制氢装置转化气废热锅炉的改造

商好朋 杨丽君 商好宾 沈文朋

（1.山东华星石油化工集团有限公司；2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司）

山东华星石油化工集团有限公司（简称华星公司）的20 000Nm3/h制氢装置转化气废热锅炉，自2011年8月投用至2016年3月间出现过4次换热管泄漏故障（2012年、2013年、2014年检修堵漏，2016年3月抢修堵漏），其中3次检修打压时泄漏部位为出口管端的角焊缝，立即分别进行了堵漏。2016年10月对该设备进行了紧急更换，但是在2019和2020年检修该设备时仍发现20根换热管有内漏现象，再次停车进行堵漏。此故障引起废热锅炉反复停车和维修，给华星公司造成了很大的经济损失。另外，国内其他企业制氢废热锅炉（包括引进的大型制氢装置的废热锅炉）都曾被报道过运行中出现的故障。近年来，甲醇、煤制气等诸多装置中也多有转化气废热锅炉的故障报道。因此，废热锅炉的稳定运行已成为整个制氢工艺中至关重要的环节。

为了解决20 000Nm3/h制氢装置转化气废热锅炉存在的问题，华星公司委托有多年实际生产经验的专业设计制造公司，根据设备的实际运行情况重新设计制造一台全新的转化气废热锅炉，更换原故障频发的老设备，到目前新设备运行良好，未发现任何故障的发生迹象。为杜绝同类设备出现类似故障，笔者将原转化气废热锅炉改造要点做一总结，对国内类似设备的改进大有裨益。

1 设备概况

转化气废热锅炉是20 000Nm3/h制氢装置的下游设备，高温转化气经转化炉出口直接进入废热锅炉。该废热锅炉的操作与设计条件见表1。

表1 转化气废热锅炉的操作与设计条件

2 设备改造要点

为了从根本上消除原设备存在的弊端，改造单位从设计到制造采取多项措施来保证新设备的质量。

2.1 设计单位选择

华星公司选择有实际经验的专业设计制造一体化供货商——天华化工机械及自动化研究设计院有限公司（简称天华院）承担此次改造任务。天华院具有很强的专业设计制造能力，编撰了GB/T 151—2014《热交换器》附录中“挠性管板”一节。在重新设计的过程中，天华院结合原废热锅炉的实际运行情况进行分析计算，在不改变外形尺寸的基础上，对其内部结构进行了优化设计。

2.2 设计改进

在本次设计中，前、后管板采用应力分析法设计、设备整体按常规设计，充分考虑了热应力的影响，并分别对3种极限工况进行强度核算分析，保证设备运行的安全性。

2.2.1 严控热端管口的热流密度

利用内窥镜对原废热锅炉换热管内部进行检查，发现部分管束内部有催化剂粉末结垢（图1），甚至有些管束内部已被腐蚀穿透。由于工艺气中含有CO2和H2O，在换热管内部结垢后，靠近后管箱的地方容易形成垢下碳酸腐蚀，进而换热管内表面形成麻坑，管壁减薄，长时间则会发生换热管内部泄漏［1］。

图1 换热管内部结垢情况

由结合实际运行工况的计算结果可知，正常操作时进入废热锅炉的工艺气流量较之设计的最大值有很大的差别，从而造成出口流速过低。在以往的废热锅炉设计中，过大的换热面积只要通过中心旁路阀调节满足出口温度即可，但是在此项设计计算中出口流速和换热管长度都会对废热锅炉的运行造成很大的影响。因此，在重新设计计算时，为防止催化剂颗粒附着在换热管后端，避免换热管出口部分形成垢下腐蚀破坏，采取的举措为：

a.提高操作条件下最小出口流速，然而随着出口流速的增加，换热管入口的流速也随之增加，换热管入口处的热流密度在一定范围内也随之增加，此时容易发生膜态恶化传热现象。因此，必须严格控制热端管板管口的热流密度，即控制流速成为设计过程中必须重视的一个重要环节。通过反复计算选择后，新设计参数在各个工况下，既满足了出口流速的增加又控制了管口的热流密度。

b.缩短换热管的长度，在满足最大换热面积的情况下，通过调节换热管规格、适当减少换热余量和缩短换热管的长度的方法，缩短粉尘在换热管中的停留时间，从而达到减少粉尘附着的目的。

2.2.2 管板和管接头采用全焊透结构

原设备前、后管板选用的是强度焊+贴胀的焊接形式，该方法在早期的废热锅炉制造中被广泛应用，但经实践证明，此种方法易发生“尺蠖幼虫”破坏现象［2］。目前，国内外采用比较多的是“内孔焊”和“全深焊透”结构：内孔焊的施工与质量控制的难度均较大，尤其在管板两端无法实施，冷端管板的焊缝区还是破损高发部位，此工艺的工期较长；全深焊透的质量不易控制，对焊接工作人员水平要求高，此工艺的工期较长。天华院设计人员开发的深孔焊工艺，既能保证焊接质量，又节省时间，到目前该工艺已被成功应用到数百台废热锅炉制造中。因而，此次废热锅炉的改造中就选择了这种深孔焊结构。

2.2.3 热端管板管口采用热保护技术

由于高温和高速的气流冲蚀，高温侧管板与换热管的连接处会出现应力集中，也是最薄弱的部位。原废热锅炉选用的是陶瓷性保护套管，但是在热冲击下陶瓷套管容易破裂，故此次改造时选择了耐高温的金属保护套管。在原废热锅炉设计中管板与管箱中耐火材料的外侧有层金属防护衬板以防止工艺气体冲刷耐火材料，但是在高温环境下此保护衬板的焊接接头处易开裂甚至脱落，进而可能与管板碰撞或堵塞部分管子，造成高温气体偏流和操作条件恶化，故此次改造时，在耐火材料的外侧选择了耐磨强度更高的重质浇注料，它能替代防护衬板有效防护高温气体的冲刷。

2.3 制造管控

原废热锅炉的换热管与管板焊接处频发泄漏，除了设计方面存在弊端外，制造方也负有一定的责任。在本次废热锅炉改造中，天华院以完整的质量保证体系和专业化的匠人施工队伍，从细节到整体全面保证设备的制造质量。

3 结束语

通过采取上述改造措施，改造后的废热锅炉一直运行平稳，到目前未出现任何故障，说明此次改造是成功的。

转化气废热锅炉既非普通的换热器，也非一般的锅炉设备，设计和制造都有其专业独特性，建议该类设备的设计供货应由专业公司承担，这样才能保障生产运行安全平稳。目前，国内转化气废热锅炉的设计和供货已形成专业化的队伍，可以很好解决制氢等行业中类似的故障问题。