硫酸装置转化换热器泄漏维修的实践

王 军，王彦淳

（1.新洋丰农业科技股份有限公司，湖北荆门 448150；2.青岛科技大学，山东青岛 266001）

新洋丰农业科技股份有限公司（以下简称新洋丰农业）总部硫酸厂200kt/a硫精砂制酸装置采用稀酸洗净化、ⅢⅠ-ⅣⅡ、“3+1”二转二吸工艺流程。2019年6月，新洋丰农业对该装置大修，采用真空抽吸加回转筛的方式对转化器4段催化剂进行筛分，在转化器一段装填20 m3进口新鲜催化剂。经测试，转化器各段催化剂床层阻力压差较大修前均有所下降，压力降在700 Pa左右，催化剂筛分的效果很好。2019年7月装置重新开车，总转化率下降了0.27个百分点。对此异常现象，新洋丰农业从优化转化温度、降低进气SO2浓度、提高氧硫比等方面进行了调整，然而总转化率仍没有提高。

由于转化率大幅下降，造成氨法尾气脱硫系统的氨耗大幅增加，大大增加了生产成本。尾气脱硫系统产出的亚硫酸铵溶液增加了20%左右，致使脱硫系统的氧化槽处理量增大，已达到处理能力的极限。虽然排放尾气中SO2的质量浓度仍然低于排放限值200 mg/m3，但是烟囱排口尾气视觉变差，硫酸装置的产量也受限。如果不能及时提高总转化率，硫酸生产将难以为继。

1 转化工序工艺流程

200kt/a硫精砂制酸转化工序工艺流程见图1。

图1 200kt/a 硫精砂制酸转化工序工艺流程

焙烧工序产生的φ(SO2)为12%～14%高温含尘炉气经旋风除尘器—电除尘器除尘—动力波洗涤器—填料塔—电除雾器净化除雾后进入干燥塔；干燥后的炉气由SO2主风机依次送入Ⅲ换热器和Ⅰ换热器的壳程，加热到420 ℃进入转化器一段，经催化剂催化反应后进入Ⅰ换热器的管程，经Ⅰ换热器降温后进入转化器二段；二段出口炉气进入Ⅱ换热器管程降温后进入转化器三段；三段出口炉气进入Ⅲ换热器的管程和省煤器降温后进入一吸塔进行吸收。一吸塔出口的炉气依次经过Ⅳb换热器、Ⅳa换热器和Ⅱ换热器的壳程换热，达到420 ℃后进入转化器四段；四段出口的炉气依次经过Ⅳa换热器和Ⅳb换热器的管程后进入二吸塔进行吸收。二吸塔出口的尾气进入氨法脱硫系统脱硫后达标排放。

2 总转化率下降原因分析

经初步判断，考虑转化工序换热器发生内漏。为了找到泄漏设备进行维修，利用便携式检测仪器对转化工序换热器的管程、壳程气体组分和转化器、吸收塔进出口管道的气体组分进行检测。

2.1 换热器的管程和壳程气体组分检测

Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳa和Ⅳb换热器的管程和壳程气体中SO2和O2体积分数检测结果见表1～5。

由表1～2和表4可见：Ⅰ，Ⅱ和Ⅳa换热器均未漏气；由表3可见：Ⅲ换热器管程存在内漏，且泄漏气量占总气量的3.5%左右；由表5可见：Ⅳb换热器管程存在内漏，且泄漏气量占总气量的3.0%左右。

表1 Ⅰ换热器管程和壳程气体组分

表2 Ⅱ换热器管程和壳程气体组分

表3 Ⅲ换热器管程和壳程气体组分

表4 Ⅳa换热器管程和壳程气体组分

表5 Ⅳa换热器管程和壳程气体组分

2.2 转化器进出口管道的气体组分检测

对转化器和吸收塔进出口管道的气体组分进行检测，并计算转化率，数据见表6。

表6 转化器和吸收塔进出口的气体组分和转化率数据

2.3 转化工序存在的问题

通过对以上检测数据进行分析，造成转化工序总转化率下降的原因有以下3点：

1）Ⅲ换热器列管泄漏，导致SO2主风机出口进入Ⅲ换热器壳程的部分SO2气体发生短路，这部分气体直接进入一吸塔，造成一吸塔出口一次转化率下降到95.92%；泄漏气量占总气量的3.5%左右。

2）Ⅳb换热器列管泄漏，导致一吸塔出口进入Ⅳb换热器壳程部分SO2的气体发生短路，这部分气体直接进入二吸塔，二吸塔进口的转化率由99.60%降至99.41%，泄漏气量占总气量的3.0%左右。

3）由于一吸塔和二吸塔共用一个吸收酸循环槽，溶解于w(H2SO4)98%浓硫酸中的SO2在二吸塔内解吸，进入二吸塔的出口气体中，导致二吸塔出口的转化率由99.41%降至99.33%。

3 问题解决措施

3.1 换热器泄漏列管检修

3.1.1 换热器泄漏列管查找方法

Ⅲ换热器有1 206根φ57 mm×3.5 mm的渗铝管，每根长度6 145 mm；Ⅳb换热器有1 815根φ45 mm×3.5 mm的渗铝管，每根长度8 102 mm。换热器内列管数量较多，因此在短时间内停车对泄漏的列管进行维修的难度极大。经多方咨询和讨论研究，硫酸行业换热器检测漏点一般有以下几种方法[1]：

1）壳程打压法。将壳程进出口的烟气管道用铁板焊接成盲板，打压时在管程上下部感受泄漏管的气流，从而找到泄漏管道进行维修。该法操作简单，但焊烟气管道盲板的工作量大、时间长，并且壳程一般设计压力为0.03 MPa，而空压机打压可以达到0.3 MPa以上，超压可能达到10倍以上，如果壳程压力控制不当会导致壳程超压，极有可能导致烟气管道盲板爆炸，发生严重的安全事故。在实际操作中，由于换热器列管漏点小的地方气流也很小，在管程上下部感受气流寻找泄漏管不太容易。另外，临时停车时换热器内温度高，也不能采用壳程打压法，该法只能在大修时使用。

2）管束灌柴油法。向管束中灌入柴油，观察列管的液位变化，液位下降的渗铝管即发生了泄漏。然而柴油会从泄漏点漏到设备内部，换热器内管束密集，渗漏的柴油不易清除。柴油属于易燃物，临时停车时设备具有较高温度，在维修时也需要动火，设备内残留柴油极易着火引发安全事故，因而不宜采用管束灌柴油法。

3）更换法。一般换热器进口处的气流接触面前几排管束最先腐蚀穿孔，因此直接将气流迎风面的前几排管束全部换掉。该法虽然维修简单，但泄漏列管可能不在前几排，因而不一定能彻底解决问题。

4）烟饼法。烟饼是一种拍戏用的发烟物品，点燃后会冒出大量烟雾，烟雾无毒、无异味，对人和环境基本无害，有白色、红色、绿色等烟型可以选择。由于硫酸生产一般都是产生白色烟雾，因此多采用白烟型烟饼发烟测漏，操作方法如下：①把需要测漏的换热器壳程进出口的烟气管道用铁板焊接成盲板防止跑烟，在壳程开孔或安装φ100 mm以上的阀门；②为防止烟饼投入壳程中时被摔碎或熄灭而不能充分燃烧发烟，将数个烟饼用铁丝悬挂，点燃后投入换热器壳程中；③烟饼燃烧产生大量烟雾，会从换热器穿孔的列管管程中冒出，技术人员在管程上部观察，把冒白烟的管子做好记号进行维修。该法的优点是操作简单，工作量小；缺点是气流无压力，除非列管穿孔很严重，才会从管中大量冒烟，对穿孔较小的管子，白烟若有若无，不易观察。

3.1.2 漏点查找及制定检修方案

经过综合考虑，决定采用烟饼+管束打压法快速找出漏气管束并进行维修。系统停车后，在换热器壳程进出口烟气管道各开1个人孔，用保温棉码垛，将整个烟管堵死，不让高温烟气流动，同时起到隔热作用，为检修创造好的作业条件。在换热器管程上、下部开人孔，操作人员进入换热器上部管程气室观察。将10个左右的白烟型烟饼用铁丝捆绑好点燃丢入壳程室，盖上观察孔。烟饼燃烧释放出的白色烟雾往上走，在管程气室的人员观察冒烟的管子并做好记号，圈定泄漏区域。圈定泄漏区域后，管程上部的打压橡皮塞安装压力表和阀门，采用空压机向单个管程中打压；管程下部的操作人员穿戴好防酸面罩和防护服配合上部打压人员，用橡皮塞将打压管塞住，避免漏气。换热器顶部操作人员用气阀打压到30 kPa的压力后关闭气阀，观察压力表。打压压力不能过大，否则管程上、下两端的操作人员不能用橡皮塞塞住打压管。如果压力表稳压，说明管子不漏；不能稳压，说明管子有漏点，做好记号待维修。采用逐根打压法，将圈定的泄漏区管子迅速检查确定，泄漏的管子数量少时，采用堵头封堵法维修。

3.1.3 维修准备

1）提前搭好换热器的作业脚手架和平台，准备好焊机、轴流风机、氧气、乙炔气、防雨篷布、烟饼、更换的渗铝管（若无渗铝管，可用水管锅炉的φ45 mm蒸发管代替）、10 t硫磺等设备及物资，做好维修人员分工。

2）由于操作人员要进入换热器管程气室观察，因此转化系统需要降温24 h，沸腾炉、锅炉系统保温。检修预计4 d完成，其中停车1 d、检修2 d、升温1 d。

3）做好检修安全措施。严格作业票证制度做好安全防护；为防止高处坠落事故，脚手架平台牢固铺设加装护栏，人员系双钩安全带；为防止烫伤，用轴流风机进行通风降温，降温达标后再作业；换热器内部通风置换，气体分析检测合格后，操作人员戴好防毒面具、携带安全绳进入设备内部作业，换热器外安排监护人监护。

3.1.4 维修操作

实际操作中，转化系统降温22 h，Ⅲ换热器管间温度降到120 ℃左右，Ⅳb换热器管间温度降到72 ℃，为维修创造了良好的工作条件。打开Ⅲ换热器和Ⅳb换热器人孔和塞保温棉用时5 h，烟饼试漏用时2 h，打压用时10 h（1套打压工具），检修全部完工用时23 h，从系统降温到开车成功耗时62 h。Ⅲ换热器找出漏管25根，Ⅳb换热器找出漏管44根，泄漏的主要区域靠近迎风面一侧，其他区域泄漏较少。由于泄漏的管束不多，技术人员采用漏管两端封堵方式维修。

3.1.5 维修效果

维修结束时，沸腾炉固定层温度降到350～400 ℃，技术人员采用投入硫磺助燃的方法将固定层点燃，实现顺利开车。开车后总转化率由99.33%提高到了99.60%，取得了很好的维修效果。氨法尾气脱硫系统的氨耗大幅下降，质量分数20%氨水的消耗量由10 t/d下降到3 t/d，硫酸铵产量也大幅下降，烟囱排尾气视觉良好。

3.2 吸收酸循环槽的改进

为了解决溶解于w(H2SO4)98%浓硫酸中的SO2在二吸塔内解吸，导致二吸塔出口转化率降低的问题，增加1个吸收酸循环槽，使一吸塔和二吸塔各用1个酸循环槽。

正常生产时，一吸塔循环酸和干燥塔循环酸需要相互串酸，以维持吸收水分后的干燥循环酸的硫酸浓度。由于干燥循环酸干燥的是SO2炉气，SO2在干燥酸中有溶解现象，含有SO2的干燥酸串入一吸塔循环酸中会导致一吸塔循环酸中SO2的含量上升。如果一吸塔和二吸塔循环酸槽分开设置，就可以降低二吸塔上塔酸中的SO2含量，从而提高转化率。

4 检修和生产管理中存在问题

1）此次需要同时维修Ⅲ换热器和Ⅳb换热器，由于打压设备只准备了1套，Ⅲ换热器打压结束后再打压Ⅳb换热器。如果用2套打压设备对2个换热器同时进行打压，检修时间也会缩短一半。

2）换热器顶部与转化器相通，停风机后换热器内部温度仍然较高，工作环境比较恶劣，操作人员要多准备饮用水和风扇降温，并分两班轮流作业。

3）精益化生产管理经验不足，对干吸塔的除沫除雾情况和SO2主风机出口、换热器壳程进口处的冷凝酸排放量检查不够重视，直到转化率严重下降时才发现换热器出现问题。虽然此次换热器维修效果良好，但并没有从根本上解决问题，应以干吸塔除酸雾效率为源头查找问题。不然随着使用时间的推移换热器又会腐蚀穿孔，再次出现同样的问题。

5 结语

新洋丰农业硫酸厂硫精砂制酸装置转化工序的Ⅲ换热器位于SO2主风机出口，Ⅳb换热器位于一吸塔出口，干燥塔除沫器和一吸塔除雾器除雾沫效果差时，会导致气流夹带酸沫或酸雾，腐蚀Ⅲ换热器和Ⅳ换热器。因此，要高度重视干燥塔和吸收塔的除雾效率，每天定时检查干燥塔出口、SO2主风机出口、一吸塔和二吸塔出口及Ⅲ换热器和Ⅳ换热器壳程进口的冷凝酸排放情况。一旦发现冷凝酸量增加，要及时检查干燥塔除沫器和吸收塔除雾器，同时控制好干燥、吸收工艺指标。

Ⅲ换热器和Ⅳ换热器泄漏对转化率影响比较大，换热器检修难度也大，因而杜绝换热器的泄漏对提高转化率至关重要。新洋丰农业摸索出的烟饼+管束打压法能快速准确地找出泄漏管并加以修复，操作简单可靠，停车处理时间短，是一种较好的抢修换热器的方法。