2004年2月,我公司三期凈化系統更換中變爐催化劑,在對升溫還原設備進行例行檢查之際,發現加熱爐對流段換熱列管泄漏嚴重,其301根 57×3 5ｍｍ列管中有一半以上泄漏,已無法進行焊補修復。該加熱爐是中變催化劑升溫還原必不可少的設備之一,而當時中變爐催化劑已裝填完畢,急需進行升溫還原。在此情況下,解決的辦法有兩種:一是重新制作該換熱器,估計需12～15ｄ,這樣一來,催化劑升溫還原時間會向后推遲,勢必嚴重影響生產;二是用其他類型的換熱設備來代替該換熱器,以解燃眉之急。我公司最終采用了第二種方法加以解決。
　　1　凈化加熱爐對流段換熱器損壞的原因分析
　　加熱爐對流段換熱器為列管式熱交換器,殼體直徑為1500ｍｍ,列管規格為 57×3 5ｍｍ,列管長3400ｍｍ,換熱面積約為180ｍ2,殼體及列管材料均為20ｇ。原設計在加熱氮氣的工況下承受的煙氣溫度≤700℃。
　　從設備的損壞情況看,主要為過燒,分析過燒的原因有二:一是由于加熱爐所燒的煤氣壓力較過去高,燃燒時火焰高溫區上移,煙氣出輻射段溫度提高;二是因該加熱爐原設計為加熱氮氣,氮氣進加熱爐輻射段溫度僅40℃,出輻射段進加熱段溫度計算僅200～250℃左右,因此加熱段列管最高壁溫在450～475℃。查文獻[1],列管材料還能承受,但由于升溫介質的改變,由氮氣改為過熱蒸汽,進加熱段升溫介質溫度可達300℃左右,列管最高壁溫可達500℃以上,超出了20ｇ材料溫度承受范圍,導致了設備的損壞。
　　2　代用設備的選擇
　　為了防止同樣事故的發生,所選代用換熱器材料耐熱特性必須超過20ｇ。
　　經過對我公司現有設備的摸底,了解到有一臺甲醛氧化反應器的廢鍋閑置不用并已報廢,其工藝參數及設備規格如下。
　　設計壓力　管程0 17ＭＰａ,殼程0 22ＭＰａ
　　設計溫度　管程650～200℃,殼程133℃
　　換熱面積　93ｍ2(以外徑計)
　　筒體直徑　1200ｍｍ
　　換熱管規格　 25×2 5ｍｍ,Ｌ=1351ｍｍ
　　換熱管數量　913根
　　材料　殼體及換熱管均為1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ
　　用該換熱器代替凈化加熱爐換熱器,管程走煙氣,殼程走減壓后的過熱蒸汽,其操作壓力均低于0 2ＭＰａ,因此該換熱器的使用壓力等級不成問題。
　　甲醛廢鍋材料為18 8不銹鋼,經查手冊其長期使用溫度可達766℃,也就是說,即使煙氣溫度達1000℃,加熱介質溫度達500℃時,其計算壁溫達750℃,該廢鍋也能承受。因此,該廢鍋的材料能滿足要求。
　　但甲醛廢鍋的換熱面積僅為原設備的一半,且二者的煙氣流通面積分別為0 286ｍ2和0 59ｍ2,在同樣的煙氣流量條件下,該廢鍋煙氣流速是原加熱段的2 06倍,相應煙氣阻力會有較大的增加,因此該廢鍋能否代替凈化加熱爐換熱器還需進行嚴格的工藝校核。
　　校核條件如下:凈化加熱爐輻射段共24根 108×4ｍｍ不銹鋼管,Ｌ=4000ｍｍ;中變爐催化劑裝填量為30ｍ3(45ｔ);燃燒煤氣成分Ｈ238%、ＣＨ41 5%、Ｎ221%、ＣＯ32%、ＣＯ27%、Ｏ20 2%、Ａｒ0 3%;中變爐升溫還原共有2臺加熱設備,低于150℃時用空氣升溫,電爐加熱(功率700ｋＷ),升溫速度為10℃/ｈ;在150℃以上時切換成過熱蒸汽升溫;在溫度達200～250℃時,在嚴格控制氧含量的條件下,補氫還原。
　　工藝核定的結果為:甲醛廢鍋雖換熱面積較小(93ｍ2),但由于煙氣及升溫介質流速提高從而使輻射段及加熱段總傳熱系數有較大的提高,在同等的熱負荷條件下,所需的換熱面積減小,輻射段為31 42ｍ2,加熱段為81 9ｍ2,用甲醛廢鍋代替加熱段換熱器,換熱面積富余量不大。但以上計算未考慮補氫的反應熱,實際上隨著升溫還原進程中的不斷補氫(反應熱為9 63ｋＪ/ｍｏｌ),以此計算,在進出催化劑層氫含量差在0 5%～1%的工況下,補氫放出的反應熱可占還原所需熱量的5%～10%,因此綜合考慮補氫因素,確定用甲醛廢鍋代替加熱爐換熱器是完全可行的。
　　另外,由于甲醛廢鍋的煙氣通道較小,工藝核定的結果是煙氣進出該廢鍋的阻力降增大,這是操作中的一個不利因素,但從數據上看,由于列管長度縮短了近2/3,加之不銹鋼管的相對粗糙度較小,增加的阻力降不是很大,可以通過改進操作方法予以彌補,如盡量使用電爐升溫,減小加熱爐的熱負荷,使煙氣流量、溫度降低,從而減小煙氣阻力。對于殼程阻力的增加,因升溫介質由原設計氮氣改為過熱蒸汽,本身有壓力,故不需考慮阻力增加的因素。
　　甲醛廢鍋管板為固定管板結構,而原加熱爐換熱器為撓性薄管板結構,二者有一定的差別,但經核定,甲醛廢鍋此種型式的管板結構應用于現加熱爐工況條件下不存在問題。
　　由于工況的變化,根據現加熱爐的工藝參數對甲醛廢鍋的Ｕ型膨脹節進行了核定,核定結果該膨脹節可滿足要求(未進行疲勞壽命核算)。
　　綜合以上情況,我公司決定用甲醛廢鍋來代替凈化加熱爐換熱器。
　　3　工程的實施
　　代用設備確定以后,我公司很快組織了工程實施,主要進行了以下幾項工作:　　(1)對代用設備甲醛廢鍋進行全面檢測;
　　(2)將代用設備甲醛廢鍋安裝定位;
　　(3)因原軟水、蒸汽進出口管徑較小,進行適當改造;
　　(4)設備及管道進行保溫處理;
　　(5)做好多項準備,考慮各種不利因素的可能性,在必要時補入ＣＯ進行還原。
　　我公司僅用4ｄ即完成了代用設備的安裝、配管及保溫工作,并于2004年3月4日開始對三期凈化中變爐催化劑進行升溫還原。
　　4　使用情況
　　4 1　在三期中變爐升溫還原中的應用
　　2004年3月4日上午10:00開始空氣升溫,開啟電爐加熱,未開加熱爐;3月5日14:00停用空氣升溫,切換為過熱蒸汽,此時的Ｔ3～Ｔ7點溫度均為153℃,電爐功率為464ｋＷ;3月5日17:00開始開啟加熱爐,與電爐同時對催化劑進行升溫還原,由于加熱爐的開啟,電爐功率調至最低;3月5日18:30對系統補氫;3月6日加熱爐、電爐同時升溫,并加大配氫量,電爐最大功率為491ｋＷ;3月7日3:39,系統壓力開始下降,4:30開始下調電爐功率;3月7日10:00升溫還原結束,此時的Ｔ10點溫度為450℃,加熱爐出口溫度達440℃,電爐出口溫度為504℃,加熱爐爐膛溫度為694℃,電爐功率為323ｋＷ。
　　整個升溫還原過程大致延續72ｈ,從升溫還原過程看,電爐開啟最大電流為1000Ａ,電壓260Ｖ,計算功率<500ｋＷ,距銘牌功率700ｋＷ尚有一定的安全余量。在升溫還原后期,由于溫度的提高及配氫量的增大,加熱爐的操作難度有所加大,具體表現在系統壓力下降,煤氣燒嘴的調節比較困難,從而引起電爐和加熱爐的熱量分配不均衡。煙氣阻力較大,加熱爐的熱負荷不易提高。從整個升溫還原過程看,甲醛廢鍋代替加熱爐換熱器在三期凈化中變爐升溫操作中沒有出現大的問題,升溫過程也比較順利,因此是完全可行的。
　　4 2　在四期凈化中變催化劑升溫還原中的應用
　　用甲醛廢鍋代替加熱爐換熱器對三期凈化中變爐催化劑進行升溫還原取得了成功,而四期凈化中變爐的升溫還原也必須用此臺加熱爐,四期中變爐催化劑裝填量為37ｍ3(55ｔ),升溫還原所需熱負荷更大,甲醛廢鍋的換熱面積則無大的余量。因此對四期中變爐而言,如仍以三期中變爐同樣的空速進行升溫還原,大致增加熱負荷23%左右。
　　在2005年9月四期凈化中變催化劑升溫時,我公司通過在工藝上采取必要的措施,使該加熱爐亦可正常用于升溫還原,結果在四期凈化中變催化劑的升溫還原中也取得了理想的效果。