高慶華

（江蘇慶峰工程集團(tuán)有限公司，江蘇揚(yáng)州 225115）

硫酸裝置轉(zhuǎn)化工序氣體換熱器的作用是將各段轉(zhuǎn)化后的高溫SO3爐氣與即將進(jìn)入轉(zhuǎn)化器的低溫SO2爐氣換熱，從而控制轉(zhuǎn)化器各段進(jìn)口的氣體溫度在催化劑最佳反應(yīng)溫度范圍內(nèi)，以獲得高SO2轉(zhuǎn)化率。通過(guò)換熱可使轉(zhuǎn)化系統(tǒng)達(dá)到自熱平衡并利于轉(zhuǎn)化中溫位余熱的回收，將一吸塔和二吸塔的進(jìn)口氣體控制在合適溫度范圍，滿(mǎn)足吸收工序的工藝要求。轉(zhuǎn)化工序換熱器數(shù)量多且最易受到腐蝕，換熱器的運(yùn)行狀況對(duì)轉(zhuǎn)化工序乃至整個(gè)制酸系統(tǒng)的正常運(yùn)行影響最大。

1 轉(zhuǎn)化工序氣體換熱器存在的典型問(wèn)題

換熱器的管內(nèi)和管間換熱介質(zhì)溫差較大，介質(zhì)是含有SO3、SO2、O2和少量水分、灰塵的腐蝕性混合氣體，換熱器工作環(huán)境苛刻，常受到的腐蝕主要有應(yīng)力腐蝕、露點(diǎn)腐蝕、高溫腐蝕等。換熱管被腐蝕穿孔后，管內(nèi)和管間產(chǎn)生“串氣”，會(huì)引起各段進(jìn)出口氣體的成分和溫度變化。轉(zhuǎn)化工序中的換熱器發(fā)生泄漏，爐氣一般是從壓力高的一側(cè)漏向壓力低的一側(cè)，SO2爐氣漏入SO3爐氣中或SO3爐氣漏入SO2爐氣中均會(huì)發(fā)生，引起的不良后果有：①分段轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率下降；②轉(zhuǎn)化器進(jìn)出口氣體成分和壓力變化，反應(yīng)溫度超出最佳溫度范圍，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)化自熱不平衡現(xiàn)象，正常生產(chǎn)時(shí)，電爐無(wú)法全部關(guān)閉；③造成SO2損失，引起成品酸和排放尾氣中SO2含量增高；④SO3氣體泄漏會(huì)進(jìn)一步加劇換熱器腐蝕。

1.1 換熱管應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是指換熱管制造過(guò)程中殘余的靜應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變（產(chǎn)生微裂紋）與腐蝕性氣體（SO2、SO3、少量水分）產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕互相促進(jìn)下產(chǎn)生的材料破壞現(xiàn)象。制作換熱器時(shí)，殘余應(yīng)力主要集中在換熱管靠近管板的位置，因此換熱管腐蝕穿孔多發(fā)生在靠近上、下管板300～500 mm處。這種腐蝕現(xiàn)象在冷熱換熱器（即Ⅲ、Ⅵ或Ⅴ換熱器）和熱熱換熱器（Ⅰ、Ⅱ換熱器）均有發(fā)生，其中冷熱換熱器發(fā)生的相對(duì)較多、較嚴(yán)重。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有的換熱器使用1～2年，最短的只有半年，就發(fā)生腐蝕穿孔，且以縮放管居多。換熱器初始泄漏時(shí)程度較輕，不易被發(fā)現(xiàn)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中即使發(fā)現(xiàn)泄漏，一般會(huì)“帶病”運(yùn)行至大修再處理。近年來(lái)，使用較多的縮放管特別是冷拔成型縮放管，加工中有更多的殘余應(yīng)力，該類(lèi)型換熱器使用壽命普遍低于光管換熱器。

1.2 露點(diǎn)腐蝕和高溫腐蝕

換熱器露點(diǎn)腐蝕指換熱面的溫度低于爐氣露點(diǎn)，引起爐氣中SO2、SO3、H2O冷凝成硫酸霧或冷凝酸而產(chǎn)生的腐蝕。露點(diǎn)腐蝕多發(fā)生在冷熱換熱器的換熱管底部及管板、換熱器底部殼體等溫度較低的地方。腐蝕嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致下部殼體變薄，不足以支撐換熱管和殼體的重量，造成安全隱患。露點(diǎn)腐蝕除了與凈化指標(biāo)和設(shè)備保溫效果有關(guān)以外，還與選擇的轉(zhuǎn)化換熱流程有關(guān)。

轉(zhuǎn)化換熱器高溫腐蝕主要發(fā)生在熱熱換熱器，是指金屬材料在高溫環(huán)境下與爐氣中的S、O、C等化學(xué)元素發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致材料變質(zhì)或破壞現(xiàn)象。高溫腐蝕引起的材料破壞與其他腐蝕共同作用，同樣會(huì)引起換熱器發(fā)生泄漏。

1.3 需電爐或燃燒爐補(bǔ)熱維持熱平衡

筆者曾參與的幾個(gè)制酸裝置轉(zhuǎn)化工序改造項(xiàng)目，均是由于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)需用電爐補(bǔ)熱，制酸能耗太高，被迫進(jìn)行改造。硫酸裝置正常運(yùn)行需要補(bǔ)熱的情況一般發(fā)生在中小型制酸、冶煉煙氣制酸等氣濃較低或氣濃波動(dòng)大的裝置及建在天氣寒冷、降雨量大的地區(qū)的裝置。采用吸附后解吸出的含SO2煙氣為原料的制酸裝置，一般以10～30 kt/a的小型制酸裝置居多，作為處理含硫尾氣的環(huán)保設(shè)施，在運(yùn)行中一直需要電爐補(bǔ)熱，能耗高，在北方冬季尤為嚴(yán)重。這與爐氣工藝條件不佳等客觀因素有一定關(guān)系（如進(jìn)氣SO2濃度偏低或波動(dòng)大等），與換熱器發(fā)生腐蝕泄漏、保溫失效等因素也有直接關(guān)系，此外，還與換熱器的工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)因素有關(guān)，換熱系統(tǒng)需滿(mǎn)足SO2濃度波動(dòng)的要求。

1.4 換熱器阻力降偏大

轉(zhuǎn)化系統(tǒng)總阻力降以換熱器阻力降占比最大。SO2主風(fēng)機(jī)運(yùn)行中，阻力降每增加1 kPa，則噸酸電耗會(huì)增加2～3 kWh。

新裝置開(kāi)車(chē)運(yùn)行后，裝置的阻力較小，之后阻力會(huì)慢慢增加，在運(yùn)行三四個(gè)月后，趨于穩(wěn)定，若此時(shí)換熱器阻力降偏高，很可能是因?yàn)閾Q熱器設(shè)計(jì)時(shí)為了增加傳熱效率，降低設(shè)備制造成本，選擇的管間和管內(nèi)流速過(guò)高造成的。單臺(tái)換熱器管內(nèi)和管間設(shè)計(jì)總阻力降應(yīng)不大于1.4 kPa。運(yùn)行初期換熱器阻力降合適，但系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中，出現(xiàn)爐氣凈化效果差、催化劑粉化造成換熱器堵塞等問(wèn)題，也會(huì)使阻力降增大，換熱量達(dá)不到使用要求。

2 換熱器工藝設(shè)計(jì)和制作過(guò)程采取的應(yīng)對(duì)措施

2.1 應(yīng)對(duì)應(yīng)力腐蝕的措施

2.1.1 選材方面

應(yīng)對(duì)換熱器應(yīng)力腐蝕有多種手段，首先設(shè)計(jì)上應(yīng)合理選擇抗應(yīng)力腐蝕材料。目前不銹鋼材料的價(jià)格已經(jīng)有了一定的競(jìng)爭(zhēng)性，在經(jīng)濟(jì)條件許可的情況下，盡可能提高換熱器的材料等級(jí)。換熱器傳統(tǒng)材料和推薦使用的材料見(jiàn)表1。

表1 換熱器材質(zhì)選擇

換熱管的形式，建議優(yōu)先選擇光管。光管換熱器傳熱系數(shù)一般在20～22 W/(m2·℃)，低于縮放管的28～30 W/(m2·℃)，光管換熱器的傳熱面積是縮放管換熱器的1.2～1.3倍，換熱器總質(zhì)量高于縮放管換熱器，但光管的價(jià)格遠(yuǎn)低于縮放管，總體而言，二者總造價(jià)相差無(wú)幾。對(duì)于大型制酸裝置及為節(jié)省占地空間等必須選擇縮放管換熱器的情況，應(yīng)優(yōu)先使用熱軋成型縮放管，盡量避免使用冷拔成型縮放管，以減少換熱管成型時(shí)殘留的應(yīng)力。

2.1.2 制作方面

換熱器制作時(shí)可采取以下措施消除應(yīng)力：

1）脹管法焊接。換熱管與管板連接應(yīng)采用脹管法或先脹后焊法，不宜直接焊接。

2）噴丸處理。利用壓縮空氣吹動(dòng)小球，連續(xù)擊打管板與換熱管連接處應(yīng)力過(guò)渡區(qū)，以消除應(yīng)力。

3）振動(dòng)法或錘擊法。振動(dòng)法需要專(zhuān)門(mén)機(jī)械連續(xù)振動(dòng)消除應(yīng)力，也可使用手錘邊焊接邊錘擊，焊一圈，錘擊一遍。

4）熱處理法或時(shí)效法。采用電加熱，將管板處換熱管按材料不同加熱至400～600 ℃并保溫一定時(shí)間，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力消除。加熱溫度越高，應(yīng)力消除越徹底，但溫度高，容易引起材料氧化。此外，將制作好的換熱器放置在自然環(huán)境下，經(jīng)過(guò)數(shù)月的靜置也能消除應(yīng)力。時(shí)效法消除應(yīng)力需要的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

2.2 應(yīng)對(duì)露點(diǎn)腐蝕的措施

應(yīng)對(duì)露點(diǎn)腐蝕的措施有：選擇高等級(jí)耐腐蝕材料，如換熱管采用316L不銹鋼等材質(zhì)，底部殼體采用碳鋼內(nèi)襯耐酸瓷磚或耐酸混凝土；留有冷凝酸放酸口；對(duì)換熱器的外殼體和底部加強(qiáng)外保溫等。這些是治標(biāo)的應(yīng)對(duì)措施，要消除換熱器露點(diǎn)腐蝕，關(guān)鍵是要使換熱器在高于露點(diǎn)的情況下工作，這與轉(zhuǎn)化工序選擇的換熱流程有關(guān)。合理選擇換熱流程，可以有效規(guī)避露點(diǎn)腐蝕。

制酸兩次轉(zhuǎn)化流程目前使用較多的是“3+1”和“3+2”，目的是獲得更高和更穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化率?！?+2”對(duì)于獲得高轉(zhuǎn)化率不利，已較少使用。

“3+1”換熱流程中主要有ⅢⅠ-ⅣⅡ、ⅣⅠ-ⅢⅡ和ⅢⅡ-ⅣⅠ，“3+2”換熱流程主要有ⅢⅠ-ⅤⅣⅡ和ⅤⅣⅠ-ⅢⅡ（分別對(duì)應(yīng)四段轉(zhuǎn)化的ⅢⅠ-ⅣⅡ、ⅣⅠ-ⅢⅡ換熱流程）。選用合適的換熱流程，需要根據(jù)轉(zhuǎn)化氣成分（主要是進(jìn)氣SO2濃度）、催化劑各段優(yōu)化的操作溫度、各段分段轉(zhuǎn)化率和溫升、氣體換熱后利于余熱回收及進(jìn)一吸塔和二吸塔的氣體溫度等因素進(jìn)行具體分析。

以“3+1”換熱流程為例，一般而言，采用ⅢⅠ-ⅣⅡ換熱流程時(shí)進(jìn)一吸塔（即出Ⅲ換熱器）的SO3氣體溫度比進(jìn)二吸塔（即出Ⅳ換熱器）的溫度高得多，并且二段催化劑床層進(jìn)口的氣體溫度越低，一吸塔進(jìn)口氣體溫度越高。采用ⅣⅠ-ⅢⅡ換熱流程時(shí)，進(jìn)一吸塔和二吸塔的氣體溫度比較接近，且二段催化劑床層進(jìn)口氣體溫度越低，二吸塔進(jìn)口氣體溫度越高。

ⅣⅠ-ⅢⅡ換熱流程二段催化劑床層進(jìn)口氣體溫度一般控制在445～460 ℃，ⅢⅠ-ⅣⅡ換熱流程二段催化劑床層進(jìn)口氣體溫度一般控制在460～475℃，所以ⅣⅠ-ⅢⅡ換熱流程更容易獲得高轉(zhuǎn)化率，同時(shí)對(duì)催化劑活性要求較高。

ⅢⅡ-ⅣⅠ換熱流程的缺點(diǎn)是二段催化劑床層進(jìn)口溫度要控制在475～490 ℃，溫度較高，影響總轉(zhuǎn)化率的提高。在正常操作時(shí)，如果一段轉(zhuǎn)化率較高，則離開(kāi)Ⅲ換熱器的SO3氣體溫度低于離開(kāi)Ⅳ換熱器的SO3氣體溫度，容易造成Ⅲ換熱器發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。

對(duì)常用的ⅢⅠ-ⅣⅡ和ⅣⅠ-ⅢⅡ換熱流程進(jìn)行簡(jiǎn)要比較。

1）ⅢⅠ-ⅣⅡ流程。對(duì)進(jìn)氣φ(SO2)8%及以下或散熱損失較大（如寒冷或降雨量大的地區(qū)）的裝置有利，此時(shí)進(jìn)一吸塔和二吸塔的溫度不太高，且出Ⅲ換熱器的氣體溫度較高，可減輕冷凝酸對(duì)Ⅲ換熱器和去一吸塔管道的腐蝕。需采用較高的二段催化劑床層進(jìn)口溫度，以降低進(jìn)一吸塔的氣體溫度，當(dāng)所用的二段催化劑低溫活性不高時(shí)較適合。當(dāng)φ(SO2)8%～12.5%時(shí)，進(jìn)一吸塔的氣體溫度可能達(dá)220～260 ℃或更高至300 ℃，進(jìn)二吸塔的氣體溫度165～180 ℃在合適范圍，此時(shí)只需在一吸塔進(jìn)口設(shè)置1臺(tái)省煤器即可，回收熱量較為方便。

2）ⅣⅠ-ⅢⅡ流程。當(dāng)φ(SO2)為7.5%～12.5%時(shí)，對(duì)大型裝置較為有利。使用高質(zhì)量的催化劑，二段催化劑低溫活性較高時(shí)，可采用較低的二段進(jìn)口溫度，使二段催化劑床層有較高的轉(zhuǎn)化率，可將二段轉(zhuǎn)化率提高1～2個(gè)百分點(diǎn)。但進(jìn)一吸塔和二吸塔的氣體溫度均較高，可能達(dá)220～240 ℃，要回收熱量需在一吸塔和二吸塔各設(shè)置1臺(tái)省煤器，增加了系統(tǒng)阻力降和設(shè)備數(shù)量。

綜合考慮，當(dāng)進(jìn)氣φ(SO2)在7.5%以上時(shí)，選用ⅢⅠ-ⅣⅡ換熱流程較為合適，而當(dāng)進(jìn)氣φ(SO2)在7.0%～7.5%時(shí)，選用ⅣⅠ-ⅢⅡ換熱流程較為合適。

某石膏制酸裝置采用不同換熱流程，在不同的進(jìn)氣SO2濃度條件下，一吸塔和二吸塔進(jìn)口的氣體溫度比較見(jiàn)表2。

表2 不同條件一吸塔和二吸塔進(jìn)口的氣體溫度

由表2可見(jiàn)：采用ⅢⅠ-ⅣⅡ換熱流程，一吸塔進(jìn)口的氣體溫度偏高，二吸塔進(jìn)口的氣體溫度偏低，接近爐氣露點(diǎn)。而采用ⅣⅠ-ⅢⅡ換熱流程，一吸塔和二吸塔進(jìn)口的氣體溫度較接近，特別是二吸塔進(jìn)口氣體溫度的提高有利于防止設(shè)備、管道出現(xiàn)露點(diǎn)腐蝕及尾氣冒煙現(xiàn)象。

2.3 應(yīng)對(duì)高溫腐蝕的措施

高溫腐蝕主要針對(duì)Ⅰ、Ⅱ換熱器，特別是采用富氧焙燒，爐氣SO2濃度高的制酸裝置，一段催化劑床層出口溫度可達(dá)630 ℃，達(dá)到催化劑耐熱溫度的上限。對(duì)于Ⅰ、Ⅱ換熱器，越來(lái)越多的裝置采用全304H不銹鋼制造，價(jià)格方面基本可以接受。對(duì)于仍選用20G滲鋁換熱管的裝置，應(yīng)采用高溫?cái)U(kuò)散滲鋁技術(shù)[1]，鋁滲透層較厚且牢固；不宜采用普通滲鋁和噴鋁，噴鋁層會(huì)脫落，使用效果較差。

2.4 確保轉(zhuǎn)化工序的自熱平衡

換熱器的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程應(yīng)確保轉(zhuǎn)化工序的自熱平衡。在設(shè)計(jì)方面，轉(zhuǎn)化進(jìn)氣SO2濃度越低，需要的總換熱面積越大，以保證自身熱平衡。以“3+1”四段轉(zhuǎn)化為例，進(jìn)氣SO2濃度低，主要是Ⅲ、Ⅳ換熱器的換熱面積增加較多；進(jìn)氣SO2濃度高，總換熱面積雖然會(huì)減少，但Ⅰ、Ⅱ換熱器的換熱面積反而要增加。對(duì)于進(jìn)氣SO2濃度波動(dòng)較大的裝置，轉(zhuǎn)化工藝設(shè)計(jì)應(yīng)至少提供3個(gè)設(shè)計(jì)工況來(lái)滿(mǎn)足自熱平衡要求，即分別提供正常運(yùn)行工況（正常SO2濃度和正常氣量），最大工況（最高SO2濃度和最大氣量）、最小工況（最小SO2濃度和最小氣量），保證進(jìn)氣SO2濃度波動(dòng)時(shí)能夠滿(mǎn)足轉(zhuǎn)化工序自熱平衡。

有的裝置在運(yùn)行一定時(shí)間后轉(zhuǎn)化工序才出現(xiàn)熱量不平衡現(xiàn)象，這與長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后保溫效果下降、換熱管腐蝕穿孔泄漏或酸泥堵塞、傳熱效果下降及轉(zhuǎn)化器漏氣、催化劑活性下降等因素有關(guān)，應(yīng)通過(guò)分析換熱器進(jìn)出口溫度、壓力、氣體濃度和分段轉(zhuǎn)化率等相關(guān)數(shù)據(jù)的變化找出原因，及時(shí)處理，不能長(zhǎng)期“帶病”運(yùn)行。

2.5 及時(shí)檢查和維護(hù)

對(duì)于發(fā)現(xiàn)異常的換熱器，應(yīng)及時(shí)檢查和維護(hù)。如發(fā)現(xiàn)換熱管泄漏，應(yīng)及時(shí)在換熱管兩端安裝盲板封堵。對(duì)于阻力降較大、存在泄漏、換熱量不足等問(wèn)題嚴(yán)重的換熱器，在大修時(shí)，首先疏通堵塞的換熱管并清理干凈，再臨時(shí)將換熱器進(jìn)出口氣體管道封堵，上封頭留一個(gè)排氣孔，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～10%的Na2CO3或NaOH溶液，泵入換熱器管間，適當(dāng)循環(huán)清洗換熱器（注意檢查回水應(yīng)為弱堿性，不能變成酸性），此時(shí)如發(fā)現(xiàn)換熱管內(nèi)漏液，則先用木塞封堵，待清洗完成后統(tǒng)一將漏液換熱管用盲板封堵。盲板封堵的換熱管占總數(shù)不超過(guò)20%，換熱器一般仍可繼續(xù)使用。用堿水清洗會(huì)對(duì)換熱器產(chǎn)生一定損傷，處理過(guò)程中，應(yīng)注意細(xì)節(jié)，避免泵入堿液時(shí)超壓，清洗過(guò)后及時(shí)風(fēng)干，盡量減輕損傷。

3 結(jié)語(yǔ)

在節(jié)能減排大環(huán)境下，硫酸裝置最需要的是能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)周期、高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于影響系統(tǒng)運(yùn)行、容易產(chǎn)生問(wèn)題、維修復(fù)雜的轉(zhuǎn)化換熱器等關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)在設(shè)計(jì)、制造、施工、安裝方面嚴(yán)格要求。運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)工藝管理，對(duì)設(shè)備的進(jìn)出口溫度、壓力、氣體成分等工藝參數(shù)加以監(jiān)控、分析，及早發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)維修處理，避免設(shè)備“帶病”運(yùn)行，影響裝置正常運(yùn)行。