硫酸裝置間接升溫系統空氣預熱器損壞原因分析與改進

張永云

（云南三環中化化肥有限公司，云南昆明 650113）

云南三環中化化肥有限公司二期800 kt/a 硫磺制酸裝置由云南化工設計院采用EPC 工程項目管理方式建設，裝置工藝流程采用孟莫克PFD 工藝包設計，為“3+1”兩轉兩吸工藝，項目于2011年11月建成投產。項目中轉化升溫、吹凈采用了空氣間接升溫系統，分別對轉化器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段床層催化劑進行升溫、吹凈；該間接升溫系統較直接升溫系統，有效避免了油煙及燃燒不完全的炭黑、燃燒產生的水分對催化劑活性、強度的影響，較好地保護了催化劑，在制酸裝置中得到廣泛運用。但空氣間接升溫系統中空氣預熱器因使用工況惡劣、受材料耐溫性能、工藝控制操作等因素影響，常發生高溫煙氣側管板、換熱管、耐火材料襯里、套管損壞失效問題。本文就800 kt/a 硫磺制酸裝置所使用空氣預熱器失效原因分析，改進、措施制定進行研究、探討。

1 間接升溫工藝及空氣預熱器

1.1 間接升溫工藝

二期800 kt/a 硫磺制酸裝置轉化催化劑升溫、吹凈采用了間接升溫工藝，為硫酸生產轉化工序提供轉化器開車、停車吹凈所需干燥熱空氣；其工藝為燃燒風機提供的5 kPa 空氣和2.5 MPa 的柴油通過燃燒器在燃燒爐霧化、混合充分燃燒，并在摻冷風機產生的摻冷風的摻混下，將進入空氣預熱器下氣室的熱煙氣溫度控制在680℃以下。燃燒產生的熱煙氣通過空氣預熱器換熱管管程同殼程來自干燥塔80℃的干燥空氣進行逆流換熱；換熱降溫后250℃熱煙氣從設備頂部煙囪排出，換熱升溫至450℃的干燥空氣，分別進入到轉化器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ催化劑床層進行升溫或吹凈，滿足工藝需求；轉化升溫結束時，系統轉入投料生產前，須關閉進入轉化器Ⅰ至Ⅳ段床層的閥門并插入盲板防止蝶閥閥門存在的內漏；裝置停車大修，轉化吹凈時，須抽出Ⅰ至Ⅳ段盲板，并開啟閥門，用升溫的干燥熱空氣對床層吹凈。

1.2 空氣預熱器設備概況

空氣預熱器設備是間接升溫系統里的關鍵核心設備，設備尺寸為Φ3 900×19 200 mm，換熱面積F=2 315 m2，結構形式為圓柱立式低阻、高效碟環折流板管殼換熱器，其管程下氣室同燃燒爐連接，熱煙氣進口溫度680℃，出口排空煙氣溫度250℃；殼程進口80℃的干燥冷空氣從上管板中心進氣，逆流換熱至450℃從下管板上方側向出氣。為防止進口高溫煙氣對設備材料性能的影響，下管板及中心筒支撐材質選用了0Cr19Ni10奧氏體不銹鋼，下氣室及中心筒支撐采用了GG-0.6硅藻土隔熱耐火磚和LZ-55高鋁耐火磚結構；下管板下方設置有δ=100 mm 的耐火澆筑料，同時下管板換熱管進口設置有Φ58×160 mm 莫來石剛玉套管，使熱煙氣進入換熱管后能有效傳熱給干燥空氣，有效降低管板、換熱管、焊接接頭溫度，避免熱沖擊對設備造成的影響。

2 空氣預熱器設備使用中存在的問題

空氣預熱器設備于2013年12月投入使用，最近一次使用時間為2022年10月18日二期硫酸裝置大修后裝置恢復開車轉化升溫使用；二期裝置恢復開車后，發現放空氣預熱器排放煙囪出口有白色SO2、SO3氣體逸出異常現象，殼程排污排除冷凝酸和SO2、SO3白色氣體。為進一步排查設備缺陷原因，對空氣預熱器設備管程上下氣室人孔進行拆卸，對上下管板、換熱管進行檢查，發現下管板剛玉套管、耐火材料出現大面積脫落、破碎損壞失效；其次下管板中心支承柱耐火磚襯里坍塌脫落。

拆除下管板莫來石剛玉套管、耐火材料，進一步檢查，發現管板斷裂部位存在2處，斷裂面尺寸為300 mm×10 mm，部分換熱管在管口部位附近呈環狀斷裂、蠕化變形、經清點換熱管斷裂缺陷數量119根，占總換熱管比例9%。

空氣預熱器已不具備使用功能，需進行設備失效原因分析，制定措施修復設備，滿足后續生產工藝要求。

3 原因分析、查找

針對空氣預熱器排空煙囪有SO2、SO3氣體，殼程排除冷凝酸和SO2、SO3白色氣體，下管板莫來石剛玉套管、耐火材料出現大面積脫落、破碎，下管板、換熱管斷裂、蠕化現象，結合操作運行數據情況，進行討論分析，造成問題的原因如下。

3.1 空氣預熱器超溫運行

換熱管、管板損壞的直接原因是超溫導致；由于超溫，空氣預熱器的主要部件管板、換熱管、中心筒支撐等金屬材料蠕變加速、強度下降、應力腐蝕，最終金屬材料失效。換熱管材質為20G 滲鋁管，在GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準中查閱到20G 材料，其使用溫度不超過450℃；管板材質為06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼，在GB 150.2—2011《壓力容器第2部分：材料》中查閱到06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼材料，其使用溫度不宜超過700℃。當換熱管、管板溫度超過其耐溫極限，將產生熱應力集中及內應力不均勻分布，從而造成換熱管蠕化、斷口、焊接接頭脫焊、管板變形、斷裂問題。為進一步驗證此觀點，查閱調取了2022年10月18日—10月22日轉化升溫預熱器入口熱煙氣溫度趨勢曲線、預熱器出口空氣溫度趨勢曲線詳見附圖1、圖2所示。

圖1 預熱器入口熱煙氣溫度趨勢曲線

圖2 預熱器出口空氣溫度趨勢曲線

從圖1和圖2可以看出，本次升溫操作，預熱器入口熱煙氣溫度最大操作至755.19℃，大于工藝操作規程680℃要求；出口空氣溫度最大到了499.99℃，同樣大于工藝操作規程450℃要求。

3.2 空氣預熱器升溫、降溫速率過快

空氣預熱器由于初始、停爐等環節的升溫、降溫速率過快，材料線性熱膨脹、收縮量大、耐火材料和金屬材料線性膨脹差異，勢必造成管板、換熱管、中心筒、耐火材料受熱不均，部件內應力大，造成耐火材料脫落、管板變形斷裂、換熱管斷裂失效問題。查看2022年10月18日—10月22日空氣預熱器升溫曲線時，發現升溫初期、停爐降溫速率較快異常曲線。升溫初期，2022年10月18日18：16空氣預熱器進口溫度19.27℃、19：18 分443.86℃，升溫速率412℃/h；停爐后的降溫，2022年10月20日17：27空氣預熱器進口溫度754.14℃，18：36 分189.52℃，降溫速率491℃/h；從上可看出，空氣預熱器開始升溫、停爐時，入口熱煙氣溫度升溫、降溫速率均超100℃/h 要求。

3.3 下氣室耐火襯里施工存在缺陷

空氣預熱器熱煙氣進口原設計在下管板進氣側設置有100 mm 厚的NL-60黏土結合耐火澆注料和莫來石剛玉套管以隔熱防護管板和換熱管。拆除失效耐火材料、莫來石剛玉套管時，發現預熱器下管板隔熱防護結構中缺失Φ2.24-304不銹鋼絲，在施工時未嚴格按圖紙施工；Φ2.24-304不銹鋼絲的缺失，使耐火澆筑料的黏結強度降低，當空氣預熱器超溫運行、升溫、降溫速率過快，內應力導致管板、換熱管、中心支撐筒的受熱應力形變時，耐火材料、莫來石剛玉套管很容易脫落；管板、換熱管、中心支撐筒一旦失去隔熱防護層，部件局部處于高溫裸燒，將進一步加劇管板、換熱管的失效。

3.4 煙氣露點冷凝酸，造成管板、換熱管的晶間化學腐蝕

裝置恢復開車后，發現放空氣預熱器排放煙囪出口有白色SO2、SO3氣體逸出異常現象，殼程排污排除冷凝酸和SO2、SO3白色氣體。經過排查為預熱器出口進入轉化器熱空氣閥門內漏，盲板插入法蘭密封面不到位、盲板缺陷，導致高溫SO2、SO3氣體從轉化器內倒流進入預熱器殼程，一部分420℃高溫SO2、SO3氣體在流動過程中降溫，低于煙氣露點溫度150℃時會形成冷凝酸，并在下管板上積液；一部分SO2、SO3氣體從已經斷裂失效的管板、換熱管逸出，并順著換熱管管程上升在煙囪排出，排出過程形成的冷凝酸順管壁下流，并匯集至下管板上。煙氣露點冷凝酸的形成，造成管板、換熱管的晶間化學腐蝕，當受到應力作用時，即會沿晶界斷裂、強度幾乎完全消失，從而造成管板、換熱管失效。

4 改進措施

根據空氣預熱器設備在使用中出現的失效問題，通過管理措施、技術措施的改進，消除存在隱患，進一步保障設備的穩定長周期運行。具體的改進措施如下。

1）根據空氣預熱器設備結構、材料性能，在滿足轉化升溫、吹凈工藝需求時，評審修訂工藝操作規程，進一步明確空氣預熱器工藝指標，杜絕設備超溫運行，控制空氣預熱器入口熱煙氣溫度≤680℃、空氣預熱器出口熱空氣溫度≤450℃。

2）在DSC 操作系統增設空氣預熱器入口熱煙氣溫度、空氣預熱器出口熱空氣溫度高報警及趨勢圖，便于操作人員及時調整及歷史數據查閱。當空氣預熱器入口熱煙氣溫度超680℃高報警時，操作人員可及時調整減少燃燒爐柴油量、增加二次摻冷風機風量；空氣預熱器出口熱空氣溫度450℃高報警時，操作人員可調整增加干燥冷空氣量或調節二次冷激風量。

3）為進一步對空氣預熱器升溫、降溫速率控制，避免設備驟冷驟熱產生應力損壞，繪制空氣預熱器升溫、降溫曲線指導操作人員，空氣預熱器升溫、降溫速率按≤100℃/h 控制；在燃燒爐點火升溫時，選用匹配升溫曲線的油槍噴頭及噴油量；升溫結束，降溫速率重點控制停油后的降溫速率，可通過風機風門調整冷卻風量，避免驟冷降溫。

4）嚴格檢修施工管理，優化下管板進氣側耐火材料內的不銹鋼絲網的設置，在L 型爪釘上點焊設置橫縱Φ2.24不銹鋼絲，增加耐火澆筑料強度，防止耐火澆筑料的冷熱交變引起的剝落。

5）對前期使用的抗熱沖擊能力低、容易破碎的莫來石剛玉套管，借鑒火管鍋爐套管使用經驗，對幾種套管的理化指標進行比較，重新選型見表1。

表1 幾種常見套管理化性能對比表

提高套管質量等級，選用鋯95瓷套管，防止因套管碎裂后引起的換熱管部件過熱損壞。

6）下管板中心筒支撐在修復實施耐火磚隔熱襯里施工后，在耐火磚襯里外圓周設置圓柱形304不銹鋼扁鐵制作的防護籠，防止使用中耐火磚的松動、脫落問題，加強中心支撐筒的防護。

7）為防止冷凝酸產生的金屬材料晶間化學腐蝕，進行了以下改進：轉化煙氣泄漏倒流至空氣預熱器殼程的冷凝酸腐蝕，轉化蝶閥的選型，選擇三偏心硬質合金密封結構、零泄漏率、質量可靠的蝶閥；轉化升溫結束后，盲板的抽插，使用3 mm 304不銹鋼盲板，注意檢查板面是否存在缺陷；其次原安裝盲板時高溫氣體對石棉墊片產生的熱卷曲密封不到位現象，由原石棉墊改為金屬纏繞墊，確保密封有效；另外加強干燥塔絲網除沫器的檢查、維護，確保干燥后進入預熱器的冷空氣無冷凝酸，使用完預熱器設備及時進行排污檢查。

8）預熱器堵漏檢修作業時，冷凝酸在設備內會生產以下化學反應：

預熱器殼程內會有氫氣、硫化氫氣體，檢修時存在閃爆風險，需在殼程冷空氣入口管最高點設置氣體檢測分析、排放置換口；該氣體檢測、置換口的開設采用水刀切割工藝，以保障作業的安全。

5 結束語

空氣預熱器設備在間接升溫系統中故障較多，普遍使用不好，通過空氣預熱器損壞失效原因分析，并采取合理防范措施，有效避免空氣預熱器設備的非正常損壞，進一步保障了硫酸裝置轉化系統開、停車升溫與吹凈工藝需求。但針對該設備的失效情況的不同，仍需進一步研究、討論、改進。