唐 浩

(瀘天化(集團)有限責任公司，四川瀘州，646000)

1 甲醛裝置廢熱鍋爐介紹

某公司2004年引進丹麥托普索公司(Tφpsoe)鐵鉬法甲醇氧化制甲醛專利技術(shù)，甲醛裝置于2005年12月建成投產(chǎn)。Tφpsoe公司設(shè)計的廢熱鍋爐(E-102A/B)為“U”型管換熱器，共用一個殼側(cè)，按管側(cè)分為2個換熱器(即E-102A、E-102B)。其作用是：來自第一、二甲醛反應(yīng)器R-101和R-102殼側(cè)的導(dǎo)熱油氣液混合物，分別經(jīng)第一、二導(dǎo)熱油分離器B-101和B-102進行氣液分離后的導(dǎo)熱油蒸汽，分別在廢熱鍋爐A(即E-102A)、廢熱鍋爐B(即E-102B)的管側(cè)內(nèi)經(jīng)過恒壓換熱后由氣相變?yōu)橐合?頂部進、底部出)，釋放出大量的相變潛熱，加熱殼側(cè)爐水產(chǎn)生2.4 MPa飽和蒸汽；E-102A、E-102B發(fā)生相變的導(dǎo)熱油混合物分別進入B-101、B-102上部進行氣液分離，液相導(dǎo)熱油通過B-101、B-102底部分別循環(huán)回流到R-101、R-102殼側(cè)；導(dǎo)熱油在R-101、R-102殼側(cè)經(jīng)過恒壓換熱后由液相變?yōu)闅庀?，吸收大量的相變潛熱，帶走R-101、R-102反應(yīng)管內(nèi)甲醇氧化產(chǎn)生的大量熱量，從而維持催化劑床層溫度的穩(wěn)定。甲醛裝置廢熱鍋爐導(dǎo)熱油系統(tǒng)流程見圖1，廢熱鍋爐設(shè)備相關(guān)性能參數(shù)見表1。

表1 廢熱鍋爐管側(cè)和殼側(cè)性能數(shù)據(jù)

在實際生產(chǎn)中，由于廢熱鍋爐經(jīng)常發(fā)生泄漏問題，造成該裝置不能正常穩(wěn)定生產(chǎn)。

(E-102A—廢熱鍋爐A；E-102B—廢熱鍋爐B；R-101—第一甲醛反應(yīng)器；R-102—第二甲醛反應(yīng)器；B-101—第一導(dǎo)熱油分離器；B-102—第二導(dǎo)熱油分離器；E-112—導(dǎo)熱油放空冷凝器；T-101—導(dǎo)熱油儲槽；E-103—后冷卻器；CW—循環(huán)水上水；RCW—循環(huán)水回水；E-101—工藝氣/甲醇預(yù)熱器；PV0204—R-101殼側(cè)導(dǎo)熱油壓力調(diào)節(jié)閥；PV0208—R-102殼側(cè)導(dǎo)熱油壓力調(diào)節(jié)閥；PV0501B—廢熱鍋爐E102A/B蒸汽放空壓力調(diào)節(jié)閥；PV0501A—廢熱鍋爐E102A/B蒸汽外送壓力調(diào)節(jié)閥；SM—2.4 MPa中壓飽和蒸汽。)圖1 Tφpsoe甲醛裝置廢熱鍋爐導(dǎo)熱油系統(tǒng)流程

2 廢熱鍋爐內(nèi)部泄漏判斷

正常情況下，甲醛裝置每次停車后開車，廢熱鍋爐A(E-102A)導(dǎo)熱油側(cè)惰氣排放都比較頻繁，每8h排4次左右，一般要2—3天才會逐漸減少，3天后每周基本排1—2次即可。

從2006年9月到2007年2月，甲醛裝置每次停車后再開車，廢熱鍋爐A都要頻繁排惰氣每班(8h)排4—5次，7天左右才慢慢恢復(fù)正常，有時要連續(xù)排20天后才會逐漸恢復(fù)正常。在2007年5月18日，甲醛裝置停車后再開車后，廢熱鍋爐A排惰氣更頻繁(每8h排7—8次)，沒有好轉(zhuǎn)的趨勢。2007年6月2日至3日，連續(xù)取樣分析導(dǎo)熱油放空氣冷凝器E-112殼側(cè)液體中水含量高達83.36%—91.7%，嚴重危及甲醛裝置的安全穩(wěn)定運行。

完全可以排除導(dǎo)熱油中的輕組分揮發(fā)或空氣在停車時漏入高真空的導(dǎo)熱油系統(tǒng)引起的，而是判斷廢熱鍋爐A(E-102A)列管或管板有內(nèi)漏，殼側(cè)約2.4 MPa的爐水漏入管側(cè)約20kPa導(dǎo)熱油系統(tǒng)所致。利用2007年6月中旬甲醛裝置停車搶修機會，拆開廢熱鍋爐A(“U”型管換熱器)封頭檢查發(fā)現(xiàn)管板下半部分存在的問題是第1排(從上往下數(shù))第4根(從左往右數(shù))、第4排第3根共2根列管與管板的焊縫處各有一條有泄漏痕跡的裂紋，進行了補焊處理，然后加水打壓到2.0 MPa試漏合格。列管與管板的兩處焊縫裂紋修復(fù)后的照片見圖2。

對廢熱鍋爐A 的“U”型管板修復(fù)工作，暫時解決了2.4 MPa爐水進入管側(cè)造成其頻繁排惰氣影響生產(chǎn)運行的問題。從開車運行看，導(dǎo)熱油系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定，廢熱鍋爐A每2—3天才排1次惰氣，短期確保了裝置的安全穩(wěn)定運行。

圖2 廢熱鍋爐A管板泄漏修復(fù)后照片

3 廢熱鍋爐管板泄漏原因分析

廢熱鍋爐A(E-102A)管板出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致殼側(cè)爐水泄漏進入管側(cè)導(dǎo)熱油系統(tǒng)，經(jīng)過認真研究設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和操作規(guī)程，分析主要有兩個方面的原因。

3.1 開車過程中管板前后溫差較大產(chǎn)生熱應(yīng)力

表2是托普索公司提供的導(dǎo)熱油沸點和壓力對應(yīng)關(guān)系(部分數(shù)據(jù))。

表2 導(dǎo)熱油沸點和壓力對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)資料可得：導(dǎo)熱油在絕壓103.3 kPa的沸點257℃；常壓絕壓110.0 kPa的沸點為260℃；絕壓135.9 kPa的沸點為270℃；絕壓166.3 kPa的沸點為280℃。那么，只要甲醛反應(yīng)器殼側(cè)有導(dǎo)熱油蒸汽產(chǎn)生，那么溫度就至少有257℃以上，這些含有液體導(dǎo)熱油的油蒸汽混合物要先分別經(jīng)過導(dǎo)熱油分離器分離后，純油蒸汽最終分別進入廢熱鍋爐進行換熱，管側(cè)的導(dǎo)熱油只發(fā)生相變——油蒸汽變?yōu)橐后w導(dǎo)熱油，殼側(cè)的爐水獲得熱量變成蒸汽，從而實現(xiàn)換熱；如果管內(nèi)的油蒸汽(≥257℃)和殼側(cè)的爐水(約130℃)溫差太大(≥127℃)，就會對“U”型列管內(nèi)外和管板前后產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而會損壞管板或列管。

甲醛裝置開車程序：首先是對第一個甲醛反應(yīng)器R-101投醇開車，一般至少4h以后，第二個甲醛反應(yīng)器R-102才投醇開車；而在開車之前，廢熱鍋爐的爐水溫度最高只能達到130℃(如果界外送來的是常溫脫鹽水，那就只能先用0.35 MPa、147℃的飽和低壓蒸汽進行加熱)，可是一旦甲醛反應(yīng)器發(fā)生反應(yīng)放熱，殼側(cè)就會產(chǎn)生257℃以上導(dǎo)的熱油蒸汽，油蒸汽最終進入廢熱鍋爐A的管側(cè)；那么廢熱鍋爐A(E-102A)封頭管板前和“U”型管內(nèi)的油蒸汽溫度都是≥257℃，與管板后和“U”型管外(溫度基本上與130℃爐水一致)，溫差≥127℃，這么大的溫差就會產(chǎn)生熱應(yīng)力，“U”型管就會自動伸縮。

如果這么大的溫差持續(xù)時間長了、開停車次數(shù)多了，加上“U”型管和管板的熱膨脹系數(shù)有可能不一致、列管與管板的局部焊縫質(zhì)量可能會存在問題，就必然導(dǎo)致“U”型管與管板產(chǎn)生裂紋。而當?shù)诙兹┓磻?yīng)器R-102開車時，廢熱鍋爐B(E-102B)的爐水溫度已被E-102A加熱達到設(shè)計的224℃(壓力為2.4MPa對應(yīng)的飽和蒸汽溫度)，大大縮小了與廢熱鍋爐B封頭管板前后及“U”型管內(nèi)外的油蒸汽(257℃)溫差(30—35℃)，因此廢熱鍋爐管板焊縫就不容易裂紋，這也就是廢熱鍋爐B(E-102B)封頭管板一直未發(fā)生泄漏的原因。

因此，要解決廢熱鍋爐A(E-102A)封頭管板泄漏，降低封頭管板前后的溫差是關(guān)鍵，需要開發(fā)降低該溫差的新技術(shù)。

3.2 爐水沖擊列管產(chǎn)生沖擊應(yīng)力和溫差應(yīng)力

在正常運行過程中，廢熱鍋爐一直有一股130℃、大于4.0 MPa的新鮮鍋爐給水連續(xù)補入(滿負荷時流量約6.5t/h)，而鍋爐給水進入點正好在廢熱鍋爐A(E-102A)的“U”型管下方，敞口的管口正好朝上，沒有設(shè)置防沖擋板，壓力大于4.0MPa的新鮮鍋爐給水直接沖擊“U”型管，這樣新鮮爐水長期一直連續(xù)沖擊“U”型管，這就必然產(chǎn)生爐水對“U”型管的沖擊應(yīng)力；再加上新鮮爐水與廢熱鍋爐的爐水有100℃溫差(廢熱鍋爐內(nèi)的爐水溫度為224℃)，會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。連續(xù)的沖擊應(yīng)力和溫差應(yīng)力會導(dǎo)致列管頻繁伸縮而影響管板的正常工作，超過其焊縫的疲勞極限就會產(chǎn)生裂紋。

因此，要徹底解決廢熱鍋爐A(E-102A)管板泄漏問題，需要對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行技術(shù)創(chuàng)新，徹底消除沖擊應(yīng)力和溫差應(yīng)力。

4 解決廢熱鍋爐泄漏新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用

根據(jù)前面從工藝和設(shè)備兩個方面對廢熱鍋爐A(E-102A)管板泄漏原因的全面分析和深入研究，利用2007年11月甲醛裝置大修機會進行，開發(fā)實施了兩項解決管板泄漏的新技術(shù)。

4.1 廢熱鍋爐開車升溫新技術(shù)

廢熱鍋爐E-102增加中壓蒸汽開車升溫管道，在廢熱鍋爐底部預(yù)留的50.8 mm盲法蘭處(見圖3的“注2”)配管徑為38.1 mm(即1.1/2″)的開車升溫中壓蒸汽(224℃、2.4 MPa)管道和切閥(見圖3的“注1”)，并與廢熱鍋爐送出界區(qū)的PV0501A后切閥后的中壓蒸汽總管相連。廢熱鍋爐開車升溫新技術(shù)流程見圖3(即虛線的管道和閥門)。

采用新的開車升溫技術(shù)后，廢熱鍋爐開車升溫程序調(diào)整為：第一步在每次甲醛裝置開車前，先用低壓蒸汽(0.35 MPa、147℃)將廢熱鍋爐爐水升溫到120℃左右；第二步再用外管網(wǎng)中壓蒸汽(224℃、2.4 MPa)將爐水升到200℃左右，接近正常生產(chǎn)操作溫度224℃，以最大限度縮小爐水與廢熱鍋爐A管內(nèi)導(dǎo)熱油蒸汽的溫差、管板前后的溫差(僅為20℃)。

圖3 廢熱鍋爐開車升溫新技術(shù)流程示意圖

在廢熱鍋爐E-102開車升溫操作過程中，須嚴格遵循三個原則：(1)飽和水蒸氣壓力與溫度對應(yīng)的原則(見表3)；(2)控制升溫速率≤50℃/h；(3)當溫度與壓力平衡后，先升壓才能升溫的原則。

表3 水的飽和蒸汽壓與溫度對照

同時，由于甲醛裝置開車前先把廢熱鍋爐爐水預(yù)熱到200℃、接近正常工作溫度224℃(溫差不足5℃)，非常有利于開車過程中兩個甲醛反應(yīng)器R-101、R-102殼側(cè)油位的穩(wěn)定，因為這兩個油位都帶有導(dǎo)致裝置跳車的液位高聯(lián)鎖。以前由于E-102A/B管側(cè)與殼側(cè)的溫差太大，引起油壓持續(xù)波動導(dǎo)致R-101、R-102殼側(cè)油位大幅度波動，為此在開車過程中經(jīng)常引起油位聯(lián)鎖動作導(dǎo)致裝置緊急停車。廢熱鍋爐開車升溫新技術(shù)實施后，再也未發(fā)生開車過程中因為甲醛反應(yīng)器R-101、R-102油位波動導(dǎo)致裝置停車的事故。

4.2 廢熱鍋爐設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新

將廢熱鍋爐E-102A、E-102B列管全部抽薪，對新鮮爐水管道實施了三方面技術(shù)創(chuàng)新。

4.2.1 爐水進入方式新設(shè)計

將廢熱鍋爐底部溫度計TG0550(見圖4的“注3”)與爐水進口位置互換，即把爐水進口改到廢熱鍋爐底部中間位置(見圖4的“注4”)、將TG0550調(diào)整到E-102AU型管下方；也就是廢熱鍋爐A(E-102A)的“U”型管組與廢熱鍋爐B(E-102B)的“U”型管組之間的空間地帶，徹底解決低溫爐水對廢熱鍋爐A(E-102A)U型管底部的沖擊問題。

因為新增加的MS開車升溫管道在廢熱鍋爐B(E-102B)U型管的下方，而調(diào)整后的TG0550在廢熱鍋爐A(E-102A)U型管下方，當TG0550溫度達到200℃時，標志著整個廢熱鍋爐的爐水及設(shè)備都達到了200℃時，這個時候第一甲醛反應(yīng)器R-101才投醇開車，對廢熱鍋爐而言這是非常安全可靠的開車條件。

圖4 廢熱鍋爐設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新示意圖

4.2.2 內(nèi)部爐水管道新布局

原設(shè)計內(nèi)部爐水管道方向為單管敞口朝上，創(chuàng)造性調(diào)整為進入一根62cm長的水平分布管(將在進廢熱鍋爐內(nèi)的鍋爐水管道向左延伸，見圖4的“注5”)。

4.2.3 爐水分布方式新結(jié)構(gòu)

原設(shè)計內(nèi)部爐水管道為單管敞口朝上，沒有分布器，創(chuàng)新實施為從62 cm長的水平分布管兩側(cè)向下各開10個直徑1 mm的小孔噴出(分布管實物詳見圖5)。

圖5 廢熱鍋爐內(nèi)部爐水分布方式新結(jié)構(gòu)

對廢熱鍋爐設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)實施技術(shù)創(chuàng)新后，徹底解決了低溫新鮮爐水直接沖擊廢熱鍋爐A(E-102A)“U”型管底部的沖擊應(yīng)力問題，也不沖擊廢熱鍋爐B的“U”型管；且能實現(xiàn)與高溫爐水均勻混合，避免較大溫差對“U”型管產(chǎn)生熱應(yīng)力。

5 結(jié)束語

通過對Tφpsoe甲醛裝置廢熱鍋爐開車升溫新技術(shù)和廢熱鍋爐設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新的開發(fā)應(yīng)用，優(yōu)化改進了開車升溫操作程序，很好地解決了廢熱鍋爐管板焊縫泄漏問題，運行13年來效果良好。既保證了廢熱鍋爐的安全穩(wěn)定運行，又為甲醛裝置的長周期運行打下了堅實的基礎(chǔ)，甲醛裝置長周期運行由2007年的91天躍升到目前的最好紀錄293天。解決了Tφpsoe甲醛裝置廢熱鍋爐泄漏問題，新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用取得了良好的效果。