黎志敏

（杭州龍山化工有限公司，杭州311228）

近年來，雙加壓法硝酸以其氨耗低、鉑耗低、成品酸含量高和尾氣中NOx含量低等優(yōu)點，逐漸成為我國硝酸行業(yè)發(fā)展的主要生產工藝，預計2015年在硝酸產能行業(yè)內的比例將達90%以上[1]。目前杭州某公司1套100 kt/a雙加壓法稀硝酸裝置，自2010年4月投入生產運行以來，出現(xiàn)了如低壓反應水冷器列管易泄漏、廢熱鍋爐爆管及高溫季節(jié)裝置產量偏低等問題，為此進行了一系列相應的改造和優(yōu)化，達到了設備穩(wěn)定運行和裝置節(jié)能降耗的目的。

1 低壓反應水冷器改造

1.1 設備運行現(xiàn)狀

φ1 400 mm低壓反應水冷器使用2 a后，每次停車檢查時發(fā)現(xiàn)φ25mm×2mm換熱管都有不同程度的泄漏現(xiàn)象。在多次對管板和換熱管進行焊補后，原總共822根換熱管，已經焊補封堵了120余根，換熱面積下降約15%，造成了設備出口的NOx溫度由37℃上升到補漏后的42～45℃，而氣體溫度偏高會影響后續(xù)NOx壓縮機的提壓效率，同時部分泄漏的稀硝酸進入殼程后加速了碳鋼設備和管線的腐蝕。

由于該設備的換熱管材質采用304L不銹鋼，總質量22 t，換熱面積702m2，若調換整臺設備費用需120萬元以上，維修成本過高。

1.2 腐蝕原因分析

1)溫差應力腐蝕。由于低壓反應水冷器的換熱管與管板之間采用常規(guī)的貼脹+強度焊接形式，在脹管處管壁減薄及焊接容易造成殘余應力，而設備入口處的NOx氣體溫度高達到170℃，循環(huán)冷卻水的溫度約30℃，2者溫度相差較大，而過大的溫差應力極易造成換熱管薄弱處破損。

2)高溫冷凝稀酸沖刷。入口處NOx氣體溫度高達到160～170℃，出口為40℃左右，該氣體的露點溫度97℃，在冷卻過程中不斷有冷凝酸產出。按照理論數(shù)據(jù)及使用經驗，超過70℃的冷凝稀硝酸對304L不銹鋼的腐蝕比較嚴重，特別是在高速氣流的帶動下對管束的沖刷比一般的電化學腐蝕更大。目前低壓水冷器進口的NOx氣體溫度約為160℃，所以水冷器的腐蝕主要集中在了前半段。

3)Cl-聚集應力腐蝕。換熱管材質采用的304 L不銹鋼不耐Cl-腐蝕，容易引起應力腐蝕開裂，同時由于采取常規(guī)的管板焊接方法，在管束和管板之間存在間隙，如果循環(huán)冷卻水中的Cl-含量較高，容易在間隙死角處產生了Cl-聚集，從而容易使管子表面形成點坑或縫隙腐蝕[2]。

1.3 措施及建議

在具體改造實施過程中，改變了設備的布置形式，將原來1臺φ1 400 mm臥式低壓反應水冷器拆除后，改為2臺同等換熱面積的小設備。其中前置水冷器改為立式布置，后面1只仍為臥式布置，新?lián)Q2臺φ1 500mm水冷器的熱管規(guī)格為φ25mm×5 500 mm，共計948根，換熱面積為401 m2，2臺水冷器換熱面積共計802m2。設備直徑變大后使氣體流通面積有所增加，保證改造后系統(tǒng)的阻力不至于增加很大；立式低壓反應水冷器冷凝酸停留時間減少降低了對換熱管的沖刷程度。一般情況下，只需調換前置低壓反應水冷器即可，能減少設備維修成本。

同時還可以通過以下幾方面措施：

1)保證冷卻水質量。要嚴格控制循環(huán)水的各項指標，減少懸浮物、雜質等帶入，特別是要定期分析Cl-含量防止超標（質量分數(shù)≤0.2×10-3），通過殼程的排污口對循環(huán)水進行定期排放等措施，同時可在裝置停車檢修期間進行物理或化學專業(yè)清洗，消除污垢。盡量減小換熱管死角處的Cl-聚集，防止腐蝕的發(fā)生。

2)采用先進制造工藝。換熱器的換熱管與管板之間一般采用傳統(tǒng)的貼脹+強度焊接形式，建議改為目前先進的內孔焊技術，用內孔焊制造的換熱器耐應力腐蝕破裂性能優(yōu)于未采用內孔焊的換熱器[3]。不僅能提高焊接質量，也能消除換熱管和管板之間的縫隙死角，減小Cl-集聚引起的應力腐蝕。

3)選擇適用的耐腐蝕材料?？紤]到設備投資的問題，改造時換熱器的換熱管材質還是選用了304L不銹鋼。事實證明鈦材能更好的適應70℃的冷凝稀硝酸工作環(huán)境，如果在金屬市場鈦材價格適中，可將前置低壓反應水冷器換熱器的列管和管板選擇為鈦材，適當減小換熱管壁厚，即能保證換熱效果，也能延長使用壽命。

1.4 改造后運行情況

低壓反應水冷器在通過改造后，前置立式水冷器產生的冷凝酸溫度約55℃，NOx分離器處的冷凝酸溫度約36℃。這樣后置水冷器的管程工作溫度＜70℃，大大延緩了其腐蝕程度，進入酸塔的冷凝酸溫度降低3℃，相應提高了酸吸收效率。通過運行約2 a來檢修時查漏情況，未出現(xiàn)明顯泄漏現(xiàn)象。

2 氧化爐-廢熱鍋爐改造

2.1 設備運行現(xiàn)狀

氧化爐-廢熱鍋爐運行4 a以來，已出現(xiàn)4次蒸發(fā)段爆管現(xiàn)象，合計堵φ45mm×5mm加熱管6根（總共38根），隨之而來廢鍋爐出口NOx氣體溫度不斷上升至480～490℃，與設計指標的400℃相差較大，廢鍋換熱效果不好必然使裝置自產蒸汽不足，蒸汽系統(tǒng)自平衡困難，同時整個裝置能量回收效率差。

針對此情況，在初期發(fā)生爆管現(xiàn)象后也采取了一些措施，如增加了1臺大流量的鍋爐循環(huán)水泵（將體積流量由300m3/h增加到350m3/h），提高鍋爐的循環(huán)倍率；汽包排污方式也由不定期排污改為定期排污；控制好氧化爐中部溫度不要超過880℃等，但也沒能徹底解決設備存在的問題。

2.2 原因分析

氧化爐-廢熱鍋爐也是選用傳統(tǒng)的巴布考克爐型，隨著這些年以來行業(yè)內裝置運行實踐經驗，該鍋爐存在NOx氣體出口溫度過高、換熱管爆管和檢修困難等一系列通病。之所以達不到預期的使用壽命，其主要原因就是設計上鍋爐水的節(jié)流分布問題和國內設備加工制造水平與國外廠家存在一定的差距。

2.3 改造措施及建議

從行業(yè)內的新技術、新設備應用動態(tài)來看，拉蒙特爐型廢熱鍋爐將是雙加壓法稀硝酸裝置今后應用趨勢，其更加合理的結構形式能夠基本解決以上問題。與巴布考克爐型相比，該爐型主要有以下幾個優(yōu)點：

1)結構設計更加合理。首先換熱盤管采用蛇形水平排列，這樣的設計克服了巴布考克爐型鍋爐垂直彎頭過多的缺陷，因為彎頭處受到的熱應力大，尤其是在開停車時候彎頭處熱應力更大，也避免了彎頭處的渦流對管壁的沖刷磨損。同時蒸汽過熱段盤管位于上下2層蒸發(fā)段盤管之間，有效地避免過熱段盤管受到高溫輻射熱。

2)熱能回收效率較高。水平盤管布滿整個筒體空間，工藝氣體不會走短路，廢熱鍋爐出口NOx氣體溫度能基本達到設計要求的400℃左右，相應鍋爐的產汽量更大。同時設計理念的不同，鍋爐系統(tǒng)的鍋爐水循環(huán)倍率較小，配套鍋爐水循環(huán)泵所需電機功率小，相應節(jié)省設備運行電費。

3)檢修難度相對較小。巴布考克爐型鍋爐內的換熱盤管布置十分密集，檢修空間極其狹小，一旦出現(xiàn)爆管現(xiàn)象需要查漏檢修時，要先進入爐內上部查找泄漏點，再進入爐下部的進出集汽箱封堵?lián)Q熱管。如果泄漏點不是位于頂部第1層盤管將很難查找到，而巴布考克爐型鍋爐的進出集汽箱位于爐外，內部檢修空間相對較大，查漏比較方便。

2.4 改造后運行情況

2014年8月更換了1臺φ3 600 mm新拉蒙特爐型氧化爐-廢熱鍋爐。在投入生產運行后，初步取得以下良好的效果：

1)熱能回收效率高。原廢熱鍋爐出口NOx溫度為450～460℃（爆管后期高達480～490℃），水冷壁溫度250～260℃；調換新設備后廢鍋出口溫度為415～425℃，水冷壁溫度230～240℃。汽包最大產汽量由16 t/h提高到18 t/h。

2)無需過熱蒸汽噴水減溫。原廢熱鍋爐的過熱段通過噴水減溫器噴水約1.5 t/h來調節(jié)過熱器出口的蒸汽溫度，采用新爐型后現(xiàn)在基本無須噴水減溫，過熱蒸汽就能保持在420℃左右，可取消原噴水減溫裝置，減小因噴水減溫而引起的蒸汽熱能損失。

3)運行費用降低。鍋爐水循環(huán)量由300 m3/h減少至160 m3/h，相應鍋爐水循環(huán)泵電機功率由90 kW減小到55 kW，年節(jié)省電費約16.8萬元。

3 冷凍脫濕系統(tǒng)節(jié)能改造

3.1 產量不達標原因分析

在夏季高溫天氣時，雙加壓稀硝酸裝置的產量只有270～310 t/d（折100%的HNO3，下同），達不到設計的350 t/d。其最主要原因就是夏季空氣溫度較高、濕度較大時候，造成了“四合一機組”中的空氣軸流壓縮機的打氣量嚴重不足（最低約為設計值的80%）。即作為生產原料之一的空氣量大幅減少，從而使硝酸成品的產量隨之也降低。

杭州夏季平均氣溫32℃，平均相對濕度80%以上。近年來隨著全球氣候變暖的趨勢，甚至多次出現(xiàn)了40℃以上極端高溫氣溫，受此影響特別是夏季時硝酸產量將大幅減少。

3.2 改造原理

針對裝置夏季產量偏小的原因，最直接有效的辦法就是使生產用原料氣（即空氣）降溫和脫濕，而常見的降溫除濕方法有冷水噴淋除濕和換熱器除濕。由于冷水噴淋存在大量的凝結水分離較為困難，不利于后續(xù)工序的軸流壓縮機工作的安全性。綜合考慮后，選擇換熱器冷凍法來降低原料氣（即空氣）的溫度和濕度。通過降低軸流壓縮機送入后端工藝裝置的單位體積空氣的絕對含水量，提高空氣密度，實現(xiàn)低溫低濕進風，從而增加壓縮機的進風品質、流量，大幅度降低壓縮機的單產能耗。

3.3 改造設計方案

脫濕項目的整體方案采用制冷機組間接制冷的方式，使四合一機組中的AV40-15軸流壓縮機的進風溫度降至10℃左右，進風的平均水的質量濃度降低到10 g/m3左右，每年脫濕運行時間在4 000 h以上，最大程度的解決由于季節(jié)氣溫、濕度的變化對硝酸四合一裝置運行的影響，達到節(jié)能增產的綜合效果。

3.4 脫濕裝置工藝流程

經3級空氣過濾器過濾后的常溫32℃空氣進入高效鋁制板翅式換熱器，和來自離心式冷水機組制出的7℃冷水，進行熱交換后，空氣降溫至10℃，進入除霧器脫水后送往后續(xù)的軸流空氣壓縮機壓縮。而換熱升溫至12℃的冷水經冷水循環(huán)泵加壓后送至離心冷水機組降溫至7℃循環(huán)利用。同時除霧器分離出的10℃的空氣冷凝水經過自動排水器送冷水回收裝置。同時經膨脹水槽隨時將脫鹽水補充封閉冷水系統(tǒng)循環(huán)的損失水量。

主要設備及參數(shù)：

1)脫濕器。板翅式換熱器，型號BD1000。設計夏季平均最高參數(shù)：空氣體積流量1 000m3/min；入口32℃，相對濕度80%，水的質量濃度31.8 g/m3；出口10.0℃，水的質量濃度10.0 g/m3；脫出水1 300 kg/h，進出口壓差≤1 kPa。外形長×寬×高為7.4m×4.0m×6.0m。

2)制冷站離心式冷水機組。型號LCP195-10，制冷量2 285 kW；冷凍水體積流量390 m3/h，進出口溫度分別為32℃和7～12℃。配套冷凍水泵流量420m3/h，揚程35m。

3.5 實施效果

脫濕裝置在2014年6月投入運行后，取得效果良好，長期使空氣軸流壓縮機進口空氣的溫度保持在7～9.5℃，壓縮機的進氣量有了明顯的提升約10%，出口壓力相應由0.27 MPa提高到0.32 MPa以上；脫除空氣中的水的質量流量約1 t/h，使裝置的低壓反應水冷器處冷凝酸的平均質量分數(shù)提高了約1%。在6-8月運行期間的主要參數(shù)統(tǒng)計后對比如表1所示。

表1 改造前后脫濕裝置運行（）情況對比Tab 1 Running condition contrastof dehumidifying device before and after transformation

3.6 節(jié)能增產效益

3.6.1 軸流壓縮機節(jié)能

空氣經過降溫除濕后，可使壓縮機的軸功率降低。四合一裝置中的軸流壓縮機，在其入口溫度由夏季平均30℃降至10℃后，理論上可以使軸流壓縮機軸功率降低約9.4%。但壓縮機軸功率無法直接測量，在實際生產中節(jié)能表現(xiàn)為，作為動力驅動機的汽輪機，其消耗3.9 MPa，420℃高壓蒸汽用汽量相應會有所減少0.6～1.2 t/h，平均約1 t/h。

根據(jù)脫濕裝置的設計參數(shù)，脫濕系統(tǒng)每年在杭州的使用期在6個月以上，即每年的4—10月，由此計算脫濕裝置的節(jié)省蒸汽量為4 000 t。3.9 MPa、420℃高壓蒸汽按照260元/t的價格計算，則脫濕裝置每年的節(jié)能蒸汽消耗效益約為104萬元。

3.6.2 硝酸增產

經脫濕裝置之后，壓縮機吸入空氣溫度降低，空氣密度增加，同等能耗下可是壓縮機質量流量增大，從而增加硝酸裝置產量。同時，空氣中水分去除后，原先的水分不參與壓縮，可使進風的含氧量增加，也可使硝酸產量增加。

根據(jù)100 kt/a硝酸裝置運行參數(shù)，在夏季軸流壓縮機入口最大體積流量為45×103m3/h，最低還可能降至41×103m3/h左右；而在春秋季節(jié)，軸流壓縮機入口最大體積流量可達52×103m3/h左右，最少相差7×103m3/h。脫濕裝置投用后，壓縮機入口溫度降至10℃，可達到春秋季節(jié)的水平。

按照風量增大產量同幅度增大的經驗規(guī)律計算，脫濕裝置投運后60%硝酸年產量將增加10%，即6 kt以上。按照稀硝酸250元/t的利潤計算，裝置的效益每年將增加150萬元。

3.6.3 裝置運行費用

裝置中的冷水機組額定功率為402 kW，根據(jù)負荷不同取平均值370 kW，冷水泵75 kW，循環(huán)水體積流量490m3/h。電價和水價分別按照0.6元/kWh和0.6元/t計算，則電費106.8萬元；循環(huán)水來自公用工程循環(huán)水站，其規(guī)模為3 000m3/h、500 kW，成本折算為電費為36萬元。綜合項目投運后年效益為104+150-106.8-36=111.2萬元。

4 小結

針對硝酸裝置中的低壓反應水冷器列管泄漏、廢熱鍋爐爆管和夏季產量偏低等一些問題進行了大膽的試驗性改造，是國內硝酸行業(yè)首家采用脫濕節(jié)能裝置和首套100 kt/a拉蒙特廢鍋爐使用單位，通過實際運行來看取得了良好的效果，為國內硝酸行業(yè)今后類似的改造提供了示范性參考。

[1]唐文蹇,張友森.我國硝酸工業(yè)生產現(xiàn)狀分析及發(fā)展建議[J].化肥工業(yè),2013(1)：31-34.

[2]王全文.雙加壓硝酸裝置中低壓反應水冷凝器泄漏及改進[J].煤化工,2013(6):37-39.

[3]秦萬慶,陳大雄.內孔焊接在低壓反應水冷凝器制造中的應用[J].壓力容器,1991,8(6):72-77.