蒲昭廷，王克星，曹志斌，常　婧

(1.四川天一科技股份有限公司　四川成都　610225；2.陽煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司　山西太原　030000；3.航天長征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司　甘肅蘭州　730050)

在合成氨系統(tǒng)中，CO變換是強(qiáng)放熱反應(yīng)，是一個熱力學(xué)控制的過程，因此傳統(tǒng)的絕熱變換技術(shù)采用多段反應(yīng)、多段換熱的方式，導(dǎo)致工藝流程復(fù)雜、熱損失大、蒸汽消耗高、設(shè)備投資大。大型合成氨系統(tǒng)大多采用粉煤氣化或水煤漿氣化等煤氣化技術(shù)制取粗煤氣，粗煤氣中CO含量較高，體積分?jǐn)?shù)一般在50%～76%，使傳統(tǒng)絕熱變換技術(shù)已不能適應(yīng)大型合成氨系統(tǒng)的工藝要求。為了優(yōu)化變換流程及換熱方式，國內(nèi)提出了等溫變換的理念，使催化劑床層處于低溫、恒溫條件下反應(yīng)，可省去多臺變換爐和換熱設(shè)備，大幅縮短了變換工藝流程。

等溫變換爐是等溫變換系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，單臺設(shè)備大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是內(nèi)件換熱管較多，操作不當(dāng)容易損壞內(nèi)件而引起漏水事故，對催化劑造成不利影響，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，而且其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也使內(nèi)件的檢漏、檢修工作異常困難。

1　等溫變換爐簡介

陽煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司合成氨裝置配套的煤氣變換工藝采用高CO等溫變換專利技術(shù)及等溫變換反應(yīng)器專利設(shè)備，其主要特點(diǎn)：單系統(tǒng)等溫變換裝置干基處理氣量180 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，相當(dāng)于500 kt/a合成氨變換處理氣量，等溫變換爐直徑達(dá)DN 4 600 mm，是目前最大的等溫變換爐；煤氣化采用航天爐粉煤氣化技術(shù)，制得的粗煤氣中CO體積分?jǐn)?shù)高達(dá)67%，水氣比為1.3；等溫變換裝置出口變換氣中CO體積分?jǐn)?shù)≤0.4%，等溫變換爐中CO變換率達(dá)到97%以上，系統(tǒng)總變換率在99%以上；全部反應(yīng)熱用于副產(chǎn)4.3 MPa蒸汽。等溫變換爐相關(guān)部分工藝流程如圖1所示。

圖1　等溫變換爐相關(guān)部分工藝流程

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，等溫變換爐具有以下優(yōu)勢：①利用水相變移走變換反應(yīng)熱，真正實(shí)現(xiàn)等溫反應(yīng)，同平面溫差<3 ℃，床層溫差<10 ℃；②實(shí)現(xiàn)深度變換，CO轉(zhuǎn)化率達(dá)97%以上；③等溫變換爐內(nèi)換熱管為懸掛式雙套水管，不受殼體限制，可自由伸縮，結(jié)構(gòu)安全可靠，而且等溫變換爐高徑比大，容易實(shí)現(xiàn)大型化；④采用全徑向反應(yīng)，阻力小，實(shí)測等溫變換爐阻力<20 kPa，大幅降低了運(yùn)行成本；⑤反應(yīng)溫度低且恒定，催化劑使用壽命大大延長；⑥變換反應(yīng)熱幾乎全部回收利用，副產(chǎn)蒸汽品位高、產(chǎn)量大(4.3 MPa，70 t/h)，反應(yīng)器水汽系統(tǒng)自然循環(huán)，無需動力；⑦等溫變換爐操作簡單、易于控制，只需控制汽包蒸汽壓力即可輕松調(diào)節(jié)催化劑床層溫度。

2　等溫變換爐內(nèi)漏情況

變換系統(tǒng)第1次停車后，等溫變換爐汽包液位在20 h內(nèi)從29%降至24%，分析認(rèn)為是汽包的定排管道和連排管道閥門未關(guān)嚴(yán)。處理相關(guān)閥門后，汽包液位仍繼續(xù)下降，10 d之后液位降至0%,而之前正常時3 d內(nèi)液位僅下降1%。為排除汽包及相關(guān)管道泄漏的因素，進(jìn)一步確認(rèn)等溫變換爐內(nèi)件是否存在內(nèi)漏，將變換氣管道(即等溫變換爐殼程)充壓至約0.3 MPa，觀察到汽包壓力與殼程壓力同步升降。在等溫變換爐殼程壓力上升至一定值時，汽包壓力開始上升；等溫變換爐殼程壓力下降至一定值時，汽包壓力也開始下降。在汽包有液位時，因存在液位壓差而使殼程壓力始終高于汽包壓力；當(dāng)汽包無液位后，壓差降為0，并且由于變換氣管道系統(tǒng)大、漏點(diǎn)多，導(dǎo)致殼程降壓更快并低于汽包壓力。

通過上述測試工作，基本可判定等溫變換爐內(nèi)件出現(xiàn)內(nèi)漏，但內(nèi)漏的部位無法確定。由于后續(xù)裝置開車在即，并且等溫變換爐內(nèi)件內(nèi)漏不是很嚴(yán)重，因此在未進(jìn)行消漏檢修的情況下再次開車。

在再次開車升溫時，等溫變換爐催化劑床層西北側(cè)縱向4個測溫點(diǎn)溫度平穩(wěn)上升，接氣后溫度也穩(wěn)定在200 ℃左右。而東南側(cè)的測溫點(diǎn)在92 ℃左右恒溫了一段時間之后再次上升，但接氣后溫度在180～240 ℃范圍內(nèi)波動，很不穩(wěn)定。

此次開車接氣時，后續(xù)的冷激汽化器液位暴漲，液位在10 s內(nèi)從0上漲至滿液位，之后下游的深度變換爐入口溫度迅速下降了33 ℃。分析原因是：之前大量內(nèi)漏的水被催化劑吸附，在等溫變換爐催化劑床層升溫時解吸(這也與升溫至92 ℃有恒溫區(qū)相互印證)，在后續(xù)的冷凝液加熱器中被冷凝下來進(jìn)入冷激汽化器。由于變換氣從頂部進(jìn)入冷激汽化器并從中下部離開冷激汽化器，而其底部排液管直徑較小，大量冷凝液短時間內(nèi)無法排出，液位到達(dá)一定高度后被變換氣帶入下游深度變換爐中，對催化劑造成不利的影響。這也反過來驗(yàn)證了等溫變換爐內(nèi)件存在內(nèi)漏。

再次停車后，汽包液位下降速度更快，11 h內(nèi)液位從79%降至8%，說明等溫變換爐內(nèi)件內(nèi)漏情況加劇，嚴(yán)重影響催化劑的使用壽命及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須進(jìn)行消漏檢修處理。

3　等溫變換爐的檢漏與檢修

由于等溫變換爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜(圖2)，且裝填有硫化態(tài)的鈷鉬催化劑，若檢修時稍有不慎，就有可能釀成事故。經(jīng)多方討論，最終擬定了等溫變換爐的檢漏檢修方案。

圖2　等溫變換爐結(jié)構(gòu)示意

3.1　檢漏方法

割卸等溫變換爐外筒上封頭及內(nèi)件上管板，密封填焊外筒與內(nèi)件管箱之間的間隙。向汽室內(nèi)加入脫鹽水使其液面蓋過下管板換熱外管管口約15 mm。用氮?dú)庀驓こ坛鋲?，檢查每根換熱外管管口是否有氣泡冒出，如有說明此換熱管有漏點(diǎn)，將其封堵即可。

3.2　檢漏檢修步驟

3.2.1降溫、卸壓、置換

將等溫變換爐催化劑床層溫度降至100 ℃以下；汽包泄壓，然后通過汽包各排污管道、等溫變換爐底部導(dǎo)淋和進(jìn)出口管道排凈口將內(nèi)件管箱及換熱管內(nèi)液位降至最低。

變換氣管道系統(tǒng)用氮?dú)庵脫Q并進(jìn)行動火分析，達(dá)到能動火的程度。從等溫變換爐底部進(jìn)出口管道排凈口充入純氮?dú)?，保證殼程處于微正壓狀態(tài)。

3.2.2等溫變換爐外筒封頭割卸

開路2套測溫?zé)犭娕純x表線路(待上封頭及上管板割卸后再恢復(fù)，以監(jiān)控床層溫度)，拆下熱電偶套管。拆卸上封頭處連接的水、汽管道，檢查水、汽管道密封填料是否存在泄漏并拆下填料。從水室中下部位置對應(yīng)的外筒處圓周切割等溫變換爐外筒上封頭，及時清理割口，盡量避免焊熔渣掉入外筒與內(nèi)件之間的環(huán)隙，吊裝上封頭至地面。等溫變換爐切割點(diǎn)及泄漏點(diǎn)如圖3所示。

圖3　等溫變換爐切割點(diǎn)及泄漏點(diǎn)

3.2.3等溫變換爐內(nèi)件上管板割卸

刨開中心升汽管與上管板焊縫，在上管板以上200 mm處割斷中心升汽管。刨開催化劑加料管及測溫套管與上管板的焊縫，并將催化劑加料管密封焊堵。在下管板以上200 mm處割斷催化劑加料管(便于充壓檢漏時從中心升汽管處查看)，并用管帽封堵。

從水室中下部位置處圓周切割內(nèi)件上管箱壁，吊裝上管板至地面。密封填焊外筒與內(nèi)件管箱之間的環(huán)隙。

3.2.4等溫變換爐殼程充壓檢漏

用純氮?dú)鈱⒌葴刈儞Q爐殼程充壓至0.2～0.3 MPa，向汽室內(nèi)加入脫鹽水使下管板液位高約15 mm。檢漏人員進(jìn)入中心升汽管，將管道檢查機(jī)器人送入汽室各處查看管口處是否有氣泡冒出，以此預(yù)判泄漏管大致區(qū)域并予以標(biāo)記。

根據(jù)預(yù)判的泄漏區(qū)域，在對應(yīng)的中管板上開檢漏孔(大小以人能自由進(jìn)出為準(zhǔn))。吊卸切割下的中管板，將區(qū)域內(nèi)的換熱內(nèi)管拔出，然后確認(rèn)泄漏的換熱管。等溫變換爐殼程壓力降至微正壓，排凈下管板的水，用堵頭將泄漏換熱管的外管堵焊密封。漏點(diǎn)焊堵完成后，殼程充壓至1.0～1.5 MPa，重新檢查是否有新的泄漏點(diǎn)。

重復(fù)上述步驟，直至所有泄漏點(diǎn)全部檢出并焊堵試壓合格。

3.2.5等溫變換爐恢復(fù)安裝

檢漏及消漏完成后，插入未泄漏的換熱管內(nèi)管，恢復(fù)中管板檢漏孔，恢復(fù)所有換熱內(nèi)管與中管板密封焊接?；謴?fù)上管板及其水室管箱，恢復(fù)中心升汽管與上管板密封焊接，恢復(fù)中心升汽管高度，催化劑加料管和測溫?zé)犭娕继坠芤餐交謴?fù)。刨去外筒與內(nèi)件管箱間的密封焊堵，恢復(fù)環(huán)隙?；謴?fù)外筒封頭，恢復(fù)安裝上封頭組件及其配管。

按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行管箱、外筒、配管等的壓力試驗(yàn)，注意試驗(yàn)應(yīng)在所有水、汽管道及密封填料恢復(fù)后進(jìn)行，與汽包同步充壓，防止出現(xiàn)較大壓差而損壞內(nèi)件。

至此，等溫變換爐檢漏、消漏工作全部完成。

4　檢漏結(jié)果及檢修措施

由于等溫變換爐設(shè)備大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整個檢漏檢修工作耗時超過1個月，檢出一處漏點(diǎn)在南側(cè)Φ418 mm降水管與管箱上管板的焊縫處，裂縫長約250 mm，泄漏點(diǎn)位置見圖3。泄漏原因是在設(shè)備安裝時，降水管與外筒上封頭降水管口的中心未完全對中，開車運(yùn)行后因溫度較高產(chǎn)生形變，而降水管與管箱上管板的角焊縫處應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋，再次開車持續(xù)運(yùn)行中裂縫加長。在運(yùn)行過程中，汽包壓力始終高于殼程壓力，汽包內(nèi)的水通過裂縫泄漏至上管板，然后通過催化劑加料管、外殼與內(nèi)件間的環(huán)隙漏入催化劑床層。

此外，外筒上封頭與降水管、升汽管間的填料未發(fā)現(xiàn)泄漏，內(nèi)件換熱管也未檢出漏點(diǎn)。

針對降水管出現(xiàn)裂縫的問題，檢修時將上封頭內(nèi)的降水管和升汽管增設(shè)膨脹節(jié)，以解決熱膨脹應(yīng)力的問題。

5　等溫變換爐操作注意事項(xiàng)

考慮等溫變換爐本次漏水的實(shí)際情況，并綜合檢修對等溫變換爐本體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等造成的一定影響，對等溫變換爐的操作提出了相應(yīng)的調(diào)整及要求：①等溫變換爐開停車過程中及正常生產(chǎn)中應(yīng)注意按操作規(guī)程將升降壓速率及升降溫速率控制在指標(biāo)內(nèi)，并始終保證汽氣兩側(cè)壓差(等溫變換爐管殼程壓差)≤1.0 MPa(原設(shè)計為≤2.0 MPa)；②適當(dāng)降低汽包運(yùn)行壓力，高于系統(tǒng)壓力0.1～0.2 MPa(原設(shè)計約0.8 MPa)、汽包自產(chǎn)蒸汽能加入系統(tǒng)即可，在保證催化劑床層溫度和出口氣體成分的前提下，盡量縮小汽氣壓差，以降低內(nèi)件泄漏的概率；③嚴(yán)格控制汽包上水水質(zhì)和循環(huán)汽包水水質(zhì)，須符合《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 12145—2016)的指標(biāo)要求。