甲醇制烯烃装置外取热器磨损分析与优化设计

2021-01-23王冬冬苟荣恒

天然气化工—C1化学与化工 2020年6期

王冬冬，高婷，苟荣恒，何源

（神华新疆化工有限公司，新疆乌鲁木齐 831400）

目前工业化的几种甲醇制烯烃（MTO）工艺均采用连续反应-再生的气固循环流化技术。MTO工艺过程是典型的热量平衡过程，即反应和再生烧焦过程释放的热量与热工系统所需的热量相互平衡。

外取热器在MTO工艺热量平衡过程中起到了关键作用。外取热器和再生器（或反应器）通过催化剂循环管线连通，其内部设置多组垂直管束；热的催化剂从再生器（或反应器）中引入外取热器，和取热管接触换热后返回再生器（或反应器）。

外取热器运行过程中，取热管束受催化剂磨损、操作工况及结构设计等因素影响，管束存在故障率高、使用寿命短及检修难度大、费用高等问题。现有技术主要是定期在停工检修期间，利用检测技术对换热管测厚，根据减薄程度更换取热管束。本文根据某厂MTO装置外取热器运行和检修情况，对其内部床层流化状态和缺陷原因进行分析，通过优化结构设计以延长管束使用寿命。

1 外取热器故障分析

1.1 外取热器介绍

某厂MTO装置再生器外部设置一台返混式外取热器，如图1所示，2010年8月投用。 2014年检修期间，因催化剂斜管、管束磨损严重和局部衬里脱落，已不能满足装置长周期稳定运行的要求，需整体更换。上述外取热器采用返混式结构，其与再生器之间只有一个接口，再生器内热催化剂由催化剂入口进入取热器，热催化剂被冷却后经入口返回管进入再生器；冷却介质为除氧水，除氧水进入取热管的内管，然后自下而上进入与外套管间的环隙，汽化吸热。外取热器技术参数见表1。

图1 外取热器简图

表1 外取热器技术参数

1.2 故障临时处理措施

装置运行过程中，外取热器斜管上部经常出现热点，热点温度350 ℃左右，多次发生外取热器斜管被磨穿、催化剂泄漏故障，且均发生在斜管和外取热器连接接口上部靠近焊缝处。在检修时发现，外取热器入口斜管锚固钉被破坏，斜管上部隔热耐磨衬里被掏空，器壁被磨穿，管束磨损严重，如图2。

针对发生故障的严重性，分别采取了以下措施进行应对：（1）在装置日常运行中加强管理，每班次巡检过程中对热点进行监测并实时记录，以防热点扩大引起生产安全事故，并建立数据库，为制定检修计划提供依据；（2）对出现的热点采用压缩空气在器壁外部吹扫降温的方法，以减缓器壁磨损速度；（3）斜管被磨穿和催化剂泄漏，采取带压堵漏补焊钢板或包盒子的方法处理；（4）检修期间，因入口斜管锚固钉连接被破坏，斜管上部隔热耐磨衬里被掏空，器壁被磨穿，管束磨损严重的，设备整体更换。

图2 外取热器磨损情况

1.3 故障原因分析

1.3.1 外取热器自身因素

（1）由于外取热器壳体内部换热管排布通常比较紧密（换热管所占横截面积可占外取热器筒体横截面的30%～50%），从斜管进口流入的催化剂颗粒不可避免地会对换热管造成冲刷，长时期就会造成换热管冲蚀磨损甚至穿孔；尤其当催化剂进口位于密相床层以上的稀相空间时，这种冲蚀更为严重。

（2）另一方面，由于密集排列的换热管强化了流化床的壁面效应，限制了颗粒的横向扩散，致使进口侧的热催化剂颗粒很难均匀分散在整个外取热器横截面上；再加上外取热器颗粒出口和进口在同一位置，很容易使热催化剂颗粒在进出口位置形成短路，造成进口侧附近的换热管取热负荷过大，而远离进口侧的换热管取热负荷过小。取热负荷大的换热管很容易形成干烧，使局部壁面温度过高，甚至可能超过换热管钢材的受热极限，造成换热管材料失效和爆管泄漏事故。

（3）换热管取热负荷不均匀的另一个危害是可能造成换热管拉裂。由于外取热器底部换热管末端一般都设有导向支架，用以限制换热管的径向位移，起到减振作用，但这样也限制了换热管之间沿外取热器高度方向的相对位移。当换热管热负荷不均匀时，由于管壁温度不同，各换热管的膨胀量将会不同。如果导向支架设计的膨胀余量不够的话，势必会拉伸或压缩个别换热管。情况严重时，很可能在换热管、导向支架的薄弱处形成断裂，造成局部换热管的失效。

1.3.2 催化剂冲蚀

外取热器内部催化剂床层达到稳态时，床层分布从下到上依次是密相段、过渡段和稀相段，催化剂入口位置处于床层稀相段[1,2]。再生器内部的催化剂通过催化剂入口斜管进入外取热器，首先和入口侧取热管接触，对取热管产生冲刷磨损[3]，而入口相对侧位置催化剂较少，对取热管磨损少。从现场拆下的外取热器管束的破坏程度也证实了这一点，催化剂入口换热管的冲刷较为严重。结合催化剂流向分析，说明催化剂入口侧管束受到了较严重的冲蚀作用，破坏主要来自催化剂冲刷磨损和偏流。

1.3.3 取热温度波动大

根据文献[4]，在外取热器不同位置上设置测温点，分布于催化剂入口和催化剂入口相对侧，得到表2结果。可以看出，在催化剂入口侧温度变化比较明显，而在相对侧，外取热器管壁温度变化不明显。

表2 外取热器内催化剂温度分布表

再生器的正常工作温度660 ℃左右，但是在日常操作中再生器温度在600～720 ℃之间波动，进而导致外取热器温度变化大，使衬里急剧膨胀和收缩，衬里就很容易产生裂纹，并且会越来越大。由于锚固钉和衬里材料导热系数相差大，高温引起锚固钉变形，到了一定程度，会导致衬里开裂，开裂的衬里也会很快被介质冲刷并掏空。

1.3.4 结构设计不合理

（1）斜管底部松动风喷嘴结构设计不合理。当催化剂流速小时，催化剂分层流动，互不混合，在此状态下，管壁磨损程度是相同的。随着催化剂流速逐渐增加，催化剂的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此状态下会对部分管壁产生磨损，但不集中于一处。当催化剂流速增加到很大时，流线不再清晰可辨，管道中有许多小漩涡，层流状态被破坏，这时的催化剂作不规则运动，在催化剂与斜管上管壁的接触区域产生漩涡。在外取热器斜管底部，设计有两组垂直布置，开口正对焊缝接口松动喷嘴，由于再生器的工况压力0.08 MPa，远小于松动风压力，松动风的布置有利于斜管上部涡流的产生。

（2）未设计脱气线。外取热器入口斜管是催化剂的入口，又是气体返回口，按照设计理论，前者依靠自身重力从斜管下部通过，后者从斜管上部通过。在实际操作中由于偏流和过渡区的同时存在，致使斜管催化剂入口处介质流动状态十分复杂，逆向的烟气使催化剂的流动趋于快速无固定方向，极易将衬里掏空，进而损坏器壁。

（3）衬里质量问题。衬里养护和烘干质量的好坏，对衬里使用性能的影响极大。在衬里养护和升温阶段，脱表面水温度要保证在150 ℃，脱结晶水的温度要保证在350 ℃，并且操作要平稳。若脱水温度不够、时间不长，很容易导致衬里脱落、鼓包和出现裂纹。

2 外取热器优化措施

2.1 优化工艺操作

在装置运行过程中，不断优化操作工艺，特别是在开停车过程中，为确保设备衬里的完好性，严格按照衬里烘衬曲线进行反应再生系统设备升温，防止因温升过快导致衬里损坏。

2.2 优化设计

（1）催化剂斜管底部松动结构采取水平布置形式。为了防止松动风在外取热器斜管上部形成涡流，加速衬里的磨损，将斜管底部的松动风结构改为水平布置，如图3所示。

图3 松动风结构布置

（2）设置防冲蚀结构。在斜管入口处，为防止管束受迎面来的高温催化剂的冲刷磨损，在外取热器斜管催化剂进料入口正面管束上加设了防冲蚀衬里结构，如图4所示。

图4 外取热器防冲蚀衬里结构

（3）增设脱气线。在实际操作过程中，下行的催化剂遇到上升的气体时，气流状态十分复杂，特别在催化剂进出口处催化剂的流动呈紊乱状态，逆向的烟气易使催化剂产生涡流对衬里产生磨损，因此在外取热器顶部设置脱气线，将气体和催化剂分开，防止了催化剂对衬里的磨损，如图5所示。

图5 外取热器顶部设置脱气线

2.3 衬里施工质量管控和运行维护

在设备的过渡段、异形结构和流体方向压力剧变的部位，锚固钉应适当地加密；龟甲网和衬里挡板的连接处应设置固定挡板；对穿过衬里的接管或构件包裹陶瓷纤维纸；衬里接口处的质量应严格控制，确保焊缝处衬里质量，做到圆滑过渡；在衬里施工完毕后要保证表面平整，检查衬里质量合格[5]。

新衬里的养护和烘干对日后的运行安全影响很大，烘衬阶段一定要确保150 ℃和350 ℃分别脱除表面水和内部结晶水，并且两个阶段要平稳缓慢进行。在后续的联合升温烘衬过程中，应针对外取热器和反应再生两器的具体结构制定相应的烘衬方案，利用调节主风机风量和外取热器放空等方式确保烘衬合格[6]。

2.4 合理调整外取热器床层高度

根据文献[7]，取热管的传热系数随表观气速增大呈先增大后减小，峰值点一般位于0.4 m/s。这一趋势和床层从鼓泡到湍动的流域转变密切相关，工业操作中可以选用床层的起始湍动速度作为最佳操作气速。由于中心区域气泡和颗粒更为强烈的运动，因此中心处取热管的传热系数显著高于边壁区域取热管的传热系数。和床层中心稀、边壁浓的床层密度径向分布相对应，随着床层高度的不断降低，取热管传热系数呈现单调下降的趋势。这一方面表明稀相区对器壁面传热影响很小，另一方面也表明调节料面高度是调节外取热器负荷的一个有效手段。即通过减小密相区床层高度，使料位以上的催化剂呈分散相，提高传热系数，同时也减少管束磨损。