沒有發揮出最大的效能，經濟性大打折扣；若采用注膠修補的方式對損壞的部件進行修復，不僅會使換熱器失去部分換熱能力，還會增加其再修復的難度；若對換熱器局部的管束進行更換，則存在操作難度大、耗費時間長的問題。經綜合考慮，海口磷業決定采用投資回報率更高的修復方式，只對腐蝕損壞的列管或管板進行更換，以獲得更高的利用率，同時降低了施工難度。

4 換熱器的腐蝕情況

因該換熱器盲堵管束較多，計劃大修時實施泄漏管束的更換，在裝置吹凈降溫后對換熱器進行檢查，發現靠殼程進口側的下管板腐蝕嚴重。盲堵及泄漏的管束共計360根，主要分布在殼程進口側，損失換熱面積達15%以上，列管穿孔的位置集中在下管板上方300～500 mm位置，酸泥厚度約為400 mm，管束其余部位無明顯腐蝕。根據現場情況，檢修人員計劃在更換泄漏管束的同時，對下管板腐蝕部分進行更換。

5 換熱器修復過程

5.1 檢修準備階段

在檢修準備階段，需做好以下工作：

1）做好管道支撐后割除換熱器頂部變徑段及3 m煙氣管道，以便于更換管束。

2）割除殼程進口煙氣管道，以便于清理換熱器殼程酸泥。

3）在筒體上折流板附近的位置開1 000 mm×1 500 mm方形人孔。

4）根據目測或打壓找出腐蝕及泄漏的管束并做標記，繪制損壞管束分布示意圖（見圖2），其中損壞管束用填充色表示，根據圖示規劃更換區域。

5.2 抽管及管板加工

從殼程外緣第一排管束開始清理下管板處的酸泥，從下管板上方50～100 mm處割斷管束，并將管束從折流板處割斷成兩截。在上管板處將管束焊縫割除，分段將上部管束往下抽出、下部管束往上抽出。

按圖2所示區域從外到里順次逐排完成清理—割管—抽管，循環操作，直到完成所有抽管工作。

圖2 換熱器損壞管束分布示意

檢查管板的腐蝕情況，確定更換區域，用新的管板按圖3所示進行切割加工，對腐蝕區域進行替換。

圖3 換熱器管板加工示意

5.3 管束及管板修復安裝

按下述步驟進行新管束及管板的安裝：

1）下管板所有焊接位置打磨45°坡口、上管板管口及折流板管口打磨平整。

2）將多組新管束從上管板穿入，在折流板處進行對位。對新加工的下管板進行多孔定位，拼接錯位最大不超過3 mm，將管板焊接固定。

3）管板采用J507焊條焊接，焊條經300～350 ℃烘干，保溫1～2 h，烘干后放入焊條保溫桶存放。焊接前對管板焊縫處進行高溫脫硫處理，焊接時采用逆向分段焊接，減少變形。

4）使用吊車將管束吊起，從上管板進行穿管，折流板處、下管板處配合進行對位，可制作專用吊具一次起吊多根管束。在穿管完成后點焊固定，穿管、焊接分批次進行以提高效率。

5）滲鋁管采用專用A312SL滲鋁鋼焊條焊接，保持焊縫、熔合線和滲鋁層三者的連續性，保證焊縫、熔合線同滲鋁層具有匹配的耐熱抗腐蝕性能。

6）恢復殼體后進行氣密性試驗再次找補漏，直至打壓合格。

5.4 管程噴砂清理

換熱器使用一個周期后，因煙氣腐蝕等問題，管束內壁會附著粉塵、鐵銹、酸泥等，將導致管壁有效通流面積減小、設備阻力增大、總傳熱系數減小、熱效率降低等問題，因此在大修期間需要使用鐵砂對管束進行噴砂清理，噴砂采用0.6～0.7 MPa壓縮空氣為動力。

6 換熱器修復效果

在裝置大修期間通過對換熱器降溫、換管修復、噴砂清理以及氣密性試驗，歷經30天使裝置恢復了正常運行，實現了滿負荷生產，設備阻力、換熱器進出口煙氣溫度均達到設計要求。換熱器修復前后現場情況見圖4～6，運行參數見表2。

圖4 修復前冷SO2煙氣進口側列管

圖5 修復后冷SO2煙氣進口側列管

圖6 修復后上管板完成穿管情況

表2 換熱器修復前后運行參數

7 結語

對于硫酸裝置而言，冷熱換熱器具有管束易被腐蝕的特點，其修復難度較大。海口磷業通過對換熱器結構和腐蝕泄漏的原因進行分析，采取局部管束抽管更換、管板局部切割更換及管束內管噴砂清理等措施，對換熱器進行了修復。實踐表明，該修復方法對冷熱換熱器的設備結構、換熱效率、再修復性影響較小，能較大限度提高設備的使用價值，值得借鑒。