波紋管換熱器在母液和淡液蒸餾系統(tǒng)的應用

                                      王　飛,王鳳林,屈英琳

                           (北京廣廈環(huán)能科技有限公司,北京　100083)

    摘要:介紹了波紋管換熱器在堿廠蒸餾系統(tǒng)的應用情況及其取得的經濟效益,介紹了波紋管蒸氨 冷凝器的結構改進,并對未來的推廣應用進行了展望。

    關鍵詞:波紋管換熱器;母液蒸餾;淡液蒸餾;鑄鐵管板;膠圈密封;PO防腐

    中圖分類號:TQ 114.15　文獻標識碼:B　文章編號:1005-8370(2009)04-34-03

    目前我國能源利用效率較低、一次能源消費以 煤為主,國家“十一五”計劃提出了明確的節(jié)能目標, 并把節(jié)能減排作為解決能源問題和實現(xiàn)經濟可持續(xù) 發(fā)展的重要途徑。純堿工業(yè)是我國創(chuàng)建最早的化學 工業(yè),經過多年的不懈努力,在生產工藝水平和污染 控制等方面都有了實質性的進展,但與國際先進水 平相比在節(jié)能減排上還存在較大差距。

    波紋管換熱器是在管殼式換熱器的基礎上,將其中的主要傳熱元件———換熱管改變?yōu)殡p面均呈連續(xù)波紋狀的異形表面,實現(xiàn)了對于冷凝和無相變流體傳熱的雙面強化,從而提高了換熱器的總傳熱系數(shù),對流體的擾動作用降低了結垢的可能性,同時波紋管的內外凸凹形狀也起到了擴大傳熱面積的作用,波紋管換熱器成為管殼式換熱器的理想換代產品。經過多年的研究和推廣,波紋管換熱器已經在 純堿行業(yè)煅燒爐氣冷凝、碳化塔外冷、結晶外冷、蒸 餾塔頂冷凝、冰機氨冷凝、母液換熱、壓縮機后冷等 工況中廣泛應用,發(fā)揮了其高效、安全、可靠、節(jié)能、不易堵塞、不泄漏、運行周期長的優(yōu)點,為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經濟效益,在節(jié)能減排方面做出了巨大貢獻。

    1　在母液蒸餾系統(tǒng)中的應用

    氨堿廠通常將含有固定氨的重堿濾過母液單獨進行母液蒸餾,蒸餾出的氣體先經過蒸氨冷凝器預熱母液,再通過氨冷卻器冷卻到工藝需要的溫度送 往吸氨工序,蒸氨冷凝器在蒸餾工序中起著非常重 要的作用。

    傳統(tǒng)的蒸氨冷凝器由多個鑄鐵制的冷卻箱組 成,直接放置在蒸氨塔頂,換熱管一般采用涂有防腐 漆的鑄鐵小管。其優(yōu)點是氣體流通截面積大,流動 阻力小,操作平穩(wěn),運行安全可靠;但鑄鐵冷卻箱的 重量大,傳熱性能差,冷卻水耗量大,設備、土建、安 裝投資很大。雖然經過了用鈦管取代鑄鐵小管的改 進,但仍然存在設備笨重、投資大的問題。

    隨著生產能力的提高,傳統(tǒng)箱式蒸氨冷凝器已 不能滿足生產需要,自上世紀80年代末,一部分鑄 鐵冷卻箱逐漸被316L或鈦板式蒸氨冷凝器所取 代。板式冷凝器的優(yōu)點是傳熱效率高,體積小,蒸氨 冷凝器可以從蒸氨塔頂取出,減小了蒸氨塔的投資; 其缺點是氣體壓降較大,操作彈性小,母液側容易堵 塞,需要頻繁清洗,每次清洗后都需要更換全部密封 墊片,維護維修費用很高。

    同時也有部分堿廠采用了螺旋板式蒸氨冷凝 器,該設備具有傳熱效率高、氣體壓降比板式低、傳 熱板可以分為幾個階梯與不同流體換熱等優(yōu)點,但 缺點與板式冷凝器相同,且一旦損壞難以修復。 由于板式和螺旋板冷凝器具有上述不足,近幾 年中一些堿廠在蒸氨塔頂采用波紋管冷凝器,取得了良好的應用效果。波紋管換熱器繼承了傳統(tǒng)管殼 式換熱器堅固耐用、安全可靠、適用場合廣等優(yōu)點, 同時又克服了傳熱系數(shù)低、易結垢、堵塞等缺點,與 其它形式換熱器相比其綜合經濟性能指標處于領先 水平。下面就其應用情況舉例說明。

    1.1　吉蘭泰堿廠的應用情況

    1998年,吉蘭泰堿廠擴能增產后,原來的鈦板 換熱器換熱面積不能滿足要求造成氣體壓降增大, 為解決此問題廠里增設了臨時管線使部分母液不經 鈦板換熱器預熱而直接進塔,致使母液預熱效果降 低,制約了生產負荷的提高。2000年技術改造時, 廠里決定用波紋管換熱器來替代1臺板式換熱器 (原來共2臺板換)。為此,我們組織技術人員進行 了充分調研,綜合分析了各種形式換熱器,經過充分 論證后,確定了最終方案。該設備為臥式4管程結 構,蒸氨氣走殼程,母液走管程,換熱管材質為 TA1、管板為TA2復合16MnR、筒體為16MnR防 腐,換熱管與管板采用強度焊連接。設備于2001年 4月應用于1#蒸氨塔頂,經過6個月的試用,工藝 指標如下:塔頂與冷凝器出口氣相溫差為10.44℃ (同比2#蒸氨塔鈦板冷凝器的氣相溫差為7.27 ℃);母液的溫升為39.94℃(同比2#蒸氨塔鈦板冷 凝器的母液溫升為20.61℃)。

    投用后總結如下:

    1)提高了預熱母液溫度和預分解效果 技改前,由于板換阻力大,造成40%左右的母 液經臨時管線直接進入蒸氨塔使得進塔母液溫度大 幅度降低(只有49.56℃),造成塔頂出氣溫度偏低, 限制了生產負荷的提升。波紋管冷凝器投用后取消 了臨時母液管線,預熱母液溫度可以達到70℃,增 大了母液預分解效果。

    2)提高了蒸氨塔生產能力

    蒸氨塔的負荷是由氣速決定的,在一定操作壓 力下蒸氨塔出氣溫度是通過塔底加入的蒸汽調節(jié)控 制的,在工藝設計已定的情況下若進氣量達到最大 限度而塔溫度不能維持就只能減少蒸量,出現(xiàn)以氣 定產的局面。波紋管冷凝器投用后,母液溫度和塔 出氣溫度均得到了很大優(yōu)化,減少了蒸汽進氣量,降 低了塔內氣速,生產負荷較以前提高了5 %。

    3)降低了蒸氨汽耗

    波紋管冷凝器投用后,以150 m3/h蒸發(fā)量計 算,每小時可以節(jié)省0.3 MPa 160℃蒸汽5.92 t,1#蒸氨塔以每年投用110天計算,可節(jié)約30多萬 元。

    4)節(jié)省了酸洗和檢修費用

    鈦板換熱器在正常運行過程中需要定期進行酸 洗,甚至拆卸板片,每次拆卸板片需要更換密封墊 片,檢修費用較大。采用波紋管冷凝器后節(jié)約了上 述費用的支出。

    波紋管換熱器在蒸氨冷凝工況的應用取得了成 功。但不可否認也存在一些問題:例如,氣體側壓降 較高(約為15 kPa左右);設備運行1年后筒體與管 板的最后一道環(huán)向焊縫,因殼程側介質中NH3對管 板基層16MnR的應力腐蝕而發(fā)生焊縫開裂等現(xiàn) 象。鑒于此,2004年初,在2#蒸氨塔頂?shù)拟伆鍝Q熱 器改造為波紋管換熱器時,在結構設計和選材上進 行了改進:在換熱面積不變的情況下,適當加大換熱 器直徑,增加布管間距及折流板間距,從而使氣體阻 力降減小為6 kPa;復合管板的基層材料改用316L 材質,從而避免了應力腐蝕的發(fā)生,設備性能得到明 顯改善,至今使用情況良好。

    1.2　青島堿廠的應用情況

    2003年初,青島堿廠技術改造時采用了波紋管 蒸氨冷凝器。該設備的蒸氨氣體是直接用海水冷卻 至工藝需要的溫度后送吸氨工序,蒸氨冷凝冷卻采 用了回流冷凝方式,設備為立式結構直接放置在蒸 氨塔頂。為了降低設備造價并可以重復利用鈦換熱 管,經過與青島堿廠技術人員共同協(xié)商,借鑒了鑄鐵 冷卻箱的優(yōu)勢,設備采用夾持式管板結構,材料為添 加了Cr、Ni等合金元素的HT250,換熱管為鈦波紋 管,筒體管箱為16MnR內襯天然橡膠,折流板為含 油稀土尼龍板,換熱管與管板采用“O”型膠圈密封。

    由于該設備殼程側操作壓力高于管側的操作壓 力,對“O”型膠圈密封性能是一種考驗,經過多次結 構改進及壓力試驗,最終使該結構可以承受殼程側 和管程側為0.8 MPa的壓差,而該設備的實際工作 壓差為0.4 MPa,這樣可以保證設備的安全使用。 設備投用后,氣側壓降很小,換熱效果明顯提 高,即使在夏季最惡劣操作工況依然能滿足工藝要 求,原設計能力為4 300 m3/h的氣量,擴能后氣量 達到4 900 m3/h時設備還能滿足要求。設備需要 檢修時,管板、換熱管、密封膠圈更換很方便。

    “O”型膠圈密封結構的波紋管蒸氨冷凝器在青 島堿廠的成功使用,使波紋管換熱器在堿行業(yè)有了更廣泛的應用前景。

    1.3　山東?；膽们闆r

    山東?；儔A廠在2003年的蒸氨冷凝器改造 過程中采用了波紋管換熱器,該設備為臥式結構,用 海水冷卻蒸氨氣體。設備各零部件的選材基本與青 島堿廠的相同,不同之處在于:筒體采用了TA2/ 16MnR復合板,管箱為16MnR內襯PO防腐材料, 折流板采用TA2板。為防止操作波動引起的“O” 型膠圈脫出,在總結了青島堿廠設備經驗的基礎上, 對膠圈密封結構進行了改進,適當加大了管間距,并 研制了裝卸“O”型膠圈的專用工具,為維護維修提 供了便利。

    上述改進同時也解決了氣側壓降較大的問題。 設備投用后效果良好。并隨后又訂購了2臺蒸氨冷 凝器作為改造其它蒸氨塔之用。我們在不斷探索中 逐步優(yōu)化了大型蒸氨冷凝器的設計,對原設計中存 在的折流板無支撐、跨距大而引起換熱管與折流板 接觸處發(fā)生磨損,設計條件不完整影響計算準確性 而導致進入管束氣體流速太高沖刷換熱管等問題制 定了詳盡的預防措施,這些方面的改進成為我們產 品在蒸氨冷凝工況中使用的寶貴經驗。

    1.4　國外純堿廠的應用情況

    隨著波紋管蒸氨冷凝器在國內多家堿廠的成功 應用,我們于2003~2004年先后在天辰工程公司設 計的伊朗塞姆楠純堿廠和成達工程公司設計的烏茲 別克斯坦昆格勒純堿廠的蒸吸工段中設計制造了波 紋管蒸氨冷凝器及波紋管氨氣冷卻器,使波紋管蒸 氨冷凝器走向國際市場。這2個堿廠的設計流程是 先用臥式蒸氨冷凝器預熱母液后再在立式的氨氣冷 卻器中用循環(huán)水將蒸氨氣體冷卻到工藝需要的溫 度,其中臥式的母液預熱器采用了鈦波紋管與鑄鐵 管板膠圈密封結構,而下段的氨氣冷卻器則采用了 316L換熱管與復合管板強度焊的連接方式。

考慮到設備應用在國外,為盡可能減少設備的 維護維修工作量,在設計時采用適當增加成本而完 全杜絕密封膠圈脫出的思路,在設備上分別采用了 兩種防止膠圈脫出結構,從使用情況來看,這些特殊 設計是達到了預期的效果。

    2　在淡液蒸餾系統(tǒng)中的應用

    氨堿廠產生的含氨溶液除濾過母液外還包括爐氣冷凝液、尾氣凈化及其他回收含氨洗滌水,將這些 含氨溶液與母液分開單獨進行淡液蒸餾,工藝流程 與母液蒸餾相似,傳統(tǒng)的蒸餾工藝把淡液蒸餾塔的 出氣與母液蒸餾塔的出氣匯合后進入氨氣冷卻器一 并冷卻。兩種氣體中NH3、CO2、H2O的含量不同, 混合在一起時冷卻效果不好,隨著各廠的生產能力 的擴大,系統(tǒng)的冷卻能力已不能滿足混合冷卻的要 求?，F(xiàn)在設置單獨的淡液蒸餾冷凝器成為一種趨 勢。由于介質的腐蝕性不強,換熱管采用316L材 質即可滿足要求。

    在此前我們所作的淡液蒸餾冷凝器中,一般情 況為氣體走管程側,冷卻水走殼程側。在這類冷凝 器的設計中氣相流速是設計的關鍵,選擇不合理會 造成換熱管的嚴重沖蝕,影響設備使用壽命,另外設 備結構上的合理設計也有助于減緩振動和沖蝕情況 的發(fā)生,這些經驗在們提供的方案設計中都有集中 體現(xiàn)。

    3　在聯(lián)堿法蒸餾系統(tǒng)中的應用

    聯(lián)堿法是由母液循環(huán)生產,要求母液平衡,生產 過程中每合成雙噸產品需要339.62 kg水,而每噸 純堿由粗重堿帶出系統(tǒng)外的水分為301~389 kg, 它是經煅燒爐氣冷凝器形成含NH3、Na2CO3、 (NH4)2CO3的凝縮液離開循環(huán)系統(tǒng)的,所以在真空 過濾機的總加水量不能超過上述兩項水量之和,以 保證母液的水平衡。聯(lián)堿法中的淡液蒸餾回收煅燒 工段的淡液和一些含氨雜水來保證母液的水平衡, 蒸出的氨送母液Ⅱ噴射吸氨器,其流程與氨堿法淡 液蒸餾流程基本一致。

隨著聯(lián)堿的快速發(fā)展,其淡液蒸餾冷凝器的強 化也逐漸被重視起來。2006年,我們?yōu)闃飞胶桶罴?nbsp;團30萬t/a聯(lián)堿項目設計制造了1臺淡液蒸餾冷 凝器,設備直接放置在蒸餾塔頂,回流冷凝。設備采 用321換熱管,304/16MnR復合管板,設備投運至 今運行良好,未發(fā)生腐蝕情況,使用壽命有待于時間 來檢驗。

    同年,又為平煤集團20萬t/a聯(lián)堿項目設計制 造了淡液蒸餾冷凝器,結構形式與和邦一致,換熱管 材質為316L,目前正在進行二期擴建工程,已確定 采用波紋管冷凝器。

    4　結　語

    波紋管換熱器的強化傳熱、節(jié)省投資、節(jié)能降耗 等效果已被普遍認可,因而在堿行業(yè)被廣泛采用。 從積累的設計制造經驗及現(xiàn)場運行反饋情況來看, 波紋管換熱器在蒸餾系統(tǒng)的使用還存在若干設計制 造問題需要注意,諸如,采用波紋管換熱器時立式回 流冷凝的氣側流速應防止液泛,臥式冷凝器進出氣 口較大需設置合理的換熱管無支撐跨距以防止換熱 管磨損,氣體在進口管、進入殼體以及進入管束的流速應合理選取從而有效防止管束振動,上述問題也 是波紋管換熱器在蒸氨系統(tǒng)安全使用的關鍵問題。不僅需要在設計、制造中應謹慎考慮,前期方案設計時也要在充分溝通的基礎上確定最優(yōu)方案。

    總之,由于波紋管換熱器在強化傳熱、防結垢、防泄漏等方面的優(yōu)良性能,使其在一定程度上解決了換熱領域長期存在的技術難題。以純堿工業(yè)為例,除上述在蒸餾系統(tǒng)的應用外,在液氨蒸發(fā)外冷器、冰機氨冷凝器、新型變換氣制堿塔外冷器、煅燒爐氣冷凝器等關鍵設備中的使用,有效提高能源利用率,減少廢氣、污水的排放,在低品位熱源回收利用上發(fā)揮了作用,也體現(xiàn)出了波紋管換熱器在節(jié)能減排方面的明顯優(yōu)勢,具有廣泛的應用前景。