高含硫天然气净化装置余热锅炉系统优化改造

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(1. 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070；2. 上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518)

中石化普光气田天然气净化厂为川气东送工程配套建设单位，该厂6套高含硫天然气净化联合装置中的12台尾气焚烧炉余热锅炉系统(以下简称余热锅炉)均由意大利FBM/MACCHI公司2008年设计、制造。装置自投用以来，由于多种原因，如过热段爆管、低温段腐蚀穿孔(高温硫腐蚀、低温露点腐蚀)等造成装置数次停车，严重影响正常操作及生产。停车后的修复难度比较大，需要经过工艺吹扫隔离、热交换器内部清理、试漏、消氢、修复及试压等环节才能完成。最后一次事故的发生是蒸发段管束泄漏后锅炉水进入到烟气之中，由此在换热管壁温相对较低局部部位形成露点腐蚀的环境。随着装置的运行时间加长，泄漏量也在逐步增加，进一步加剧换热管的腐蚀直至造成失效。文中对此进行了详细的分析，并提出了改造方案。

1 余热锅炉系统简介

1.1 系统流程

此余热锅炉为烟道式余热锅炉，主要由过热器、蒸发器、汽包及液包等部分组成。锅炉水通过蒸发器与高温烟气换热，通过汽包产生饱和蒸汽，饱和蒸汽再通过过热器与高温烟气换热，产生过热蒸汽后并入蒸汽管网，其工艺流程见图1。

图1 改造前余热锅炉系统流程图

从图1可以看出，①烟气系统。自废尾气焚烧炉来的870 ℃高温烟气依次经过过热器(分为一级过热器、二级过热器、三级过热器)、蒸发器，温度降低至260 ℃，经烟囱排出。②汽、水系统。自除氧器来的104 ℃锅炉水进入汽包后，通过在汽包、液包、蒸发器内循环流动与烟气进行换热，最终在汽包产生250 ℃的饱和蒸汽。随后，饱和蒸汽经过过热器与高温烟气进行换热，产生380 ℃的过热蒸汽后并入全厂蒸气管网，为其他装置提供能源，从而实现了高温烟气余热的利用。

1.2 腐蚀现象

装置自2008年投用以来，余热锅炉连续发生腐蚀泄漏现象，严重影响装置的长周期稳定运行。为保证正常运行，降低设备腐蚀频次，临时将装置排烟温度由原设计260 ℃提高至315 ℃，结果出现装置能耗大幅度升高的现象，也由此造成环保不达标及能源浪费等问题，液包泄漏腐蚀情况见图2。

图2 余热锅炉液包泄漏腐蚀情况

2 余热锅炉系统优化改造分析

2.1 理论分析

根据理论分析研究可知，余热锅炉系统能够将烟气温度降低至环境温度。但由于受传热效率的限制，实际中是无法实现的。通常情况下，一般气-气换热的温差在40～70℃，气-液换热的温差为30～60℃[1-2]。

普光气田天然气具有高含硫(硫的质量浓度为230 g/m3)特性，当烟气温度降低时，烟气中的含硫氧化物在高温环境下与冷凝的水结合，在余热锅炉受热面上形成酸性露珠，进而对受热面金属造成腐蚀。因此，对于这种工况下的余热锅炉系统，设计时需考虑受热面金属壁温比酸性露珠形成温度点至少高15 ℃(API 560要求8～14 ℃)[3]，才能够保证设备免受酸性露点腐蚀。

2.2 常规露点腐蚀解决方案[4-6]

2.2.1降低烟气中的三氧化硫含量

通过在系统流程中增加燃料脱硫、低氧燃烧以及增加吸附剂等工艺手段，从源头断绝低温露点腐蚀的发生，进而降低烟气出口温度，最大化地回收烟气余热。

此方案的优点是从根本上解决了露点腐蚀发生的可能，但是也存在投资大、对硫磺回收装置整体改动大、改造周期长以及成本高等缺点，改造的实用性较差。

2.2.2升级受热面材质

通过选用耐腐蚀性的材料，提高余热锅炉抗腐蚀性能，减少发生腐蚀泄漏的频次，进而延长设备运行时间。目前国内普遍采用此种方案，如省煤器材质采用国内自行研制的ND钢(GB 150附录H中的钢号为09CrCuSb),其具有较好的耐酸露点腐蚀的性能，已经在很多场合得到了广泛应用[7-9]。

此方案的优点是改造方案简单、投资少、可操作性好、对现有系统改动量小等，缺点是靠升级换热管材质来延长设备寿命，并没有改变余热锅炉的腐蚀环境，只能作为辅助改造方案。

2.2.3工艺与设备综合考虑[10-12]

(1)热风回流 将高温烟气通过旁路引至易发生露点腐蚀的低温段部分，与低温烟气混合后达到提高烟气温度，从而避免设备发生露点腐蚀的目的。此方案的缺点是排烟温度较高、热回收效率低、余热浪费等。

(2)增加前置预热器 通过增加前置预热器，将进入余热锅炉系统的锅炉水进行预热，使得锅炉受热面金属壁温刚好高于烟气的酸露点温度，进而在降低排烟温度的前提下，避免设备发生露点腐蚀。

3 余热锅炉系统优化改造方案[13-15]

3.1 改造措施

(1)增加省煤器 降低排烟温度，提高余热回收效率。

(2)增加前置预热器 提高受热面金属壁温，防止发生露点腐蚀。

(3)增加露点监测仪和金属壁温热电阻 实现烟气露点温度及受热面金属壁温的监测，确保设备受热面金属壁温高于露点温度，避免设备发生露点腐蚀。

3.2 改造后系统流程

由于腐蚀，原余热锅炉系统设备已经无法使用。在不改变原系统流程的基础上增加省煤器和前置预热器，见图3。

图3 改造后余热锅炉系统流程图

从图3可知：①烟气系统。 自前端来的870 ℃高温烟气依次经过过热器(分为一级过热器、二级过热器、三级过热器)、蒸发器、省煤器，烟气温度降低至230 ℃，经烟囱排出。②汽、水系统。 自上游来的104 ℃锅炉水先经过前置预热器进行加热，温度升高至180 ℃，进入省煤器，与低温烟气进行换热，温度升高至220 ℃，进入汽包后，通过在汽包、液包、蒸发器内循环流动与烟气进行换热，最终在汽包产生250 ℃饱和蒸汽。饱和蒸汽再经过过热器与高温烟气进行换热，产生380 ℃过热蒸汽。

3.3 改造方案优点

(1)在原系统中增加1台省煤器，能够降低排烟温度，解决了装置能耗高、回收热效率低的问题。同时省煤器换热管的材质采用ND钢，其具有较高的耐低温酸露点腐蚀的性能，提高了余热锅炉的可靠性。

(2)在原汽、水系统中增加1台前置预热器，对进入省煤器的锅炉水进行预热，保证省煤器的换热管金属壁温高于露点温度，进一步为防止设备发生露点腐蚀提供了保障。

(3)增加1台省煤器换热管金属壁温热电阻和烟气露点测试仪，实现对换热管金属壁温及烟气露点温度的有效监控，可以有效确保装置可靠安全地运行。

4 结语

余热锅炉系统改造后，能够将原设计排烟温度降低30 ℃，相比原系统能够多回收余热约1.5 MW，每年可多节省标准燃料油约1 500 t，年折合节能收入约400万元。同时，该余热锅炉系统改造属于首台国产化改造，其成功实施解决了进口设备供货周期长、维修周期长、成本高等问题，具有巨大的经济效益及社会效益。通过对该余热锅炉系统的改造，不仅能够有效解决目前余热锅炉系统所存在的各种腐蚀失效问题，而且还能够进一步提高装置余热回收效率，为其余11套余热锅炉系统改造奠定了良好的基础。

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