不锈钢波纹管换热器在联碱生产中的试用

                          张　丽1,董文林1,屈英琳2,王　飞2

(1.石家庄双联化工有限责任公司,河北石家庄　050200;2.北京广厦环能科技有限公司,北京　100083)

    摘要：介绍了不锈钢波纹管换热器在联碱碳化外冷器、结晶外冷器、炉气冷却器等工况上的应用, 并详细介绍了实际生产中取得的经济效益,并对未来的应用前景进行了展望。

    关键词：换热器;不锈钢波纹管;低品位热能回收;节电节能

    中图分类号：TQ 051.5; TQ 114.162　文献标识码:B　文章编号:1005-8370(2009)05-38-03

    波纹管换热器是一种高效换热设备,由于其显著 的高效传热,防止结垢以及高温热补偿等特性, “十五”期间,在炼油、电力、城市供热及石化行业已得 到广泛应用。近几年,我国联碱行业为了提高换热效 率、回收低品位热能、降低电耗及可比单位综合能耗, 在许多设备上也试用了波纹管换热器,在传热效果、 结疤状况、抗腐蚀性能及阻力等方面均取得许多宝贵 数据,为波纹管换热器在联碱生产上使用奠定了基础, 同时也为联碱生产进一步降低能耗创造了条件。

波纹管换热器中波纹管根据不同的加工方法可 分为薄壁波纹管和厚壁波纹管。薄壁波纹管是采用 内胀加工方法制造,管壁厚δ≤1.5 mm管内外呈波 纹状;厚壁波纹管是采用外挤压加工方法制造,管壁 厚1.5 mm≤δ≤3 mm,管内外呈波纹或螺旋状。波 纹管换热器根据所使用介质环境的不同,可采用奥 氏体不锈钢、碳钢、钛材及铜等材料加工。近2年, 由于我国钛材价格持续上涨,使得钛管及钛波纹管 价格很难让联碱企业所接受,因此经特殊处理的不 锈钢波纹管能否成功应用于联碱生产已成为行业普 遍关注的问题。2000年以来,北京广厦公司与石家 庄双联化工有限责任公司合作,将不锈钢波纹管换 热器率先试用于新型变换气制碱塔外冷器、AII换 热器、煅烧炉炉气冷凝塔、液氨蒸发外冷器等核心设 备上,并进行了探索性尝试。

    1　在新型变换气制碱塔外冷器上试用

    2000年,石家庄双联化工公司120 kt/a联碱技 改工程中制碱工序φ2 600/φ3 600制碱塔外冷器采 用钛材及碳钢防腐两种不同材料的换热管(1台 φ2 600/φ3 600制碱塔配3台外冷器),使用1年后, 碳钢外冷器开始泄漏。2001年,更换为管壁厚为 2 mm的不锈钢外冷器,经3年试用,取得较好效果。 初步证实,在该工况下(温度<60℃),不锈钢外冷 器耐腐蚀及耐冲刷性可以满足制碱工艺之需。但由 于直管外冷器(钛材,不锈钢)传热效率低,进、出口 循环水平均温差2.5℃,夏季进、出口水温差更低, 致使循环水用量较大。于是,在2004年6月和 2005年8月,投运的φ3 200/φ4 800,φ3 200/φ5 200 2台制碱塔上都配备了由北京广厦公司设计、制造 的不锈钢波纹管外冷器,设备规格为DN1500,F= 538 m2,换热管采用经特殊处理过的φ45×1.2、 316 L材料的波纹管,管板采用不锈钢复合管板,经 2年多试运行,表现出许多优越性:

    1)冷却水进出口温差由原2.5℃提高到5℃, 换热效率大幅度提高,同时降低了循环水用量。 2)未发现影响新型变换气制碱塔自循环量现 象,原来所顾虑的外冷器换热管结疤现象也不存在。 3)未发现管板处有腐蚀现象,也未发现换热管 泄漏,在停车时用超声测厚仪通过手孔测量壁厚分 别为:1.1 mm、1.18 mm和1.09 mm(自上而下) 壁厚基本无减薄。

    可以说,经特殊处理的不锈钢波纹管外冷器配 备于依靠母液密度差自循环动力推动的新型变换气 制碱塔上与直管钛材、不锈钢外冷器相比,不仅表现 出良好的传热性能,而且也经得起抗腐蚀性能的检 验。这主要是不锈钢波纹管换热器用于制碱塔换 热,属低品位热量交换(母液温度<50℃;循环水温 度<35℃),还没有达到不锈钢腐蚀温度缘故。

    2　在液氨蒸发外冷器上试用

    在联碱生产中,Ⅱ过程冷析结晶一般采用液氨直接蒸发制冷钛材外冷器,也有采用碳钢外冷器厂家,碳钢外冷器根据其防腐质量和性能的不同,一般可使用3~4年,也有许多厂家只能使用1~2年,甚至于使用不到1年的厂家也有。外冷器泄漏对联碱生产影响很大,而且补焊碳钢外冷器的工作量也相当繁杂。

    钛材以特有的耐腐蚀性能用于联碱制铵工序冷析结晶外冷器,是最佳材料选择,已有连续使用2年报道。但是由于钛材价格持续上涨,如扩建1套联碱结晶系统采用钛外冷器,其投资已占到整个工序投资50 %多,这让没有相当经济实力或缺乏国家投资的企业很难承受这一现实。因此,利用低温条件下不锈钢对联碱母液的有效耐腐蚀性,采用不锈钢材质的液氨蒸发式外冷器越来越显示出强大竞争力。

2004年10月,石家庄双联化工有限公司为了 提高φ8 500×6 500×9 345冷析结晶器(300 m3)、 φ9 500×6 850×9 326盐析结晶器(300 m3)制铵工 序能力,在原φ2 000、832 m2碳钢外冷器经常泄漏 情况下,结合制碱工序使用不锈钢波纹管外冷器试 用经验。利用原φ2 000外冷器设备筒体及管板,更 换上北京广厦公司制造的材料为0Cr18Ni10Ti、规 格为φ45×1.2的波纹管;2005年5月,又利用原 φ2 000外冷器旧设备筒体及管板更换了1台原来的 φ45×1.5直管外冷器,2005年10月,又更换了1台 波纹管换热器,这为不锈钢外冷器采用直管与波纹 管的效果比较创造了条件,经对比运行,不锈钢波纹 管液氨蒸发外冷器表现出许多优势:

    1)传热效率高:波纹管外冷器传热效率约为直 管的1.8倍(从AI投量数据、外冷器母液进出口的 温差及产量对比计算出)。2台波纹管作业,AI投 量可达200 m3/h(冷析温度相同,均为10℃),1台 波纹管与1台直管作业,AI投量仅140 m3/h(冷析 温度相同,均为10℃)。直管外冷器温度过饱和度 为0.4~0.5℃,波纹管外冷器温度过饱和度为0.8 ~1.0℃。

    2)光滑不堵塞:波纹管外冷器列管不堵塞,轮换 后,用AI清洗泵4 h可以清洗彻底,不用人工冲洗, 很少打开人孔检查。

    3)提高生产能力:由于波纹管外冷器传热性能好,进、出外冷器温度过饱和度提高近1倍,且不堵塞外冷器。在基本不改变冷析结晶器表观流速,不破坏冷析结晶床层情况下,冷析产量大幅度提高,为结晶工序挖潜、增产创造了条件。因此可以说,联碱结晶工序冷析生产能力核心是液氨蒸发外冷器,如全部采用波纹管外冷器,在冷析结晶器设计不变前提下,生产能力基本提高1倍。

    4)节电明显:由于采用传热性能高的波纹管外 冷器,在稍微增大冷析轴流泵功率的前提下,不仅能 实现较好的传质效果,而且节电更为明显。这一点 可以通过石家庄双联化工有限责任公司不锈钢波纹 管与直管外冷器对比中得到进一步证实:φ2 000直 管外冷器轴流泵电流平均为112 A,φ2 000波纹管 外冷器电流为123 A,电耗增加约9.8 %,而产量基 本提高1倍,因此采用波纹管换热器可大幅度降低 制铵工序冷析轴流泵电耗。按一套20万t/a结晶能 力进行核算,采用波纹管不锈钢外冷器可节电约 100 kW/h,年节电约80万kW·h,可节约电费约 24万元。

    5)节约投资:联碱行业外冷器设计受筒体直径 与长度限制,不能做得尽可能大。如进行单套结晶 器能力放大,首先要保证母液通过外冷器每次循环 产生的温度过饱和度,这就要求外冷器有足够换热 面积。以1套20万t/a结晶系统为例(配4台外冷 器),如选用直管外冷器,采用φ2 400×6 500筒体 进行管子紧密布置,也只能排下1 415 m2换热面积 (φ2 400×6 500外冷器目前应为联碱最大外冷器), 如要将换热面积排到1 600 m2,一种方法是加大外 冷器直径,这将造成制造难度增加,或因管板焊接变 形而难以保证制造质量等问题;另一种方法是增加 换热管长度,这样冷析轴流泵的扬程必须相应增加, 增加了动力消耗,而且我国联碱行业单套大型的制 铵系统很少,大厂也只是多套结晶器的组合,单套结 晶器能力超过20万t/a的在联碱行业还很少,这主 要与冷析结晶器配套的外冷器能力未能成功放大有 直接关系。波纹管液氨蒸发外冷器的使用,可以使 联碱行业制铵工序单套能力超过20万t/a,甚至可 以实现30~50万t/a,这不仅对降低联碱技改扩建 投资具有现实意义,而且也对我国制铵工序单套能 力实现大型化具有指导意义。

    2006年10月,石家庄双联化工公司新投运的 φ13 000×9 400×10 950盐析结晶器及φ12 000×9400×11300冷析结晶器配套3台φ2 400×6 500不锈钢波纹管外冷器,在开1台φ2 400外冷器(配 Q=5500 m3/h,H=3 m,N=110 kW;A=170 A) 前提下,AI投量可达230 m3/h,冷析温度为10℃,外冷器蒸发压力平均为0.38 MPa,冷析结晶器氯化铵取出沉降时间约30 s,且外冷器不堵塞,不用打开人孔检查。基本接近20万t/a能力,且产品质量优良,这进一步证实波纹管用于液氨蒸发外冷器的优势。

    根据不锈钢波纹管外冷器在石家庄双联化工公 司的使用情况,换热管材料与管板材料的匹配问题 还需在订货时多加关注。双联化工公司的φ2 000 液氨蒸发外冷器在改造时是在原有的旧筒体和管板 的基础上更换不锈钢波纹管,因为旧管板上的残留 物难以彻底清除,加之不同材料之间存在的电位差 腐蚀,造成了换热管和管板的焊接处出现局部泄漏。 而在工艺操作温度比其高的制碱塔外冷器,在最初 制造时就选用了不锈钢复合管板,经过比其更长的 使用考验,都没有出现泄漏现象。因而不锈钢波纹 管在外冷器中使用时,采用复合管板是解决焊缝泄 漏的有效途径。

    3　在煅烧炉炉气冷凝塔及AⅡ换热器 上试用

    煅烧炉炉气冷凝塔原来采用碳钢直管时,由于 炉气温度高,筒体无补偿,往往使用不到1年就发生 泄漏,石家庄双联化工有限公司于1999年更换为北 京广厦公司提供的φ1 600的不锈钢波纹管炉气冷 凝器后,已连续运行7年,由于其优越的换热性能, 使炉气出口温度有了明显降低,同时其热补偿性能 的充分发挥也使得设备不再发生泄漏,大大改善现 场环境。此外AⅡ换热器试用2年来情况良好。

    联碱行业存在腐蚀性强,易堵塞,且低品位热能需回收多等缺陷,因此在换热器形式和换热管材料选用上须进行斟酌筛选,钛材就其耐腐蚀性能而言, 应为首选,但考虑到其高昂价格及联碱行业低利润 的现实,致使许多中、小企业望而却步。目前联碱行业技改、扩建应遵循价值规律原则,选择价格适中、性价比高的设备及材料,这不仅符合联碱生产腐蚀性强、冲刷磨损严重、易泄漏、易堵塞的实际,而且有利于进一步减少联碱母液泄漏损失、降低综合能耗, 提高项目投资回报率及经济效益。

参考文献

[1]　大连化工研究设计院.纯碱工学,第二版[M].北京: 化学工业出版社,2004

[2]　王　楚.纯碱生产工艺与设备计算[M].北京:化学工 业出版社,1995