劉磊

（上海國際化建工程咨詢公司，上海 200063）

非催化部分氧化（POX）過程廢熱鍋爐設(shè)計(jì)探討

劉磊

（上海國際化建工程咨詢公司，上海 200063）

廢熱鍋爐為POX轉(zhuǎn)化工段的關(guān)鍵設(shè)備之一，其入口溫度高達(dá)1350℃，運(yùn)行工況苛刻。針對(duì)立式盤管廢鍋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及大型化過程中的優(yōu)化措施進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹及探討。

廢熱鍋爐；POX轉(zhuǎn)化；盤管；撓性管板；塵化腐蝕

1 技術(shù)背景

非催化部分氧化(POX)制取合成氣（CO+H2）轉(zhuǎn)化工段中的高溫轉(zhuǎn)化氣含有大量的CO、CO2、H2，并可能含有H2S、煤灰等雜質(zhì)，此類工藝流程中的廢熱鍋爐需考慮介質(zhì)的腐蝕、沖刷以及結(jié)垢等各種問題[1]，同時(shí)反應(yīng)后的氣體溫度可高達(dá)1350℃，下游熱回收裝置廢熱鍋爐的運(yùn)行工況極為苛刻。

我國上世紀(jì)80、90年代引進(jìn)的SHELL渣油氣化技術(shù)（SCP）中的關(guān)鍵設(shè)備之一即為廢熱鍋爐，該廢鍋為立式火管型，換熱管共為6根，每3根一組螺旋盤繞，形成換熱管束。工藝氣進(jìn)口端設(shè)置強(qiáng)制水循環(huán)冷卻裝置，冷卻水由水管直接噴入厚管板與撓性管板的腔體，每根換熱管設(shè)置相對(duì)應(yīng)的噴水冷卻管，為了保證冷卻水均勻，腔體內(nèi)設(shè)置多塊導(dǎo)流板進(jìn)行導(dǎo)流[2]。隨著裝置的大型化，上述的管束及循環(huán)冷卻方式難以適應(yīng)更大工藝氣量的要求。

筆者自2005年開始，對(duì)該類型的廢鍋的大型化和國產(chǎn)化進(jìn)行了一系列研究，并針對(duì)在工程項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了優(yōu)化，本文將從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、塵化腐蝕預(yù)防等幾個(gè)方面進(jìn)行介紹。

2 結(jié)構(gòu)特征

本立式盤管廢熱鍋爐主要由管箱、耐火襯里、管板、強(qiáng)制水循環(huán)冷卻室、管束、鍋殼等主要零部件構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 高溫立式盤管廢鍋結(jié)構(gòu)圖

由于工藝氣的溫度很高，通常在管箱內(nèi)部設(shè)置耐火襯里以保護(hù)金屬殼體。管箱包含筒體、封頭、氣體進(jìn)口、人孔等，與厚管板焊接或法蘭連接。管板由兩部分組成，與工藝氣接觸的部分為撓性管板，起隔熱和吸收熱膨脹的作用；與鍋爐水接觸的部分為厚管板，主要起承壓作用。撓性管板直接焊接于厚管板上，換熱盤管入口端焊接于撓性管板上，且穿過厚管板并用固定環(huán)焊接。撓性管板與厚管板間形成的腔體采用強(qiáng)制循環(huán)水冷卻，以保護(hù)撓性管板及換熱盤管入口端，這部分與循環(huán)水分配室、循環(huán)水進(jìn)口管、出口管等零部件共同組成強(qiáng)制水循環(huán)冷卻室結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)及冷卻水流向如圖2所示。

圖2 管板區(qū)結(jié)構(gòu)及冷卻水流向圖

管束由盤管及盤管支架共同組成。盤管支架下端焊接于鍋殼，整個(gè)支架與換熱盤管一同向上自由膨脹。中心管除作為支撐用，還用以改善水循環(huán)，提高對(duì)受熱面積的沖刷速度，有利于傳熱。盤管由若干根換熱管組成，每根盤管的規(guī)格、長度應(yīng)大致相同，使阻力相同，以確保氣體分布均勻。氣體在管內(nèi)的流速應(yīng)視具體工藝情況而確定，取25m/s～70m/s，流速過大，換熱管熱強(qiáng)度就大，可能會(huì)導(dǎo)致水側(cè)管壁上形成膜態(tài)沸騰，換熱管局部過熱；流速過小，傳熱效果差，管內(nèi)壁容易積炭。同時(shí)，為保證換熱管內(nèi)被冷卻的工藝氣體流速均勻，每根換熱管由若干段逐步縮徑的管子連接而成，每段間用異徑接頭連接。換熱管的盤繞方式見圖3、圖4。

圖3 兩組8頭盤管結(jié)構(gòu)圖

圖4 12頭6組小管束設(shè)計(jì)布置圖

鍋殼上部包含一定的汽水分離空間及汽水分離元件。殼體與管板焊接連接，為方便檢修管束，殼體可設(shè)置設(shè)備法蘭。

3 材料選擇

轉(zhuǎn)化氣中含有大量的H2、CO、CO2等成分，且溫度較高，換熱盤管和撓性管板以及轉(zhuǎn)化氣進(jìn)口管等應(yīng)根據(jù)Nelson曲線按金屬壁溫選用合適的Cr-Mo鋼，如12Cr2Mo、14Cr1Mo、15CrMo等。同時(shí)還應(yīng)注意在高碳活度氣體氛圍 （含CO、CO2、H2和H2O）中的金屬塵化腐蝕（Metal Dusting）問題，該腐蝕主要發(fā)生在450～800℃，金屬的表面以及內(nèi)部發(fā)生滲碳腐蝕，析出碳化物、氧化物、金屬、C或者石墨等組成的混合物，造成金屬損傷以至于破壞失效。當(dāng)n(CO) /n(CO2)＜0.5時(shí)，基本上沒有塵化現(xiàn)象；但當(dāng)n(CO)/ n(CO2)=3～5時(shí)，將面臨嚴(yán)重的金屬塵化問題。預(yù)防金屬塵化腐蝕主要應(yīng)考慮降低金屬壁溫、使工藝氣與金屬表面隔離、改變氣體組分和提高材料等級(jí)等幾個(gè)方面考慮。

4 工程問題及優(yōu)化

上述設(shè)計(jì)先后應(yīng)用在由上海國際化建工程咨詢公司提供整體POX非催化轉(zhuǎn)化技術(shù)的滄州大化天然氣轉(zhuǎn)化制TDI項(xiàng)目和寧夏寶豐焦?fàn)t氣轉(zhuǎn)化制甲醇項(xiàng)目，實(shí)際操作中取得良好的使用效果，但也遇到諸如撓性管板腐蝕、耐火襯里脫落等問題。圖5a/b為在運(yùn)行1年后在檢修過程中發(fā)現(xiàn)的撓性管板腐蝕問題，轉(zhuǎn)化氣進(jìn)口側(cè)金屬表面均勻分布許多深度約3mm的麻坑，焊縫附近出現(xiàn)最深為4mm寬2mm裂縫。上述現(xiàn)象與金屬塵化腐蝕行為的描述接近，在備件的制造過程中采取了更換撓性管板材質(zhì)，并在撓性管板下設(shè)置耐火襯里，以達(dá)到進(jìn)一步降低金屬溫度同時(shí)盡量隔離轉(zhuǎn)化氣的目的。實(shí)踐證明，改進(jìn)效果明顯，在后續(xù)的檢修中未出現(xiàn)同類腐蝕問題。

圖5a 撓性管板腐蝕

圖5b 撓性管板腐蝕（放大圖）

考慮到圖3中所示的廢鍋管束為8頭兩組（每組4進(jìn)4出）盤旋制成，SHELL渣油氣化裝置的操作經(jīng)驗(yàn)表明該類盤管存在一定的拉裂問題，尤其在頻繁開停車的過程中，因此業(yè)主需對(duì)管束進(jìn)行整體備件。為解決該問題，如圖4所示，將盤管設(shè)計(jì)為若干組相同的小管束，均勻的安裝于鍋殼。這樣，每個(gè)小管束可相互備件，維修更換更為靈活便捷，同時(shí)適用于頭數(shù)更多的大型廢鍋管束制造[3]。

5 總結(jié)

隨著裝置產(chǎn)能的大型化，關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造的難度也越來越大，上述廢鍋即是在這一背景下進(jìn)行的有益探索。采用更合理的水循環(huán)冷卻裝置和盤管盤繞方式使該類型廢熱鍋爐能夠適應(yīng)更苛刻的工藝條件，并且能夠適應(yīng)大型化發(fā)展的需求，立足于國內(nèi)金屬材料和加工制造水平，完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

[1]古大田,方子風(fēng).化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書——廢熱鍋爐[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[2]馬自成,龔大華,李海英.謝爾廢鍋撓性管板和入口喇叭管檢修技術(shù)探討[J].大氮肥,2005,28(3):197-200

[3]劉磊,張西原,金力強(qiáng),等.高溫立式盤管廢熱鍋爐[P]. CN:201110084186X,2011.

A discussion on waste heat boiler design in noncatalytic partial oxidation(POX)reforming process

LIU Lei
(Shang Hai International Engineering Consulting Company,Shang Hai 200063,China)

Waste heat boiler was one of the key equipment in the noncatalytic partial oxidation (POX)reforming process which had harsh operation conditions with a gas inlet temperature of around 1350℃.The structure design of the waste heat boiler and the optimization during the capacity enlarging were described.

waste heat boiler;POX reforming;coil tube;flexible tubesheet;metal dusting

TQ05

：B

：1001-9219(2015）04-54-03

2015-02-25；

：劉磊（1982-），男，工程師，工程碩士，主要從事化工設(shè)備的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作，電郵siecc@siecc.com。