波纹管换热器在母液和淡液蒸馏系统的应用

                                      王　飞,王凤林,屈英琳

                           (北京广厦环能科技有限公司,北京　100083)

    摘要:介绍了波纹管换热器在碱厂蒸馏系统的应用情况及其取得的经济效益,介绍了波纹管蒸氨 冷凝器的结构改进,并对未来的推广应用进行了展望。

    关键词:波纹管换热器;母液蒸馏;淡液蒸馏;铸铁管板;胶圈密封;PO防腐

    中图分类号:TQ 114.15　文献标识码:B　文章编号:1005-8370(2009)04-34-03

    目前我国能源利用效率较低、一次能源消费以 煤为主,国家“十一五”计划提出了明确的节能目标, 并把节能减排作为解决能源问题和实现经济可持续 发展的重要途径。纯碱工业是我国创建最早的化学 工业,经过多年的不懈努力,在生产工艺水平和污染 控制等方面都有了实质性的进展,但与国际先进水 平相比在节能减排上还存在较大差距。

    波纹管换热器是在管壳式换热器的基础上,将其中的主要传热元件———换热管改变为双面均呈连续波纹状的异形表面,实现了对于冷凝和无相变流体传热的双面强化,从而提高了换热器的总传热系数,对流体的扰动作用降低了结垢的可能性,同时波纹管的内外凸凹形状也起到了扩大传热面积的作用,波纹管换热器成为管壳式换热器的理想换代产品。经过多年的研究和推广,波纹管换热器已经在 纯碱行业煅烧炉气冷凝、碳化塔外冷、结晶外冷、蒸 馏塔顶冷凝、冰机氨冷凝、母液换热、压缩机后冷等 工况中广泛应用,发挥了其高效、安全、可靠、节能、不易堵塞、不泄漏、运行周期长的优点,为企业创造了良好的经济效益,在节能减排方面做出了巨大贡献。

    1　在母液蒸馏系统中的应用

    氨碱厂通常将含有固定氨的重碱滤过母液单独进行母液蒸馏,蒸馏出的气体先经过蒸氨冷凝器预热母液,再通过氨冷却器冷却到工艺需要的温度送 往吸氨工序,蒸氨冷凝器在蒸馏工序中起着非常重 要的作用。

    传统的蒸氨冷凝器由多个铸铁制的冷却箱组 成,直接放置在蒸氨塔顶,换热管一般采用涂有防腐 漆的铸铁小管。其优点是气体流通截面积大,流动 阻力小,操作平稳,运行安全可靠;但铸铁冷却箱的 重量大,传热性能差,冷却水耗量大,设备、土建、安 装投资很大。虽然经过了用钛管取代铸铁小管的改 进,但仍然存在设备笨重、投资大的问题。

    随着生产能力的提高,传统箱式蒸氨冷凝器已 不能满足生产需要,自上世纪80年代末,一部分铸 铁冷却箱逐渐被316L或钛板式蒸氨冷凝器所取 代。板式冷凝器的优点是传热效率高,体积小,蒸氨 冷凝器可以从蒸氨塔顶取出,减小了蒸氨塔的投资; 其缺点是气体压降较大,操作弹性小,母液侧容易堵 塞,需要频繁清洗,每次清洗后都需要更换全部密封 垫片,维护维修费用很高。

    同时也有部分碱厂采用了螺旋板式蒸氨冷凝 器,该设备具有传热效率高、气体压降比板式低、传 热板可以分为几个阶梯与不同流体换热等优点,但 缺点与板式冷凝器相同,且一旦损坏难以修复。 由于板式和螺旋板冷凝器具有上述不足,近几 年中一些碱厂在蒸氨塔顶采用波纹管冷凝器,取得了良好的应用效果。波纹管换热器继承了传统管壳 式换热器坚固耐用、安全可靠、适用场合广等优点, 同时又克服了传热系数低、易结垢、堵塞等缺点,与 其它形式换热器相比其综合经济性能指标处于领先 水平。下面就其应用情况举例说明。

    1.1　吉兰泰碱厂的应用情况

    1998年,吉兰泰碱厂扩能增产后,原来的钛板 换热器换热面积不能满足要求造成气体压降增大, 为解决此问题厂里增设了临时管线使部分母液不经 钛板换热器预热而直接进塔,致使母液预热效果降 低,制约了生产负荷的提高。2000年技术改造时, 厂里决定用波纹管换热器来替代1台板式换热器 (原来共2台板换)。为此,我们组织技术人员进行 了充分调研,综合分析了各种形式换热器,经过充分 论证后,确定了最终方案。该设备为卧式4管程结 构,蒸氨气走壳程,母液走管程,换热管材质为 TA1、管板为TA2复合16MnR、筒体为16MnR防 腐,换热管与管板采用强度焊连接。设备于2001年 4月应用于1#蒸氨塔顶,经过6个月的试用,工艺 指标如下:塔顶与冷凝器出口气相温差为10.44℃ (同比2#蒸氨塔钛板冷凝器的气相温差为7.27 ℃);母液的温升为39.94℃(同比2#蒸氨塔钛板冷 凝器的母液温升为20.61℃)。

    投用后总结如下:

    1)提高了预热母液温度和预分解效果 技改前,由于板换阻力大,造成40%左右的母 液经临时管线直接进入蒸氨塔使得进塔母液温度大 幅度降低(只有49.56℃),造成塔顶出气温度偏低, 限制了生产负荷的提升。波纹管冷凝器投用后取消 了临时母液管线,预热母液温度可以达到70℃,增 大了母液预分解效果。

    2)提高了蒸氨塔生产能力

    蒸氨塔的负荷是由气速决定的,在一定操作压 力下蒸氨塔出气温度是通过塔底加入的蒸汽调节控 制的,在工艺设计已定的情况下若进气量达到最大 限度而塔温度不能维持就只能减少蒸量,出现以气 定产的局面。波纹管冷凝器投用后,母液温度和塔 出气温度均得到了很大优化,减少了蒸汽进气量,降 低了塔内气速,生产负荷较以前提高了5 %。

    3)降低了蒸氨汽耗

    波纹管冷凝器投用后,以150 m3/h蒸发量计 算,每小时可以节省0.3 MPa 160℃蒸汽5.92 t,1#蒸氨塔以每年投用110天计算,可节约30多万 元。

    4)节省了酸洗和检修费用

    钛板换热器在正常运行过程中需要定期进行酸 洗,甚至拆卸板片,每次拆卸板片需要更换密封垫 片,检修费用较大。采用波纹管冷凝器后节约了上 述费用的支出。

    波纹管换热器在蒸氨冷凝工况的应用取得了成 功。但不可否认也存在一些问题:例如,气体侧压降 较高(约为15 kPa左右);设备运行1年后筒体与管 板的最后一道环向焊缝,因壳程侧介质中NH3对管 板基层16MnR的应力腐蚀而发生焊缝开裂等现 象。鉴于此,2004年初,在2#蒸氨塔顶的钛板换热 器改造为波纹管换热器时,在结构设计和选材上进 行了改进:在换热面积不变的情况下,适当加大换热 器直径,增加布管间距及折流板间距,从而使气体阻 力降减小为6 kPa;复合管板的基层材料改用316L 材质,从而避免了应力腐蚀的发生,设备性能得到明 显改善,至今使用情况良好。

    1.2　青岛碱厂的应用情况

    2003年初,青岛碱厂技术改造时采用了波纹管 蒸氨冷凝器。该设备的蒸氨气体是直接用海水冷却 至工艺需要的温度后送吸氨工序,蒸氨冷凝冷却采 用了回流冷凝方式,设备为立式结构直接放置在蒸 氨塔顶。为了降低设备造价并可以重复利用钛换热 管,经过与青岛碱厂技术人员共同协商,借鉴了铸铁 冷却箱的优势,设备采用夹持式管板结构,材料为添 加了Cr、Ni等合金元素的HT250,换热管为钛波纹 管,筒体管箱为16MnR内衬天然橡胶,折流板为含 油稀土尼龙板,换热管与管板采用“O”型胶圈密封。

    由于该设备壳程侧操作压力高于管侧的操作压 力,对“O”型胶圈密封性能是一种考验,经过多次结 构改进及压力试验,最终使该结构可以承受壳程侧 和管程侧为0.8 MPa的压差,而该设备的实际工作 压差为0.4 MPa,这样可以保证设备的安全使用。 设备投用后,气侧压降很小,换热效果明显提 高,即使在夏季最恶劣操作工况依然能满足工艺要 求,原设计能力为4 300 m3/h的气量,扩能后气量 达到4 900 m3/h时设备还能满足要求。设备需要 检修时,管板、换热管、密封胶圈更换很方便。

    “O”型胶圈密封结构的波纹管蒸氨冷凝器在青 岛碱厂的成功使用,使波纹管换热器在碱行业有了更广泛的应用前景。

    1.3　山东海化的应用情况

    山东海化纯碱厂在2003年的蒸氨冷凝器改造 过程中采用了波纹管换热器,该设备为卧式结构,用 海水冷却蒸氨气体。设备各零部件的选材基本与青 岛碱厂的相同,不同之处在于:筒体采用了TA2/ 16MnR复合板,管箱为16MnR内衬PO防腐材料, 折流板采用TA2板。为防止操作波动引起的“O” 型胶圈脱出,在总结了青岛碱厂设备经验的基础上, 对胶圈密封结构进行了改进,适当加大了管间距,并 研制了装卸“O”型胶圈的专用工具,为维护维修提 供了便利。

    上述改进同时也解决了气侧压降较大的问题。 设备投用后效果良好。并随后又订购了2台蒸氨冷 凝器作为改造其它蒸氨塔之用。我们在不断探索中 逐步优化了大型蒸氨冷凝器的设计,对原设计中存 在的折流板无支撑、跨距大而引起换热管与折流板 接触处发生磨损,设计条件不完整影响计算准确性 而导致进入管束气体流速太高冲刷换热管等问题制 定了详尽的预防措施,这些方面的改进成为我们产 品在蒸氨冷凝工况中使用的宝贵经验。

    1.4　国外纯碱厂的应用情况

    随着波纹管蒸氨冷凝器在国内多家碱厂的成功 应用,我们于2003~2004年先后在天辰工程公司设 计的伊朗塞姆楠纯碱厂和成达工程公司设计的乌兹 别克斯坦昆格勒纯碱厂的蒸吸工段中设计制造了波 纹管蒸氨冷凝器及波纹管氨气冷却器,使波纹管蒸 氨冷凝器走向国际市场。这2个碱厂的设计流程是 先用卧式蒸氨冷凝器预热母液后再在立式的氨气冷 却器中用循环水将蒸氨气体冷却到工艺需要的温 度,其中卧式的母液预热器采用了钛波纹管与铸铁 管板胶圈密封结构,而下段的氨气冷却器则采用了 316L换热管与复合管板强度焊的连接方式。

考虑到设备应用在国外,为尽可能减少设备的 维护维修工作量,在设计时采用适当增加成本而完 全杜绝密封胶圈脱出的思路,在设备上分别采用了 两种防止胶圈脱出结构,从使用情况来看,这些特殊 设计是达到了预期的效果。

    2　在淡液蒸馏系统中的应用

    氨碱厂产生的含氨溶液除滤过母液外还包括炉气冷凝液、尾气净化及其他回收含氨洗涤水,将这些 含氨溶液与母液分开单独进行淡液蒸馏,工艺流程 与母液蒸馏相似,传统的蒸馏工艺把淡液蒸馏塔的 出气与母液蒸馏塔的出气汇合后进入氨气冷却器一 并冷却。两种气体中NH3、CO2、H2O的含量不同, 混合在一起时冷却效果不好,随着各厂的生产能力 的扩大,系统的冷却能力已不能满足混合冷却的要 求。现在设置单独的淡液蒸馏冷凝器成为一种趋 势。由于介质的腐蚀性不强,换热管采用316L材 质即可满足要求。

    在此前我们所作的淡液蒸馏冷凝器中,一般情 况为气体走管程侧,冷却水走壳程侧。在这类冷凝 器的设计中气相流速是设计的关键,选择不合理会 造成换热管的严重冲蚀,影响设备使用寿命,另外设 备结构上的合理设计也有助于减缓振动和冲蚀情况 的发生,这些经验在们提供的方案设计中都有集中 体现。

    3　在联碱法蒸馏系统中的应用

    联碱法是由母液循环生产,要求母液平衡,生产 过程中每合成双吨产品需要339.62 kg水,而每吨 纯碱由粗重碱带出系统外的水分为301~389 kg, 它是经煅烧炉气冷凝器形成含NH3、Na2CO3、 (NH4)2CO3的凝缩液离开循环系统的,所以在真空 过滤机的总加水量不能超过上述两项水量之和,以 保证母液的水平衡。联碱法中的淡液蒸馏回收煅烧 工段的淡液和一些含氨杂水来保证母液的水平衡, 蒸出的氨送母液Ⅱ喷射吸氨器,其流程与氨碱法淡 液蒸馏流程基本一致。

随着联碱的快速发展,其淡液蒸馏冷凝器的强 化也逐渐被重视起来。2006年,我们为乐山和邦集 团30万t/a联碱项目设计制造了1台淡液蒸馏冷 凝器,设备直接放置在蒸馏塔顶,回流冷凝。设备采 用321换热管,304/16MnR复合管板,设备投运至 今运行良好,未发生腐蚀情况,使用寿命有待于时间 来检验。

    同年,又为平煤集团20万t/a联碱项目设计制 造了淡液蒸馏冷凝器,结构形式与和邦一致,换热管 材质为316L,目前正在进行二期扩建工程,已确定 采用波纹管冷凝器。

    4　结　语

    波纹管换热器的强化传热、节省投资、节能降耗 等效果已被普遍认可,因而在碱行业被广泛采用。 从积累的设计制造经验及现场运行反馈情况来看, 波纹管换热器在蒸馏系统的使用还存在若干设计制 造问题需要注意,诸如,采用波纹管换热器时立式回 流冷凝的气侧流速应防止液泛,卧式冷凝器进出气 口较大需设置合理的换热管无支撑跨距以防止换热 管磨损,气体在进口管、进入壳体以及进入管束的流速应合理选取从而有效防止管束振动,上述问题也 是波纹管换热器在蒸氨系统安全使用的关键问题。不仅需要在设计、制造中应谨慎考虑,前期方案设计时也要在充分沟通的基础上确定最优方案。

    总之,由于波纹管换热器在强化传热、防结垢、防泄漏等方面的优良性能,使其在一定程度上解决了换热领域长期存在的技术难题。以纯碱工业为例,除上述在蒸馏系统的应用外,在液氨蒸发外冷器、冰机氨冷凝器、新型变换气制碱塔外冷器、煅烧炉气冷凝器等关键设备中的使用,有效提高能源利用率,减少废气、污水的排放,在低品位热源回收利用上发挥了作用,也体现出了波纹管换热器在节能减排方面的明显优势,具有广泛的应用前景。