针对热管换热器在硫酸转化热流程中应用寿命过短的问题,结合拆除解体分析原因。并通过改用列管换热器,使硫酸转化换热工况得到改善。
[关键词]硫酸转化;热管换热器;列管换热器
[中图分类号]TQ051•5 [文献标识码]B [文章编号]1003-8884(2008)05-0027-0
0 引言
金昌冶炼厂硫酸车间为了配合铜冶炼生产,在生产中同步运行3套硫酸系列,用于生产98%浓硫酸产品。其中300 kt/a硫酸Ⅲ系列的转化工序采用“3+1”四段双接触工艺和“Ⅳ、Ⅱ、Ia-Ⅲ、Ib”换热流程。2006年Ⅲ系列运行投产后不久,即发现来自转化三段的一次转化气经第Ⅲ热交换器换热冷却后,流向{dy}吸收塔的气温竟高达(320±20)℃,超出硫酸高温吸收工艺所规定的气温域(180~300)℃的上限值[1],造成一定的热能浪费,同时也造成吸收酸的后冷却量增大。另外,来自{dy}吸收塔的二次冷SO2烟气经第Ⅲ热交换器壳程换热升温后温度偏低,仅为(330±10)℃,经第Ⅰb热交换器壳程换热升温后,往往达不到转化四段入口的气温要求,即(420±10)℃,不得不采用2~3组2#电加热炉后方可达到工艺所要求的气温。
一般情况下,铜冶炼烟气中含SO2浓度为9%~12%、含O2浓度为10%~13%,氧硫比约为1•2,烟气流量为70000~100000m3/h,良好的烟气条件却在转化工序不能自热平衡,说明转化换热流程中存在问题。经对有关技术资料进行分析,认为第Ⅲ热交换器的换热量不足并非意味着设计的换热面积不足,可能存在某些工程因素,造成换热器内结垢,导致传热系数下降[2]。
鉴于目前现场无法改变工程因素,故仅能通过增大换热面积来增加换热量。因此,增设了第Ⅲb热交换器。考虑到当前工程上流行采用热管换热洗眼器器,故选择了热管换热器。
1 热管换热器的工作原理与结构
热管是一根直立放置、两端密封的,其管内充装了特定的制冷液体介质,紧靠管内壁处装有金属丝网等多孔物质的吸液芯。每根热管均为一个相对独立的换热单元,其沿管长分为三段,即蒸发段(热端)、绝热中间段和冷凝段(冷端)。热管的外壁上装有螺旋形翅片,以强化其传热效果。当热流体从热管的下半管段热端流过时,热量通过管壁和吸液芯传给制冷液体介质,使其蒸发汽化,喷射器则沿管
内上升至上半管段,并在上半管段冷端释放出冷凝潜热而被冷流体冷凝,冷凝液在重力和吸液芯的毛细作用下,又流回到下半管段的热端,重新吸热蒸发,由此形成一个工作循环。
热管换热器是由一组热管组合成的箱形部件,其间用隔板分为冷、热两个流体通道,且在每个通道的底部均开有排放口,在排放口外接有排放管路。根据硫酸转化换热工艺的要求,热管应具有良好的传热性、防腐性和耐压性。
应用旁通支路的目的是调控进一吸塔的气温,使其满足硫酸高温吸收工艺的要求,同时起到热管蒸发量、防止热管内超压爆管的作用。
2 热管换热器在硫酸转化局部换热的应用情况
2006年7月28日,硫酸转化换热流程中安装的热管换热器投入使用。
2006年的数据表明,热侧nsk轴承温度已达到330℃,超过了表1中给出的热侧温度295℃,所以热管实际上在过载情况下工作;而2007年的数据表明,热管已经基本丧失了换热能力,需要拆除更换。
3 热管换热器的拆除解体
2007年10月11日对热管换热器进行拆除解体,发现热管换热器上半部冷端的箱内底部沉积有污浊发黑的浓硫酸和酸泥,厚度达500 mm。经气割开孔放掉箱内酸液后,箱底部酸泥仍有350 mm厚,且箱内{zd2}部的酸泥坚硬如石,冷端箱底部的排污口已堵塞多日,无法进行排污作业。被污浊酸液浸泡和酸泥掩埋的一段热管则腐蚀严重,管外壁明显变薄,管壁外强化传热的螺旋翅片仅余少许根部残迹,热管绝大部分已在冷端箱底部烂通,管内的制冷液体介质早已流失。拆除热管换热器的下半部热端时发现,箱内腐蚀并不很严重,仅在箱底有一层很薄、发黑的冷凝酸。另外,用于调控进一吸塔气温的旁通支路被错误地安装在热管的上半部洗眼器冷端。
4 热管应用寿命过短的原因分析
(1)在{dy}吸收塔的顶部安装的19只高效纤维除沫器未能xx捕集二次冷SO2烟气中夹带的污浊酸粒,使得热管的冷端工作在含有污浊酸雾的工艺气体中。
(2)热管换热器的排污构造设计不甚合理。从一吸塔顶部流出的二次冷SO2烟气中夹带着含尘酸雾进入热管的冷端,虽然经过换热升温,饱和汽化了一部分酸雾,但不足以xxxx酸雾。在工艺烟气进入热管换热器冷端后,由于容积突然变大,使得气流速度有所变慢,且由于热管的螺旋翅片结构,会引起气流的不规则湍流,这样,使得未汽化的含尘酸雾发生相互间碰撞黏结在一起的概率增大,因此会出现较大、较重的含尘酸液粒沉积在热管冷端的箱底部的现象。
拆解热管换热器时,热管冷端的箱底部圆孔排污口的{zd1}点距箱底平面尚有30 mm的距离,这样造成厚层达30mm的污浊发黑浓硫酸液沉积于此,无法排放。由于污酸中的尘垢持续不断沉淀,沉淀后的尘垢又会黏结在一起成为块状,经过一段生产时间后,冷端箱底部Φ100 mm圆孔排污口即被结成块状的酸泥堵塞。若排污管口不能及时清堵,则堵塞酸泥浆越聚越多,并发生硬化,彻底堵塞排污管口,使得冷端箱的底部实际上成为储存沉积酸和酸泥的容器。因此在热管换热器的使用后期,其外壳多处、多次出现漏酸、漏烟现象。
(3)采用Φ42×4mm带翅片的无缝制作的换热管,其材质为20g轧制,并经过渗铝处理。这种热管虽然具有良好的导热性和耐高温抗氧化能力,但我厂生产现场的应用结果表明,它不太适于在(150℃左右)污浊浓硫酸侵蚀的SO2烟气环境中工作,冷端底部的热管尤其不能抵御因雾沫夹带而集聚在冷端箱底的污浊浓硫酸之浸泡。
(4)热管换热器采购时,提供的技术参数有较大差错,如基本参数的进口温度值不正确。出现了所购热管的换热量偏小问题,使得该热管安装伊始就在超压下工作。之后,现场为弥补换热量不足,同时也为了调控进一吸塔的气温,安装了热管换热器的旁通支路;但现场又将旁通支路错误地安装在热管的冷端。
(5)在以往的热管换热器生产操作中,错误地将一部分二次冷SO2烟气进行了旁通分流,加剧了热管的过载。上述诸多原因,造成了热管应用寿命过短。
5 结束语
目前,已在硫酸Ⅲ系列的转化换热流程中安装了一台空心环网板支承管壳式换热器,取代原热管换热器,作为第Ⅲb热交换器。该换热器的结构特点是壳程采用空心环网板支承管程急扩加速流缩放管束,所选换热器的换热面积为1000 m2,换热管采用304钢轧制而成,这种换热管材质具有很强的耐高温抗氧化能力。由于缩放型换热管具有促进管内外侧双界面湍流的作用,所以能起到强化对流传热、提高总传热系数的作用。该Ⅲb换热器的流程走向布置为一次转化SO3烟气走壳程、二次冷SO2烟气走管程,从而避免了从{dy}吸收塔来的二次冷SO2烟气所夹带的大量酸雾在换热器内积聚。
但是,这样的流程设置会使走壳程的SO3转化烟气因温度降低到露点左右而析出少量的过饱和冷凝酸,因此,在日常操作中要经常排放壳程和管程底部的冷凝酸,以防积聚。另外,为了减小{dy}吸收塔在吸收过程中产生的大量微小酸沫被上升烟气夹带现象,在操作上采取了减小{dy}吸收塔的上酸喷淋量,由原先的(1150±50) m3/h降至(950±50) m3/h(设计标准为997m3/h,所对应的烟气金属转子为12000 m3/h),防止出现喷淋量过大而产生液泛现象。在检修方面,在更换第Ⅲb热交换器的同时,还更换了{dy}吸收塔顶部的19只圆筒型纤维除沫元件,并清理{dy}吸收塔顶部捕抹层底部所集聚的酸泥。除此以外,还疏通了捕抹层底部的酸排放管路,从而恢复了原设计捕抹能力。 中国化工报