硝酸裝置氨系統(tǒng)換熱器改造

李紅兵 甄延明 郭家秀

( 中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司硝酸廠，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

1 前言

遼陽(yáng)石化分公司硝酸廠11.6 萬(wàn)噸/年稀硝酸裝置中，氨系統(tǒng)換熱器是保證持續(xù)供應(yīng)合格氣氨原料的關(guān)鍵設(shè)備。自裝置投產(chǎn)以來(lái)，換熱器在運(yùn)行中頻繁發(fā)生泄漏，每次檢修完，換熱器的使用時(shí)間都達(dá)不到一個(gè)周期，嚴(yán)重制約著裝置的平穩(wěn)長(zhǎng)周期運(yùn)行。本文針對(duì)氨系統(tǒng)換熱器運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)其工況及結(jié)構(gòu)、材質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并結(jié)合實(shí)際情況提出解決方案，說(shuō)明改造效果。對(duì)同類裝置的平穩(wěn)長(zhǎng)周期運(yùn)行提供有價(jià)值的參考。

2 設(shè)備功能介紹及運(yùn)行情況

2.1 氨蒸發(fā)器的功能及運(yùn)行情況

氨蒸發(fā)器A/B 的作用是將罐區(qū)輸送來(lái)的液氨持續(xù)蒸，為裝置提供參數(shù)合格的氣氨，保證裝置的連續(xù)平穩(wěn)生產(chǎn)，其中約80%的液氨在A 臺(tái)蒸發(fā)器中，A 臺(tái)蒸發(fā)器所需熱源由閉路循環(huán)水從吸收塔冷卻器E113 吸收提供。剩余的液氨在B 臺(tái)蒸發(fā)器中利用循環(huán)冷卻水從高壓反應(yīng)水冷器E111 帶來(lái)的熱源蒸發(fā)。

氨蒸發(fā)器B(E101B)采用列管換熱器，殼層物料為液氨，管層物料為循環(huán)水，在運(yùn)行過(guò)程中換熱器管板處由于腐蝕經(jīng)常出現(xiàn)泄漏，造成液氨進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)，影響循環(huán)水水質(zhì)和設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 氨輔助蒸發(fā)器的功能及運(yùn)行情況

氨輔助蒸發(fā)器E102 的作用是將氨蒸發(fā)器間歇排出的油、水等雜質(zhì)進(jìn)行收集，并用低壓蒸汽對(duì)含油、水的液氨進(jìn)行加熱，溫度控制在60℃－90℃，以便將其中的液氨蒸發(fā)出來(lái)送入氨系統(tǒng)回收利用。

氨輔助蒸發(fā)器采用蛇管式換熱器，殼程為含油、水等雜質(zhì)的液氨，管程為低壓蒸汽。在運(yùn)行過(guò)程中，換熱盤管集箱及集箱后總管經(jīng)常發(fā)生腐蝕泄漏現(xiàn)象，造成設(shè)備的頻繁檢修，影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.3 蒸氨器的功能及運(yùn)行情況

蒸氨器E116 的作用是將罐區(qū)輸送來(lái)的液氨蒸發(fā)為氣氨，送入氨還原反應(yīng)器K102，為尾氣的還原反應(yīng)提供所需的氣氨，來(lái)保證尾氣的還原質(zhì)量。

蒸氨器同樣采用蛇管式換熱器，殼程為少量液氨，管程為低壓蒸汽。在運(yùn)行過(guò)程中，與E102 類似的出現(xiàn)換熱盤管集箱及集箱后總管經(jīng)常發(fā)生腐蝕泄漏現(xiàn)象，造成設(shè)備的頻繁檢修，影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.4 排油罐的功能及運(yùn)行情況

排油罐R109 的作用是將氨輔助蒸發(fā)器E102 排出的含少量液氨的油水混合物進(jìn)行收集，利用環(huán)境溫度對(duì)其中的液氨進(jìn)行蒸發(fā)，送入排空系統(tǒng)，以避免對(duì)進(jìn)行排油操作的員工造成傷害。

在環(huán)境溫度較低時(shí)，由于罐內(nèi)沒(méi)有熱源，油水混合物中的液氨不能完全排出，油水中氨味較大且油水混合物處于粘稠狀態(tài)，對(duì)排油操作造成極大困難，現(xiàn)場(chǎng)采用外接耐熱橡膠管接引低壓蒸汽纏繞在罐體上的方法對(duì)罐進(jìn)行加熱，加熱后的蒸汽直接外排，加熱一段時(shí)間后進(jìn)行排油操作。

3 原因分析及設(shè)備改造

3.1 氨蒸發(fā)器B 的腐蝕分析及改造

原因分析:氨蒸發(fā)器E101B 管板及管束為10#鋼，長(zhǎng)期處于含油水雜質(zhì)的液氨和循環(huán)水中，由于循環(huán)水采用敞開(kāi)式循環(huán)，雖然有相應(yīng)的水處理措施，但是水中雜質(zhì)仍然較多，在管板及管束中極易堆積結(jié)垢，造成設(shè)備的垢下腐蝕較為嚴(yán)重;當(dāng)裝置中的成品酸冷卻器發(fā)生泄漏時(shí)，酸進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)，導(dǎo)致PH 下降，此時(shí)對(duì)蒸發(fā)器的腐蝕更為劇烈。在以上綜合工況下，蒸發(fā)器管板和管束極易被腐蝕而發(fā)生泄漏。

設(shè)備改造:304 不銹鋼是一種在空氣中或化學(xué)腐蝕介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼，將氨蒸發(fā)器B 管板及換熱管線由10#鋼改為含碳量較低的304 不銹鋼，提高其耐腐蝕能力，可杜絕腐蝕和泄漏的發(fā)生。改造前和改造后設(shè)備的運(yùn)行效果如圖1 和圖2 所示。

圖1 改造前

圖2 改造后

3.2 氨輔助蒸發(fā)器及蒸氨器的腐蝕分析及改造

原因分析:氨輔助蒸發(fā)器E102、蒸氨器E116 內(nèi)部盤管材質(zhì)為20#鋼，盤管內(nèi)流經(jīng)的低壓蒸汽，當(dāng)?shù)蛪赫羝竭_(dá)盤管根部及集水箱時(shí)，由于冷卻形成水汽混合物，在高溫高壓下對(duì)管束的沖刷腐蝕非常嚴(yán)重。盤管的外表面長(zhǎng)期處于含油水雜質(zhì)的液氨中，一般情況下，無(wú)水液氨只對(duì)鋼產(chǎn)生很輕微的均勻腐蝕。但氨輔助蒸發(fā)器為間歇操作，在操作過(guò)程中空氣中的氧和二氧化碳不可避免的要進(jìn)入設(shè)備，促進(jìn)氨對(duì)鋼的腐蝕，其反應(yīng)如下:

2NH3+CO2→NH4CO2NH2(氨基甲酸氨)

NH4CO2NH2→+CO2

O2+2NH+4+2Fe→2Fe+2+2OH－+2NH3［1］

反應(yīng)中的氨基甲酸氨對(duì)碳鋼有強(qiáng)烈的腐蝕作用，使鋼材表面的鈍化膜產(chǎn)生破裂，并在此產(chǎn)生陽(yáng)極型電化學(xué)腐蝕。液氨對(duì)強(qiáng)度越高的鋼材產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向越大，由于焊縫處強(qiáng)度相對(duì)高且殘余應(yīng)力較高，所以應(yīng)力腐蝕非常嚴(yán)重。盤管與集水箱采用焊接方式連接，由于空間及盤管分布的限制，盤管與集水箱的連接點(diǎn)不能對(duì)稱分布，在焊接根部形成極大地局部裝配應(yīng)力，在運(yùn)行過(guò)程中，極易發(fā)生脆裂裂紋而泄漏。

設(shè)備改造:304 不銹鋼較20#鋼含碳量低，強(qiáng)度相對(duì)低，且304 是一種在空氣中或化學(xué)腐蝕介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼，將氨輔助蒸發(fā)器E102、蒸氨器E116 內(nèi)部盤管材質(zhì)由原來(lái)的20#鋼改為含碳量較低的304 不銹鋼，并在盤管與集水箱焊接處增焊加強(qiáng)筋板，大大降低盤管集水箱焊口處的裝配應(yīng)力，從根源上緩解腐蝕，解決了由腐蝕和局部應(yīng)力造成的盤管頻繁泄漏問(wèn)題，不但保證了裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，而且節(jié)約了設(shè)備的維修的成本。改造前和改造后設(shè)備的運(yùn)行效果如圖3和圖4 所示。

圖3 改造前

圖4 改造后

3.3 排油罐的運(yùn)行分析及改造

原因分析:排油罐R109 用耐熱膠皮管接引低壓蒸汽纏繞在罐外壁的加熱方法，對(duì)罐內(nèi)的液氨油水進(jìn)行蒸發(fā)，浪費(fèi)大量低壓蒸汽增加了能耗，同時(shí)水分蒸發(fā)比較徹底，造成剩余大部分油和雜質(zhì)粘稠度比較高，既不便于排放操作，又極易造成燙傷事故，究其原因是由于沒(méi)有適合的蒸發(fā)方法。

圖5 改造后

設(shè)備改造:考慮液氨油水的特性及排油操作的工作特點(diǎn)，將排油罐R109 由以前的空心罐改造為內(nèi)加換熱盤管，管束內(nèi)引裝置循環(huán)水，取替以前用耐熱膠皮管接引低壓蒸汽纏繞在罐外壁的加熱方法，對(duì)罐內(nèi)油水中的氨進(jìn)行蒸發(fā)，蒸發(fā)熱源由循環(huán)水取代低壓蒸汽，溫度適中，不但節(jié)約能源，同時(shí)降低油水的粘稠度便于操作。改造后的設(shè)備如圖5 所示。

4 經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)對(duì)氨蒸發(fā)器E101B、氨輔助蒸發(fā)器E102、蒸氨器E116改造，解決了設(shè)備頻繁泄漏影響裝置平穩(wěn)運(yùn)行的瓶頸問(wèn)題，大大減少了備件消耗和人工費(fèi)。每臺(tái)設(shè)備一年按4 次檢修，單臺(tái)單次檢修額外增加費(fèi)用約為:吊裝費(fèi)用按5000 元/臺(tái)班計(jì)，備件損耗按2000 元計(jì)，工藝處理能源消耗及其它費(fèi)用按1000元計(jì)，全年可節(jié)約費(fèi)用:(5000 +2000 +1000)×4 ×2 =6.4 萬(wàn)元。

通過(guò)對(duì)排油罐R109 改造，節(jié)約低壓蒸汽用量，低壓蒸汽按138 元/噸計(jì)，消耗量按0.1 噸/小時(shí)，一年按5000 小時(shí)計(jì)，全年可節(jié)約費(fèi)用:0.1 ×5000 ×138 =6.9 萬(wàn)元。換熱器改造后全年可創(chuàng)效:6.4 +6.9 =13.3 萬(wàn)元，且效保證了裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］http: //www.colossusgroup.com/dd/htm/C8_c.pdf［06 jan 2008］

［2］朱才，李靜主編.液氨對(duì)碳鋼及低合金鋼容器的應(yīng)力腐蝕.河南化機(jī).1992