王　飛,王鳳林,屈英琳

                           (北京廣廈環能科技有限公司,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能目標, 并把節能減排作為解決能源問題和實現經濟可持續 發展的重要途徑。純堿工業是我國創建最早的化學 工業,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———換熱管改變為雙面均呈連續波紋狀的異形表面,實現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,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,發揮了其高效、安全、可靠、節能、不易堵塞、不泄漏、運行周期長的優點,為企業創造了良好的經濟效益,在節能減排方面做出了巨大貢獻。

    1　在母液蒸餾系統中的應用

    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。其優點是氣體流通截面積大,流動 阻力小,操作平穩,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管殼 式換熱器堅固耐用、安全可靠、適用場合廣等優點, 同時又克服了傳熱系數低、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蒸發量計 算,每小時可以節省0.3 MPa 160℃蒸汽5.92 t,1#蒸氨塔以每年投用110天計算,可節約30多萬 元。

    4)節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 板的最后一道環向焊縫,因殼程側介質中NH3對管 板基層16MnR的應力腐蝕而發生焊縫開裂等現 象。鑒于此,2004年初,在2#蒸氨塔頂的鈦板換熱 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商,借鑒了鑄鐵 冷卻箱的優勢,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有了更廣泛的應用前景。

    1.3　山東海化的應用情況

    山東海化純堿廠在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,系統的冷卻能力已不能滿足混合冷卻的要 求。現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 的發生,這些經驗在們提供的方案設計中都有集中 體現。

    3　在聯堿法蒸餾系統中的應用

    聯堿法是由母液循環生產,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的凝縮液離開循環系統的,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。

隨著聯堿的快速發展,其淡液蒸餾冷凝器的強 化也逐漸被重視起來。2006年,我們為樂山和邦集 團30萬t/a聯堿項目設計制造了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、節省投資、節能降耗 等效果已被普遍認可,因而在堿行業被廣泛采用。 從積累的設計制造經驗及現場運行反饋情況來看, 波紋管換熱器在蒸餾系統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。以純堿工業為例,除上述在蒸餾系統的應用外,在液氨蒸發外冷器、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揮了作用,也體現出了波紋管換熱器在節能減排方面的明顯優勢,具有廣泛的應用前景。