湖南金信化工有限公司年產(chǎn)合成氨180kt，新、老兩套的氣體凈化系統(tǒng)基本相同。它們將來(lái)自造氣系統(tǒng)的半水煤氣經(jīng)過(guò)常壓脫硫、中溫變換、變換脫硫、中壓脫碳四個(gè)工序凈化后，再送回氫、氮壓縮機(jī)四段。由于該系統(tǒng)的部分設(shè)備或工藝在運(yùn)行中暴露出了一些不足，該公司近年來(lái)采用新技術(shù)、新材料、新工藝或新設(shè)備，分別進(jìn)行了相應(yīng)的改造，取得了可喜的效果。��

1.1  問(wèn)題的提出��

    金信公司凈化老系統(tǒng)原有兩臺(tái)變換氣脫硫塔，塔徑2600mm，高24m，內(nèi)裝塑料階梯環(huán)，采用ADA吸收法。在填料使用初期，脫硫效率較高，但隨著硫堵現(xiàn)象的加劇，塔內(nèi)壓差增大，最高達(dá)25kPa，且脫硫效率平均不到85%。為此，每年不得不停車清塔2～4次，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)長(zhǎng)周期運(yùn)行和后續(xù)工序生產(chǎn)。加上該塔已使用多年，腐蝕嚴(yán)重、塔壁出現(xiàn)裂紋，為確保安全生產(chǎn)，特別是解決硫堵問(wèn)題，2001年公司決定對(duì)變脫塔進(jìn)行更新改造。��

1.2  改造概況��

    近年來(lái)旋流板技術(shù)應(yīng)用于傳質(zhì)和除沫已有大量報(bào)道。經(jīng)過(guò)技術(shù)考察，獲知變脫塔采用旋流板脫硫，由于其開(kāi)孔面積較大，阻力較小，能較好地解決硫堵問(wèn)題，脫硫效率較低。為揚(yáng)長(zhǎng)避短，公司設(shè)計(jì)了一種以填料—旋流板為復(fù)合內(nèi)件的新型變脫塔，并將塔徑降到了2200mm。

    新型變脫塔的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。塔下部為氣體進(jìn)入、分布裝置；中部為三組雙程傳質(zhì)旋流板及錐形溢流裝置；塔上部設(shè)有一段塑料環(huán)填料；塔頂分別為ADA噴淋裝置、單塊除霧旋流板等。它們的主要作用如下：

    ①塔底部切向進(jìn)氣，并配置氣體分布筒和篩液板，以增加氣、液接觸，提高脫硫效率；②由于塔徑較大，旋流塔板采用了雙程葉片結(jié)構(gòu)，提高了開(kāi)孔均勻度，使氣液分布均勻、接觸良好；③溢流裝置采用新型螺旋葉片結(jié)構(gòu)，它相當(dāng)于半塊旋流板，增加了氣、液接觸的機(jī)會(huì)，提高了脫硫效率，也提高了塔板的空間利用率；④塔上部仍設(shè)置一段填料層，利用填料脫硫效率高的優(yōu)勢(shì)，減輕了旋流板負(fù)荷，提高了整個(gè)塔的操作彈性和脫硫效率；⑤在頂層，液體噴淋采用易檢修又防堵的寶塔型噴頭，取代了阻力大、易堵又分布不均的螺旋噴頭；⑥塔頂除采用旋流板除沫、喇叭管阻液外，合理選取了氣體出口高度，達(dá)到了較好的除霧效果，減輕了塔后分離負(fù)擔(dān)。

圖1  填料—旋流板復(fù)合脫硫塔結(jié)構(gòu)示意��

1—喇叭阻液管；2—旋流除霧板；3—寶塔型噴頭；4—塑料階梯環(huán)；5—新型填料柵板；6—錐形引液圈；7—帶溢流錐旋流板；8—多孔篩液板；9—?dú)怏w進(jìn)口分布筒

1.3  改造效果��

    ①平均脫硫效率由改造前的不足85%提高到93%以上，出塔H₂S含量由40mg/m³降到了15mg/m³以下，大大減輕了后續(xù)工序的壓力；②生產(chǎn)能力得到大大提高，變換氣處理量由原來(lái)的30000m³/h提高到34000m³/h，系統(tǒng)提壓到2.1MPa后則提高到41000m³/h；③塔阻力降低，最高阻力由原來(lái)的25kPa下降到4.0kPa。④硫堵現(xiàn)象大為減輕，原來(lái)每年需停車檢修清洗2～4次，改造后達(dá)到了兩年尚不需清洗、檢修，為系統(tǒng)的長(zhǎng)周期運(yùn)行創(chuàng)造了良好條件；⑤經(jīng)測(cè)算，本項(xiàng)改造年綜合效益為90萬(wàn)元以上。��

2  新型安全熔硫釜的設(shè)計(jì)與應(yīng)用��

2.1  原熔硫釜基本情況��

    凈化系統(tǒng)原有2臺(tái)相同型號(hào)的間歇式熔硫釜，它們將系統(tǒng)脫硫而析出的膏狀單質(zhì)硫熔融成硫磺產(chǎn)品。原設(shè)計(jì)利用硫膏在140～180℃的熔融狀態(tài)下，其雜質(zhì)可以懸浮分離的特性，將低壓蒸汽（P≤0.4MPa，T≈150℃）作為熱源，引入到熔硫釜內(nèi)，熔煉硫磺。兩臺(tái)設(shè)備在此條件下安全、正常運(yùn)行了7年多。由于熱媒溫度與硫膏下限溫度接近，致使熔煉時(shí)間較長(zhǎng)，并且易造成雜質(zhì)分離不徹底。為此，公司將熱媒改造為過(guò)熱蒸汽（P=0.5MPa，T≈250℃）。改革后，釜內(nèi)溫度可達(dá)180℃，熔融時(shí)間大為縮短，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量明顯改善。��

    但是，熱源改造后，熔硫釜上封頭部位卻因變形，使入料口接管在與上封頭結(jié)合處呈喇叭形向外擴(kuò)張，并伴有封頭鼓漲。至2002年3月，因變形相當(dāng)嚴(yán)重而不得不停用熔硫釜。��

2.2  失效原因分析��

    在排除了設(shè)計(jì)、制造、安裝環(huán)節(jié)的過(guò)失而引起熔硫釜失效后，根據(jù)計(jì)算得知，引起上封頭屈服失效的壓力最小值為2.6MPa，故操作條件的更改也不是失效原因（180℃的蒸汽壓約為1.0MPa）。那么，如此高的破壞性壓力源自何處呢？��

    經(jīng)過(guò)調(diào)查、分析，發(fā)現(xiàn)失效的原因在于熱源改造后的滿釜操作，即硫膏原料充滿容器。因?yàn)闈M釜操作下，不斷加熱的硫磺膨脹所需的體積有時(shí)會(huì)大于間歇排汽所留下的體積，這種情況一旦發(fā)生，釜內(nèi)物料體積不斷增大和膨脹，將有可能形成大于2.6MPa的膨脹壓，從而引起釜體屈服失效。由于釜體上封頭部位存在最大開(kāi)孔（Dg400），且依靠封頭壁厚補(bǔ)強(qiáng)，因此該最薄弱部位首先失效。同時(shí)熱媒改革前熔硫效率較低，不會(huì)滿釜操作，不產(chǎn)生超壓，故能安全運(yùn)行。��

2.3  新型安全熔硫釜的設(shè)計(jì)��

    全新設(shè)計(jì)的熔硫釜見(jiàn)圖2。為確保壓力容器的安全，作如下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。��

    (1)新設(shè)料位自限裝置。從分析可知，要防止熔硫釜的屈服變形，必須禁止?jié)M釜操作，即必須有效控制物料的加入量。為此，特別設(shè)計(jì)了如圖2上封頭部位的料位自限裝置。

    進(jìn)料時(shí)，打開(kāi)管口f排氣，硫膏從管口d進(jìn)入；當(dāng)料位到達(dá)A-A面時(shí)，其上部空間被空氣占領(lǐng)，液位不再上升，如果此時(shí)熔硫釜原料貯斗內(nèi)還剩有物料，它將由d管口流入f管口，直至排出。這樣，實(shí)現(xiàn)了物料加入量的自動(dòng)限定。��

熔硫時(shí)，關(guān)閉d、f管口，隨著溫度升高，釜內(nèi)壓力增加，適時(shí)打開(kāi)f管口排氣。只要限位空間（即料位高度）設(shè)計(jì)適當(dāng)，因空氣和部分水的排出而留下的空間，將足以包容硫膏膨脹所增長(zhǎng)的體積，以避免超壓失效，從而確保設(shè)備安全運(yùn)行。��

    (2)配合設(shè)置溢流裝置。在A-A面配對(duì)設(shè)置溢流排放口，當(dāng)釜內(nèi)料位處于A-A臨界面時(shí)，打開(kāi)溢流口，可迅速排料到位，并能消除f管口積料堵管；��

    (3)設(shè)置壓力、溫度指示。該設(shè)計(jì)在進(jìn)料時(shí)若管口k、p等密封失效，而出現(xiàn)假料位自動(dòng)控制的危險(xiǎn)工況時(shí)，作用更大。��

    (4)增設(shè)安全閥，成為熔硫釜最后一道安全屏障。

圖2  新型熔硫釜結(jié)構(gòu)示意��

a—夾套蒸汽入口；b—盤管蒸汽入口；c—盤管蒸汽出口；d—人孔、硫膏加料口；e—夾套排氣口；f—釜體排氣口；g—冷凝液出口；h—熔融硫、雜質(zhì)出口；k—壓力表接口；m—溢流口；p—安全閥接口；t—溫度計(jì)接口

2.4  應(yīng)用效果��

    開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的新型安全熔硫釜于2002年7月投入系統(tǒng)使用。該裝置運(yùn)行正常，操作簡(jiǎn)便，不僅徹底消除了安全隱患，而且硫磺質(zhì)量良好、熔硫效率較高，達(dá)到了公司設(shè)計(jì)要求。原熔硫釜月產(chǎn)硫磺50t左右，新裝置平均月產(chǎn)70t，最高時(shí)達(dá)100t，同時(shí)硫磺產(chǎn)品的一、優(yōu)等品率也有所提高。��

3.1  改造前基本情況��

    金信公司的氣體脫碳工序采用改良DEA循環(huán)脫碳工藝。其脫碳液的主要技術(shù)參數(shù)為：①成分  K₂O 210g/L、KVO₃ 8g/L，DEA 22g/L；②循環(huán)量  520m³/h；③溫度  ≤110℃；④雜質(zhì)粒度  ＜50μm；⑤雜質(zhì)含量  ＜5g/L。��

    脫碳液吸收CO₂后，經(jīng)過(guò)再生處理成為脫碳再生液（亦簡(jiǎn)稱脫碳液），再投入脫碳系統(tǒng)使用前，必須過(guò)濾。原裝置采用傳統(tǒng)的活性炭吸附提純，它存在三大不足：①過(guò)濾效果不佳、效率較低，且易飽和失效，因而填料更換頻繁（每年必須更換一次）；②在新填料使用初期，脫碳系統(tǒng)易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象；③受過(guò)濾能力限制，凈化系統(tǒng)氣體處理量受到制約。總之，脫碳液采用活性炭過(guò)濾，工作時(shí)脫碳效果不好、效率較低，制約系統(tǒng)生產(chǎn)的穩(wěn)定和凈化能力的提高。��

3.2  改造概況��

    為解決脫碳液過(guò)濾的問(wèn)題，該公司經(jīng)過(guò)技術(shù)招標(biāo)，采用了浙江溫州東甌微孔過(guò)濾有限公司提出的改造方案，即以剛性高分子微孔精密過(guò)濾工藝取代原活性炭過(guò)濾。��

    剛性高分子微孔精密過(guò)濾的關(guān)鍵元件——過(guò)濾介質(zhì)，是一種微孔管，它是一種聚乙烯管，經(jīng)活化、改性、復(fù)合等特殊工藝而制成。其管徑通常為φ30～80mm，管壁上均勻布滿了超細(xì)微孔（可達(dá)0.3～1.0μm）。工作時(shí)，脫碳液進(jìn)入過(guò)濾器，依靠壓力差，迫使濾液流向微孔管此時(shí)，粒度小于管孔的物質(zhì)穿越管壁后匯集到過(guò)濾液出口流出，大于管孔的雜質(zhì)被阻擋在管外由渣料出口定期排出，從而實(shí)現(xiàn)溶液的過(guò)濾分離。微孔管工作一段時(shí)間后，其管外壁上將附著許多濾渣，為穩(wěn)定過(guò)濾效果，可從反向沖洗口或正向沖洗口通入沖洗物,將微孔管反向或正向沖洗（反向沖洗為主），以去除附著物，使微孔管再生。再生后，又可進(jìn)行溶液過(guò)濾，如此循環(huán)……��

    該流程為旁路過(guò)濾方式，脫碳液處理量只占系統(tǒng)流量的一部分；改造中，根據(jù)脫碳液過(guò)濾特性試驗(yàn)選取了合適的微孔過(guò)濾參數(shù)；由于介質(zhì)溫度達(dá)110℃，為延長(zhǎng)微孔管使用壽命，采用先冷卻再過(guò)濾方案；為克服阻力，并提供過(guò)濾液壓差，配置了管道泵；設(shè)計(jì)了空氣和軟水接口，當(dāng)微孔管需要再生時(shí)，用空氣或軟水分別反吹（洗）或正吹（洗），使其再生。��

3.3  改造結(jié)果��

    (1)微孔管過(guò)濾效果很好。經(jīng)測(cè)試，過(guò)濾精度達(dá)0.3～0.5μm，而且均勻、穩(wěn)定；雜質(zhì)分離率可達(dá)97%以上，比活性炭高出20%以上；系統(tǒng)雜質(zhì)平均下降速度是活性炭的3倍多。它們完全能滿足脫碳液澄清過(guò)濾的要求，投運(yùn)后系統(tǒng)脫碳液能在較短時(shí)間達(dá)到清徹透明的理想狀態(tài)。��

    (2)操作方便，系統(tǒng)生產(chǎn)穩(wěn)定。該過(guò)濾屬于物理過(guò)濾，不改變?nèi)芤涸�有成分，也不存在吸附損耗問(wèn)題，且過(guò)濾管再生操作簡(jiǎn)單、快捷，再生效果可恢復(fù)如初，因此避免了活性炭過(guò)濾易飽和失效的難題；同時(shí)，過(guò)濾物渣料可及時(shí)排出，保持了系統(tǒng)生產(chǎn)（能力）的連續(xù)穩(wěn)定；此外，關(guān)鍵部件——微孔管雖然為易損件，但具有較好的耐腐蝕性及抗老化特性。裝置投運(yùn)三年多以來(lái)，尚未作任何檢修，表明其使用壽命較長(zhǎng)。��

    (3)經(jīng)濟(jì)性較好。由于微孔過(guò)濾效果明顯優(yōu)于活性炭，系統(tǒng)中脫碳液雜質(zhì)含量可以快速降低并持續(xù)保持在較低值，因此大大地提高了脫碳液工作時(shí)的吸收效果,在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)，提高了氣體處理能力。經(jīng)測(cè)算，該技術(shù)的應(yīng)用可提高生產(chǎn)能力1%，加上每年可節(jié)約活性炭6t，則年新增收益在26萬(wàn)元以上，不到一年可收回投資。��

4.1  原凈化氣水冷器的概況��

    凈化氣水冷器(簡(jiǎn)稱水冷器)的作用是降低CO₂吸收塔出口的凈化氣溫度，以利分離器除沫，從而保證出系統(tǒng)凈化氣合格。原1^#水冷器為典型的立式管殼式換熱器，DN1000，水走管程，凈化氣走殼程，并在進(jìn)、出口處設(shè)置外導(dǎo)流筒，折流板為盤環(huán)式。該型換熱器往往運(yùn)行不到1年就開(kāi)始內(nèi)漏，主要表現(xiàn)為管板與換熱管之間的焊縫裂紋泄漏；使用2年之后，換熱管開(kāi)始穿孔內(nèi)漏，且頻次越來(lái)越高。它們除造成頻繁的停車檢修外，還流失了大量的凈化氣。

4.2  水冷器泄漏的原因分析��

    分析認(rèn)為，管板與換熱管焊縫開(kāi)裂，是由于溫差交變應(yīng)力和管束振動(dòng)的共同作用導(dǎo)致焊接缺陷擴(kuò)展的結(jié)果。該換熱器管板為25^#鋼，可焊性較差，易出現(xiàn)焊接缺陷；而殼體與換熱管溫差較大，2個(gè)外導(dǎo)流筒難以補(bǔ)償其膨脹差；加上使用中，頻繁的開(kāi)停車、負(fù)荷波動(dòng)以及管束振動(dòng)導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂而泄漏。��

    根據(jù)考察及計(jì)算得知，造成換熱管穿孔的原因是由于折流板設(shè)置不當(dāng)，出現(xiàn)管束振動(dòng)，使管子不斷撞擊折流板，產(chǎn)生腐蝕穿孔而泄漏。��

4.3  設(shè)計(jì)新型高效水冷卻器��

    為解決原水冷器存在的問(wèn)題，參考國(guó)內(nèi)外換熱器設(shè)計(jì)的最新成果與經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了新型水冷器（見(jiàn)圖3），它具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。��

    (1)管殼程介質(zhì)不變。因用戶冷卻水水質(zhì)較差，為便于清污除垢，仍安排水走管程，但將原單管程改為雙程，以增加流速，減少污垢沉積，并提高傳熱系數(shù)。

圖3  新型凈化氣水冷器示意��

a—?dú)怏w進(jìn)口；b—?dú)怏w出口；c—水進(jìn)口；d—水出口；e—排污口

    (2)管束采用折流桿（柵）支承。折流柵由交叉垂直的折流桿和環(huán)板組焊而成，它能有效減輕誘導(dǎo)振動(dòng)、降低管束磨損、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。此外，折流桿換熱器的殼程阻力降比普通型減少30%左右。��

    (3)薄管板設(shè)計(jì)。該型換熱器在國(guó)已有相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于折流桿支承的換熱器，由于其固定作用好、管束振動(dòng)小，采用薄管板十分安全、可靠。為避免法蘭力矩對(duì)管板的影響，并便于制造，本薄管板采用焊入式。��

    (4)設(shè)置簡(jiǎn)易導(dǎo)流筒。原導(dǎo)流筒與殼體對(duì)接，屬承壓元件，較為復(fù)雜，成本較高。本設(shè)計(jì)將管束的拉桿放在最外圈，利用折流柵環(huán)板所占的環(huán)隙空間設(shè)置δ=3的簡(jiǎn)易導(dǎo)筒，既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)。��

    (5)合理選用管、殼程材質(zhì)。設(shè)計(jì)中，溫度較高的殼程選用碳鋼，較低的管程則用不銹鋼，利用不銹鋼和碳鋼線膨脹系數(shù)的差別，較好地避免了因管、殼程膨脹差引起的溫差應(yīng)力，并不再設(shè)置膨脹節(jié)。既滿足了使用要求，又降低了制造成本。��

    (6)換熱管采用橫紋槽管。由于橫紋槽管可產(chǎn)生“二次流”和“邊界層分離”效應(yīng)，因此不僅可強(qiáng)化傳熱（傳熱系數(shù)可達(dá)光管的2倍以上），而且其抗污性能高于光滑管。��

4.4  應(yīng)用效果��

    開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的第一臺(tái)以折流桿、薄管板、橫紋槽管、簡(jiǎn)易導(dǎo)流筒等為特征的凈化氣水冷器于2003年4月投入系統(tǒng)運(yùn)行，經(jīng)測(cè)定氣體出口溫度比以前下降了10℃，至今未發(fā)生內(nèi)漏和管束振動(dòng)現(xiàn)象。不久，第二臺(tái)DN1400凈化氣水冷器，也取得了同樣滿意的應(yīng)用效果。它表明這種新型的換熱器不僅成功抵御了流體振動(dòng)的破壞，大大提高使用壽命，而且具有高效、不易結(jié)垢的特點(diǎn)，為凈化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行創(chuàng)造了重要條件。��

5  總結(jié)��

    針對(duì)合成氨凈化系統(tǒng)的部分設(shè)備或工藝存在的問(wèn)題，分別進(jìn)行的創(chuàng)新改造，取得了圓滿成功，它展示了科技創(chuàng)新在企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、效益提高中的旺盛生機(jī)。��