半水煤气中温变换系统第一换热器优化技改小结

吴 杰，白雪峰，吴世家

（山西丰喜华瑞煤化工有限公司，山西新绛 043100）

0 引 言

山西丰喜华瑞煤化工有限公司（简称丰喜华瑞） “24·40”项目（240kt／a合成氨装置、400kt／a尿素装置）主要利用焦炉煤气为原料生产合成氨与尿素，由于焦炉煤气中碳含量较低，为保证尿素生产所需CO2量，采用半水煤气（固定床间歇式气化炉制气）进行补碳；在焦炉煤气供应不足的情况下，会加大半水煤气的产气量，以保证合成氨产量。其中，半水煤气经湿法脱硫系统脱除H2S后，经煤气压缩机加压至1.8 MPa，利用半水煤气氧化锌脱硫槽（精脱硫）将半水煤气中的有机硫和无机硫进行转化和吸收，再通过中温变换炉将半水煤气中的CO变换为H2和CO2，然后变换气与经脱硫、转化、中温变换后的焦炉煤气混合，经混合气氧化锌脱硫槽精脱硫后进入低温变换炉，在铜基催化剂的作用下，CO进一步变换，使出口低变气中的CO含量＜0.3%，以满足合成氨和尿素生产的需要。

中温变换系统共有3套——2套供半水煤气变换用、1套供焦炉煤气变换用，半水煤气系统与焦炉煤气系统共用1套低温变换系统，属于典型的中温串低温变换工艺。生产中，2套半水煤气中温变换系统（并联）第一换热器（列管式换热器）频繁出现列管腐蚀穿孔而需更换的问题，通过2次优化技改最终使问题得到解决。以下对有关情况作一介绍。

1 半水煤气中温变换系统工艺流程简介

除去油水的半水煤气进入中温变换系统第一换热器壳程，与管程中来自第三换热器的变换气进行换热，半水煤气温度由35℃提高至250℃左右，接着进入氧化锌脱硫槽，将半水煤气中的有机硫转变为无机硫并脱除至总硫为微量；脱硫后的半水煤气进入第二换热器壳程，与管程中来自变换炉二段出口的变换气换热，使入变换炉半水煤气温度达到330℃左右；半水煤气中变炉上段出口变换气温度429℃，进入第二换热器列管内与壳程的半水煤气换热，温度降至400℃，再进入半水煤气中变炉下段继续进行CO变换反应，使出口气CO含量≤3%、温度升至405℃；之后变换气进入第三换热器管程，与壳程来自脱碳工段的碱洗气换热降温至365℃，接着进入第一换热器管程，与壳程的半水煤气换热，温度降至220℃左右，随后进入混合气氧化锌脱硫槽进一步脱除H2S。

2 半水煤气中温变换系统第一换热器腐蚀问题

丰喜华瑞半水煤气中温变换系统第一换热器腐蚀严重，检修更换频繁，考察其他同类型企业，也存在第一换热器腐蚀严重、寿命短的问题。以丰喜华瑞2＃半水煤气中温变换系统为例，第一换热器为列管式，材质0Cr18Ni10Ti，换热面积250m2。丰喜华瑞合成氨装置于2007年投运，2008年第一换热器列管就出现腐蚀穿孔，经修补后继续使用；2009年又拆除更换1台与原设备相同的新换热器，旧换热器送设备厂更换内件；2010年第一换热器列管又出现腐蚀穿孔现象，随即更换为2009年送修后返回的那台换热器。为寻找第一换热器列管腐蚀原因，对其进行现场解体检查，发现腐蚀部位主要集中在冷半水煤气进口端对面靠近管板的列管上，且腐蚀后的列管失去金属光泽（变为黑褐色），而其他部位的列管腐蚀程度较轻。

3 第一次优化技改

2＃半水煤气中温变换系统第一换热器原设计为列管式，设计气量26000m3／h，换热面积为250m2，继2010年后，2012年第一换热器列管又出现腐蚀穿孔。经与设计院讨论，分析认为主要原因是冷半水煤气进口端温差过大形成热应力及进口处不锈钢晶间腐蚀。基于这一分析，经反复讨论，丰喜华瑞决定改变第一换热器结构，将原列管式换热器更换为U形管换热器，同时将其换热面积增至310m2。

U形管换热器投用后，虽未出现腐蚀问题，但其换热效果不理想，达不到工艺设计要求：改造前，第一换热器半水煤气进口温度30～40℃、出口温度240～260℃，变换气进口温度310～320℃、出口温度220～240℃；改造后，半水煤气进口温度35℃、出口温度217℃，变换气进口温度362℃、出口温度262℃。简言之，本次改造后第一换热器半水煤气出口温度与设计值相差约33℃，甚至变换气不先经第三换热器（即经第三换热器副线直接入第一换热器），第一换热器半水煤气出口温度仍无法提升至设计值，需借助电炉将半水煤气温度提高至设计值。

4 第二次优化技改

4.1 优化技改方案

借助电炉加热虽然能暂时解决生产问题，但能耗太高，从原列管式第一换热器的运行情况来看，原第一换热器（列管式）换热效果没有问题，但存在腐蚀问题；从第一次技改后的第一换热器（U形管式）的运行情况来看，换热器未发生过腐蚀，有效地解决了热应力腐蚀问题，但不能达到要求的换热效果。为从根本上解决问题，丰喜华瑞经自行论证，最终确定的改造方案为：新增1台小型列管式换热器，与现有U形管换热器串联使用（如图1），利用新增列管式换热器保证半水煤气出口温度，利用U形管换热器消除热应力（降低换热温差）。

图1 新增列管式换热器后局部工艺流程简图

4.2 新增列管式换热器换热面积的确定

4.2.1 半水煤气中温变换系统物料衡算

以100kmol半水煤气量进行半水煤气中温变换系统物料衡算（半水煤气组分为实测值，变换后中变气组分为根据设计温度衡算后的计算值），详见表1。

表1 半水煤气中温变换系统物料衡算

4.2.2 新增换热器半水煤气进口温度的确定

实际生产中，进第一换热器的变换气压力为1.793MPa，则变换气中水蒸气饱和蒸汽压pH2O＝（53.349÷180.6）×1.793＝0.5297MPa。据《化学化工物性数据手册（无机卷）》表1.8.3，压力0.5297MPa下，饱和水蒸气温度为146℃，即该压力下露点为146℃，为避免工艺气温度因低于露点而引起设备腐蚀，新增换热器半水煤气进口温度选取150℃，从而确定半水煤气升温节点为：在第一换热器（U形管换热器）内，半水煤气温度由35℃升至150℃；在新增换热器（列管式换热器）内，半水煤气温度由150℃升至250℃。

4.2.3 新增换热器变换气出口温度的确定

在新增换热器中，半水煤气由150℃升温至250℃，假设变换气温度由325℃降至275℃，据半水煤气中各组分在不同温度下的标准焓（表2）与表1中半水煤气与变换气的组分，利用公式Q＝∑φi·△Hi（式中：Q—工艺气的热量；φi—组分i的摩尔体积；△Hi—组分i的标准焓）进行计算：在新增换热器内，100kmol半水煤气生成的变换气（即180.6kmol中变气）由325℃降温至275℃放出热量75400kcal，100 kmol半水煤气由150℃升温至250℃吸收热量72906kcal，热损失为（75400－72906）／75400×100%＝3.3%，在合理范围内，假设成立。

表2 半水煤气各组分不同温度下的标准焓 kcal／kmol

在第一换热器（U形管换热器）中，仍然利用公式Q＝∑φi·△Hi进行计算：100kmol半水煤气生成的变换气（即180.6kmol中变气）由275℃降温至220℃放出热量Q1＝81632 kcal，100kmol半水煤气生成的变换气 （即180.6kmol中变气）由276℃降温至220℃放出热量Q1′＝83150kcal；而100kmol半水煤气由35℃升至150℃吸收热量Q2＝82080kcal，Q1＜Q2＜Q1′。简言之，在第一换热器中，半水煤气温度由35℃升至150℃时，中变气温度可由275℃降至220℃，计算误差在合理范围内。

4.2.4 传热系数计算

虽然第一次改造后的U形管换热器设计换热面积为310m2，但其换热效果远低于原换热面积为250m2的列管式换热器；从原列管式换热器的运行经验来看，250m2的换热面积是可以满足换热需求的，故将第一换热器（U形管换热器）与新增换热器（列管式换热器）作为一个整体，以“有效总换热面积”为250m2进行设计计算。

半水煤气设计气量为26000m3／h，半水煤气进口温度为35℃，出口温度为250℃，变换气进口温度为325℃，出口温度为220℃，则对数平均温度差△t＝（△t2－△t1）／［ln（△t2／△t1）］＝128℃（△t1＝325－250＝75℃，△t2＝220－35＝185℃）。利用表1与表2有关数据计算可得26000m3／h半水煤气由35℃升温至250℃所需热量为7704309.74kJ／h，即2140086W，据传热方程式Q＝K·A·△t（式中：K—总传热系数；A—换热面积）计算得新增换热器的总传热系数为67W／（m2·K）。

4.2.5 新增换热器换热面积计算

在新增换热器中，半水煤气温度由150℃升至250℃，变换气温度由325℃降至275℃，对数平均温度差△t′＝（△t3－△t1）／［ln（△t3／△t1）］ ＝100℃（△t1＝325－250＝75℃，△t3＝275－150＝125℃）。利用表1与表2有关数据计算可得26000m3／h半水煤气温度由150℃升至250℃需要的热量为3540974.3kJ／h，即983604W，据传热方程式Q＝K·A·△t计算得新增换热器的换热面积为146.81m2，考虑10%的余量，其换热面积取160m2。

5 系统运行情况

2013年，2＃半水煤气中温变换系统第一换热器（U形管换热器）后串联（新增）1台小型列管式换热器后，运行至今，第一换热器再未发生腐蚀问题，不但彻底解决了原设备运行周期只有1.5a的问题，还保证了换热效果。技改前后2＃半水煤气中温变换系统有关运行数据的对比见表3（注：半水煤气总量为23041m3／h，分别进入2套半水煤气中温变换系统，2套半水煤气中温变换系统均低负荷运行，目的是延长中变催化剂的使用寿命）。可以看出，在第一换热器后串联（新增）小型列管式换热器前后进系统半水煤气气量和蒸汽量没有大的变化，但中温变换系统半水煤气出口温度提高至249℃，保证了氧化锌脱硫床层的反应温度。

表3 技改前后2＃半水煤气中温变换系统有关运行数据

6 结束语

2013年，丰喜华瑞对其2＃半水煤气中温变换系统进行了增设列管式换热器的技改后，中温变换系统出口半水煤气温度达到工艺指标要求，原第一换热器（原列管式换热器）平均更换周期为1.5a，平均单价40万元，则改造后每年可节约设备更换费用约26.6万元。2015年，丰喜华瑞对1＃半水煤气中温变换系统第一换热器也进行了类似改造。迄今2套半水煤气中温变换系统第一换热器均未出现腐蚀，换热效果也很理想，U形管换热器＋列管式换热器的技改方案对解决第一换热器因热应力而引起的腐蚀穿孔及U形管换热器“有效换热面积”不足问题极其有效，可为业内提供一些参考与借鉴。