張　麗1,董文林1,屈英琳2,王　飛2

(1.石家莊雙聯化工有限責任公司,河北石家莊　050200;2.北京廣廈環能科技有限公司,北京　100083)

    摘要：介紹了不銹鋼波紋管換熱器在聯堿碳化外冷器、結晶外冷器、爐氣冷卻器等工況上的應用, 并詳細介紹了實際生產中取得的經濟效益,并對未來的應用前景進行了展望。

    關鍵詞：換熱器;不銹鋼波紋管;低品位熱能回收;節電節能

    中圖分類號：TQ 051.5; TQ 114.162　文獻標識碼:B　文章編號:1005-8370(2009)05-38-03

    波紋管換熱器是一種高效換熱設備,由于其顯著 的高效傳熱,防止結垢以及高溫熱補償等特性, “十五”期間,在煉油、電力、城市供熱及石化行業已得 到廣泛應用。近幾年,我國聯堿行業為了提高換熱效 率、回收低品位熱能、降低電耗及可比單位綜合能耗, 在許多設備上也試用了波紋管換熱器,在傳熱效果、 結疤狀況、抗腐蝕性能及阻力等方面均取得許多寶貴 數據,為波紋管換熱器在聯堿生產上使用奠定了基礎, 同時也為聯堿生產進一步降低能耗創造了條件。

波紋管換熱器中波紋管根據不同的加工方法可 分為薄壁波紋管和厚壁波紋管。薄壁波紋管是采用 內脹加工方法制造,管壁厚δ≤1.5 mm管內外呈波 紋狀;厚壁波紋管是采用外擠壓加工方法制造,管壁 厚1.5 mm≤δ≤3 mm,管內外呈波紋或螺旋狀。波 紋管換熱器根據所使用介質環境的不同,可采用奧 氏體不銹鋼、碳鋼、鈦材及銅等材料加工。近2年, 由于我國鈦材價格持續上漲,使得鈦管及鈦波紋管 價格很難讓聯堿企業所接受,因此經特殊處理的不 銹鋼波紋管能否成功應用于聯堿生產已成為行業普 遍關注的問題。2000年以來,北京廣廈公司與石家 莊雙聯化工有限責任公司合作,將不銹鋼波紋管換 熱器率先試用于新型變換氣制堿塔外冷器、AII換 熱器、煅燒爐爐氣冷凝塔、液氨蒸發外冷器等核心設 備上,并進行了探索性嘗試。

    1　在新型變換氣制堿塔外冷器上試用

    2000年,石家莊雙聯化工公司120 kt/a聯堿技 改工程中制堿工序φ2 600/φ3 600制堿塔外冷器采 用鈦材及碳鋼防腐兩種不同材料的換熱管(1臺 φ2 600/φ3 600制堿塔配3臺外冷器),使用1年后, 碳鋼外冷器開始泄漏。2001年,更換為管壁厚為 2 mm的不銹鋼外冷器,經3年試用,取得較好效果。 初步證實,在該工況下(溫度<60℃),不銹鋼外冷 器耐腐蝕及耐沖刷性可以滿足制堿工藝之需。但由 于直管外冷器(鈦材,不銹鋼)傳熱效率低,進、出口 循環水平均溫差2.5℃,夏季進、出口水溫差更低, 致使循環水用量較大。于是,在2004年6月和 2005年8月,投運的φ3 200/φ4 800,φ3 200/φ5 200 2臺制堿塔上都配備了由北京廣廈公司設計、制造 的不銹鋼波紋管外冷器,設備規格為DN1500,F= 538 m2,換熱管采用經特殊處理過的φ45×1.2、 316 L材料的波紋管,管板采用不銹鋼復合管板,經 2年多試運行,表現出許多優越性:

    1)冷卻水進出口溫差由原2.5℃提高到5℃, 換熱效率大幅度提高,同時降低了循環水用量。 2)未發現影響新型變換氣制堿塔自循環量現 象,原來所顧慮的外冷器換熱管結疤現象也不存在。 3)未發現管板處有腐蝕現象,也未發現換熱管 泄漏,在停車時用超聲測厚儀通過手孔測量壁厚分 別為:1.1 mm、1.18 mm和1.09 mm(自上而下) 壁厚基本無減薄。

    可以說,經特殊處理的不銹鋼波紋管外冷器配 備于依靠母液密度差自循環動力推動的新型變換氣 制堿塔上與直管鈦材、不銹鋼外冷器相比,不僅表現 出良好的傳熱性能,而且也經得起抗腐蝕性能的檢 驗。這主要是不銹鋼波紋管換熱器用于制堿塔換 熱,屬低品位熱量交換(母液溫度<50℃;循環水溫 度<35℃),還沒有達到不銹鋼腐蝕溫度緣故。

    2　在液氨蒸發外冷器上試用

    在聯堿生產中,Ⅱ過程冷析結晶一般采用液氨直接蒸發制冷鈦材外冷器,也有采用碳鋼外冷器廠家,碳鋼外冷器根據其防腐質量和性能的不同,一般可使用3~4年,也有許多廠家只能使用1~2年,甚至于使用不到1年的廠家也有。外冷器泄漏對聯堿生產影響很大,而且補焊碳鋼外冷器的工作量也相當繁雜。

    鈦材以特有的耐腐蝕性能用于聯堿制銨工序冷析結晶外冷器,是最佳材料選擇,已有連續使用2年報道。但是由于鈦材價格持續上漲,如擴建1套聯堿結晶系統采用鈦外冷器,其投資已占到整個工序投資50 %多,這讓沒有相當經濟實力或缺乏國家投資的企業很難承受這一現實。因此,利用低溫條件下不銹鋼對聯堿母液的有效耐腐蝕性,采用不銹鋼材質的液氨蒸發式外冷器越來越顯示出強大競爭力。

2004年10月,石家莊雙聯化工有限公司為了 提高φ8 500×6 500×9 345冷析結晶器(300 m3)、 φ9 500×6 850×9 326鹽析結晶器(300 m3)制銨工 序能力,在原φ2 000、832 m2碳鋼外冷器經常泄漏 情況下,結合制堿工序使用不銹鋼波紋管外冷器試 用經驗。利用原φ2 000外冷器設備筒體及管板,更 換上北京廣廈公司制造的材料為0Cr18Ni10Ti、規 格為φ45×1.2的波紋管;2005年5月,又利用原 φ2 000外冷器舊設備筒體及管板更換了1臺原來的 φ45×1.5直管外冷器,2005年10月,又更換了1臺 波紋管換熱器,這為不銹鋼外冷器采用直管與波紋 管的效果比較創造了條件,經對比運行,不銹鋼波紋 管液氨蒸發外冷器表現出許多優勢:

    1)傳熱效率高:波紋管外冷器傳熱效率約為直 管的1.8倍(從AI投量數據、外冷器母液進出口的 溫差及產量對比計算出)。2臺波紋管作業,AI投 量可達200 m3/h(冷析溫度相同,均為10℃),1臺 波紋管與1臺直管作業,AI投量僅140 m3/h(冷析 溫度相同,均為10℃)。直管外冷器溫度過飽和度 為0.4~0.5℃,波紋管外冷器溫度過飽和度為0.8 ~1.0℃。

    2)光滑不堵塞:波紋管外冷器列管不堵塞,輪換 后,用AI清洗泵4 h可以清洗徹底,不用人工沖洗, 很少打開人孔檢查。

    3)提高生產能力:由于波紋管外冷器傳熱性能好,進、出外冷器溫度過飽和度提高近1倍,且不堵塞外冷器。在基本不改變冷析結晶器表觀流速,不破壞冷析結晶床層情況下,冷析產量大幅度提高,為結晶工序挖潛、增產創造了條件。因此可以說,聯堿結晶工序冷析生產能力核心是液氨蒸發外冷器,如全部采用波紋管外冷器,在冷析結晶器設計不變前提下,生產能力基本提高1倍。

    4)節電明顯:由于采用傳熱性能高的波紋管外 冷器,在稍微增大冷析軸流泵功率的前提下,不僅能 實現較好的傳質效果,而且節電更為明顯。這一點 可以通過石家莊雙聯化工有限責任公司不銹鋼波紋 管與直管外冷器對比中得到進一步證實:φ2 000直 管外冷器軸流泵電流平均為112 A,φ2 000波紋管 外冷器電流為123 A,電耗增加約9.8 %,而產量基 本提高1倍,因此采用波紋管換熱器可大幅度降低 制銨工序冷析軸流泵電耗。按一套20萬t/a結晶能 力進行核算,采用波紋管不銹鋼外冷器可節電約 100 kW/h,年節電約80萬kW·h,可節約電費約 24萬元。

    5)節約投資:聯堿行業外冷器設計受筒體直徑 與長度限制,不能做得盡可能大。如進行單套結晶 器能力放大,首先要保證母液通過外冷器每次循環 產生的溫度過飽和度,這就要求外冷器有足夠換熱 面積。以1套20萬t/a結晶系統為例(配4臺外冷 器),如選用直管外冷器,采用φ2 400×6 500筒體 進行管子緊密布置,也只能排下1 415 m2換熱面積 (φ2 400×6 500外冷器目前應為聯堿最大外冷器), 如要將換熱面積排到1 600 m2,一種方法是加大外 冷器直徑,這將造成制造難度增加,或因管板焊接變 形而難以保證制造質量等問題;另一種方法是增加 換熱管長度,這樣冷析軸流泵的揚程必須相應增加, 增加了動力消耗,而且我國聯堿行業單套大型的制 銨系統很少,大廠也只是多套結晶器的組合,單套結 晶器能力超過20萬t/a的在聯堿行業還很少,這主 要與冷析結晶器配套的外冷器能力未能成功放大有 直接關系。波紋管液氨蒸發外冷器的使用,可以使 聯堿行業制銨工序單套能力超過20萬t/a,甚至可 以實現30~50萬t/a,這不僅對降低聯堿技改擴建 投資具有現實意義,而且也對我國制銨工序單套能 力實現大型化具有指導意義。

    2006年10月,石家莊雙聯化工公司新投運的 φ13 000×9 400×10 950鹽析結晶器及φ12 000×9400×11300冷析結晶器配套3臺φ2 400×6 500不銹鋼波紋管外冷器,在開1臺φ2 400外冷器(配 Q=5500 m3/h,H=3 m,N=110 kW;A=170 A) 前提下,AI投量可達230 m3/h,冷析溫度為10℃,外冷器蒸發壓力平均為0.38 MPa,冷析結晶器氯化銨取出沉降時間約30 s,且外冷器不堵塞,不用打開人孔檢查。基本接近20萬t/a能力,且產品質量優良,這進一步證實波紋管用于液氨蒸發外冷器的優勢。

    根據不銹鋼波紋管外冷器在石家莊雙聯化工公 司的使用情況,換熱管材料與管板材料的匹配問題 還需在訂貨時多加關注。雙聯化工公司的φ2 000 液氨蒸發外冷器在改造時是在原有的舊筒體和管板 的基礎上更換不銹鋼波紋管,因為舊管板上的殘留 物難以徹底清除,加之不同材料之間存在的電位差 腐蝕,造成了換熱管和管板的焊接處出現局部泄漏。 而在工藝操作溫度比其高的制堿塔外冷器,在最初 制造時就選用了不銹鋼復合管板,經過比其更長的 使用考驗,都沒有出現泄漏現象。因而不銹鋼波紋 管在外冷器中使用時,采用復合管板是解決焊縫泄 漏的有效途徑。

    3　在煅燒爐爐氣冷凝塔及AⅡ換熱器 上試用

    煅燒爐爐氣冷凝塔原來采用碳鋼直管時,由于 爐氣溫度高,筒體無補償,往往使用不到1年就發生 泄漏,石家莊雙聯化工有限公司于1999年更換為北 京廣廈公司提供的φ1 600的不銹鋼波紋管爐氣冷 凝器后,已連續運行7年,由于其優越的換熱性能, 使爐氣出口溫度有了明顯降低,同時其熱補償性能 的充分發揮也使得設備不再發生泄漏,大大改善現 場環境。此外AⅡ換熱器試用2年來情況良好。

    聯堿行業存在腐蝕性強,易堵塞,且低品位熱能需回收多等缺陷,因此在換熱器形式和換熱管材料選用上須進行斟酌篩選,鈦材就其耐腐蝕性能而言, 應為首選,但考慮到其高昂價格及聯堿行業低利潤 的現實,致使許多中、小企業望而卻步。目前聯堿行業技改、擴建應遵循價值規律原則,選擇價格適中、性價比高的設備及材料,這不僅符合聯堿生產腐蝕性強、沖刷磨損嚴重、易泄漏、易堵塞的實際,而且有利于進一步減少聯堿母液泄漏損失、降低綜合能耗, 提高項目投資回報率及經濟效益。

參考文獻

[1]　大連化工研究設計院.純堿工學,第二版[M].北京: 化學工業出版社,2004

[2]　王　楚.純堿生產工藝與設備計算[M].北京:化學工 業出版社,1995