大型磷酸裝置石墨換熱器國產化技術研究

張云川

（云南天安化工有限公司磷肥制造中心，云南 安寧 650309）

1 概述

在磷酸裝置濃縮生產系統中，石墨換熱器是最關鍵的設備之一，它能否正常有效運行，對整個磷酸生產系統的生產狀況有較大影響。因此，各磷酸生產單位均對石墨換熱器的生產和維護十分重視。

云南天安化工有限公司磷肥制造中心國產化示范項目二期30萬t/年濕法磷酸裝置始建于2007年，因當時國內各石墨換熱器廠家均無大型石墨換熱器生產能力，故本裝置4套100kt/a濃縮生產系統的4臺石墨換熱器（設備位號E0301A/B/C/D）均選用法國卡朋羅蘭公司生產的設備，于2007年7月投用。在長周期滿負荷的運行下，4臺換熱器都發生了不同程度的列管堵塞及破損現象，嚴重制約了磷酸裝置的正常運行，給公司造成了較大的經濟損失。

2 進口換熱器損壞情況及存在問題

2.1 進口換熱器技術參數

設備型號：PYTIC70 733/φ51/38×7560。

外形尺寸：φ1636×11256。

石墨列管：φ51/38×77560-733（根）。

換熱面積：716.4m2。

生產能力：100kt/a。

操作溫度：管程80℃，殼程125℃。

操作壓力：管程0.3MPa，殼程0.2MPa。

2.2 損壞情況

4臺進口石墨換熱器隨使用年限增長，已有不同程度損壞：A系列堵管169根，B系列堵管65根，C系列堵管68根，D系列堵管78根，每臺換熱器列管總數為733根，堵管比例為：A系列23.06%，B系列8.87%，C系列9.28%，D系列10.64%,而石墨換熱器的設計允許堵管比例為5%～10%，根據上述情況石墨換熱器AD系列已經對生產產生嚴重制約并存在極大隱患。

2.3 存在問題

（1）換熱器因大面積堵管較多，造成管板受熱不均，生產過程中，在熱脹冷縮的外力作用下，A系列換熱器上管板被拉裂，已無法徹底修復，運行中仍會滲酸，每次清洗時，在試漏過程中都會出現滲漏和冒泡現象，需再次涂抹膠泥消漏，耗時8～12h，難以按公司核定的計劃停車時間恢復生產。

（2）2021年1月，裝置消缺檢修期間發現下管板表面碳纖維層大面積脫落，隨著保護層的脫落，后續管板的磨損將會加劇，對濃縮系統的穩定運行造成了故障隱患。

（3）換熱器下封頭為碳鋼襯膠材質，目前，碳鋼部件的密封面已腐蝕嚴重，無法徹底消除漏點，運行中隨時有泄漏風險，難以管控，給系統正常運行生產帶來了一定的影響及有較大的環保風險。

3 國內外石墨換熱器的對比

鑒于該裝置進口石墨換熱器現有的故障因素，已導致裝備性能下降，進而制約了磷酸的正常生產，對其進行更新改造已刻不容緩。因其在生產環節中的重要地位，對它的更新改造必須慎之又慎，下面從幾個方面對進口設備、國產設備進行對比，來論述石墨換熱器國產化改造的可行性。

3.1 生產技術對比

現在國內石墨換熱器的生產技術已較為成熟，已縮小了與進口設備的差距，主要表現如下。

（1）開發了增強不透性石墨材料，擴大了換熱器的應用范圍。不透性石墨材料的增強技術在國外已得到了較為廣泛的應用，如采用碳纖維增強列管式石墨換熱器的石墨管和石墨管板，及開發表面涂敷耐磨陶瓷氧化物涂層的石墨材料等新技術。現在國內石墨換熱器廠家研制出的擠壓浸漬石墨管，其強度性能基本達到德國西格里及法國卡朋羅蘭等公司的增強石墨管的性能，從而大大提高了石墨換熱器的抗熱震性、抗腐蝕性和抗裂性，拓展了石墨換熱器在高溫、高壓環境中的應用范圍。

（2）開發化工專用石墨材料。國外十分注重發展細顆粒、低孔隙率、高強度的石墨材料，國外碳素生產公司制造的化工專用石墨坯材的顆粒度在0.1～0.3mm。化工專用石墨材料顆粒細、密度高、機械強度和換熱性能好。目前，國內各碳素材料生產廠經過研發努力也生產出了高強度、細顆粒的化工專用石墨，粒度在0.2～0.5mm，從而徹底改變了制造化工用石墨使用冶金電極石墨材料的狀況。

（3）開發出一批大規格、高參數石墨換熱器。國外石墨換熱器的規格大型化、性能高參數化趨勢十分明顯，為此，我公司一、二期“836”等大型國家重點建設項目在建設時期均專門從法國卡朋羅蘭公司購進年產100kt/a的大型石墨換熱器。現在，國內各石墨換熱器生產廠隨著制造技術的逐漸成熟，南通京通石墨設備有限公司已能生產出年產150kt/a的大型石墨換熱器。并在培燒、浸漬和石墨化處理工藝方面進行了有益的探索，大大緩解了國內大型石墨換熱器需求方面的矛盾。

3.2 使用情況對比

我公司一期30萬噸磷酸裝置原設計3臺石墨換熱器均為法國卡朋羅蘭公司制造的生產能力100kt/a的石墨換熱器，面積為758m2，于2005年2月投用。開車初期，使用效果較好，清洗周期為25～28天，可加入蒸汽35t。但隨著使用年限的增長，列管堵塞的增多，裝備性能持續下降，后期已只能運行15～20天，加入蒸汽量也縮減為30t。

2013年9月和2014年11月，我們分別對故障隱患較大的E0105A/C兩臺石墨換熱器做了國產化改造。改造后，清洗周期達到30天，有效提高了設備運行率，且運行平穩。每次正常清洗12h，人工檢修清理4h既可再次投入運行，檢修工作量小。原設備最大蒸汽加入量為35t，改造后最大可加入40t蒸汽，提高了濃縮能力，原出酸量為12～15m3/h，改造后出酸量為17～20m3/h，按單臺換熱器每年運行300天計算，一年可增加產量3.6萬 t。

3.3 價格對比

我公司年產能力100kt/a的法國卡朋羅蘭公司制造的石墨換熱器價格約750萬元/臺，約10000元/m2。一期國產化改造的石墨換熱器價格為140萬元/臺，價格約1500元/m2，是進口設備價格的1/5。

3.4 對比結論

通過幾個方面的對比，我們可得出結論：目前國產換熱器制造技術已趨于成熟，工藝操作與進口換熱器無差別，雖外形較大（可通過調整安裝位置解決），但相較其低廉的價格與服務的及時性，對換熱器實施國產化改造，是值得的，也是切實可行的。鑒于國產換熱器的使用業績、使用效果及生產制造規模，國產換熱器已完全能取代進口換熱器。

故本次我公司決定對損壞情況較為嚴重的E0301A石墨換熱器進行國產化改造。

4 國產石墨換熱器的選型

4.1 E0301A現用設備工藝參數（如表1）

表1 進口石墨換熱器參數

4.2 國產石墨換熱器的材料選型

鑒于目前設備安裝位置結構為鋼混結構，安裝位置受限，本次采購的新設備外形安裝尺寸需考慮現有安裝基礎，需與原設備基本保持一致。本次更新的設備石墨列管材質擬選用浸漬管，其性能略優于原進口設備焙燒管，從而保證在保障設備換熱效率的同時，其設備外形安裝尺寸與原設備基本保持一致。石墨列管材料性能參數對比如表2。

表2 石墨列管材料性能對比

4.3 國產石墨換熱器的結構選型

經與國內多家石墨換熱器制造廠家做技術交流探討，對比各生產廠家的生產技術、生產情況及在磷酸行業的使用業績，結合我公司的實際情況，我們最終選定江蘇南通京通石墨設備有限公司作為我公司本次石墨換熱器國產化改造的生產廠家。該公司生產的換熱器結構型式如圖1。

圖1

管板材料采用改性酚醛樹脂浸漬石墨，厚度≥500mm。下端管板（磷酸進口端）設置防磨板，防止固體物對管板沖擊造成磨損。列管材料為酚醛浸漬石墨擠壓管。上管箱主要材質采用碳鋼襯膠，襯膠材質為天然橡膠硫化（D3硬質膠）。殼體上段材質為碳鋼，下段1.5m材質為316L。下管箱材質為2205雙相不銹合金鋼。下管箱兩段之間設置2205材質的錐形濾網，濾網厚度為8mm。

管束裝在碳鋼外殼內，一端的固定管板與碳鋼外殼和上封頭由螺栓連結在一起；另一端浮動管板的一端套在鋼制外殼和下封頭內由螺栓連接。允許管束和浮動管板相對固定管板兩者之間軸向生產相對移動，以消除受熱時由于石墨與碳鋼外殼膨脹系數的不同而引起的相對位移對設備可能造成的損壞。管板與鋼制外殼之間以及管板與鋼襯膠封頭之間有平墊密封，浮動管板與下封頭間還有“O”型圈輔助密封。

4.4 國產石墨換熱器換熱面積的計算選型

4.4.1 換熱器結構參數

壓型石墨管：793根，Φ50/Φ36x6540mm。

三角形排列，間距59mm。

石墨管導熱系數43w/m.℃。

設備結構：直徑Φ1900，管板厚度～500，折流板間距～500，缺口25%；管程程數：1程。

在計算設備總熱負荷、確定設備選型后（初步確定管子規格尺寸、殼體尺寸、程數、流速），通過流體有關性質參數（如密度、動力黏度、運動黏度、導熱系數、比熱等）及流速來計算并最終確定換熱面積。

4.4.2 計算換熱面積

根據生產要求（如熱負荷、物料終始溫度等）來確定所需換熱器的傳熱面積。此時，通常采用傳統的“平均溫差法”。即通過計算平均溫度差（ΔTm），利用傳熱基本方程式來計算。

即由Q=KΑΔTm

式中，Q為傳熱量，W；A為換熱面積，m2；K為總傳熱系數，W/（m2·K）；ΔTm為平均溫度差，℃。

其中，ΔTm的計算按照兩流體流向為逆流關系而定：

式中，T1、T2為熱流體的進口及出口溫度，℃；t1、t2為冷流體的進口及出口溫度，℃。

代入相關數據可得Α=772m2

4.4.3 國產換熱器相關數據（如表3）

4.5 結論

由表1（進口石墨換熱器參數）和表3（國產石墨換熱器參數）對比可知，各項技術參數比較接近，個別參數甚至優于操作要求。我們得出對論：通過對石墨換熱器進行技術研究，對其做國產化改造是可行且穩定可靠的。

表3 國產石墨換熱器參數

5 結語

江蘇南通京通石墨設備有限公司生產的GHC1900-772型石墨換熱器已于2022年5月到貨，我們于6月2日對其做了水壓試驗，在試驗壓力0.6MPa保壓30min,在設計壓力0.4MPa保壓40min，設備無滲漏，無可見異常變形，無異常響聲，試驗驗收合格，見圖2。

圖2

現計劃按公司總體部署安排，結合裝置生產情況擇機對設備故障隱患較大的E0301A石墨換熱器進行國產化更新改造。