【摘 要】废酸回收装置的过热器存在压差容易升高，长期以来是装置长周期运行的瓶颈，在CFD的基础上，通过多次改造，将运行周期延长，成功地对装置去瓶颈。
【关键词】过热器、堵塞 CFD、改造去瓶颈
0.引言
废酸回收装置于2005年建成投产，接受甲基丙烯酸甲酯和丙烯腈装置的废硫酸和废硫铵，在焚烧炉中焚烧产生二氧化硫经过洗涤、除尘、干燥、二转二吸转化最终形成硫酸与发烟酸。装置的核心设备为锅炉系统，由废热锅炉、汽包、过热器及省煤器四台设备组成。由于原料中含有较多金属成分，夹带在燃烧后产生的烟气中，经过过热器时附着在换热管外壁，堵塞烟气流道，致使过热器压差上升，非常容易造成操作困难。自2005年到2015年间，多年来平均运行周期为3个月，在两年左右的大修周期内装置需要停车8次对过热器进行清洗。造成了高能耗，运行非常不经济，频繁开停车对设备与可靠性造成极大影响。2015年与废酸回收装置相关联的两套装置（MMA与AN）相继扩产，产能都翻了一倍，废酸回收装置在处理量翻倍的情况下，可以预期停车清洗过热器会更加频繁。同时机会越来越难协调。过热器运行周期短已经成为装置操作的一个瓶颈，需要从多角度分析解决这一问题。
1.基本情况
过热器壳程走高温烟气，管程走蒸汽，逆流换热，换热管分两段。为防止低温烟气造成的露点腐蚀，烟气出口侧的换热管为合金钢，材质为SB407 N08800。而入口侧则为碳钢，材质为SA213 T11。过热器主要参数如下：大气压力：101.61kpa；锅炉进口烟气温度：460锅炉进口烟气流量：126069kg/h；蒸汽压力：4.5MPag；蒸汽温度：357；蒸汽流量；排烟温度：349；设计热效率：66%。
换热管为水平布置，管子尺寸为ø76.2*6.1，管外壁间距25.4mm。结构布置如图1。管束之间部置4行4列共16个蒸汽吹灰器，由16公斤过热蒸汽间歇轮流吹灰。
2.堵塞分析
2005年第一次投用压差就很快上升，仅17天后，系统压差过高，无法继续运行。鉴于过热器运行时间短，从2005年即着手改进，分析原有四排吹灰器，可以吹掉一部分附着在管壁外侧的灰。但针对来流中含灰率最高的第一排换热管，没有设计吹灰器，同时考虑到较多的管束会易造成较高的压差，因此决定在迎着烟气来流的第一排管束处加装一排吹灰器，并抽掉如图2的部分管束，以减小阻力增加流通面积。
初步改造后，过热器的运行周期维持在3个月左右，勉强不影响上游装置的运行。因2015年装置扩产，烟气中所含灰量比原来增加了一倍，考虑到这种变化势必会造成过热器运行时间变得更短，因此进一步改造势在必行。
3.改造方案
3.1灰渣成份分析
改进方向考虑由激波吹灰、声波吹灰、旋风分离、挡板折流除灰、机械振打、改变结构降低过热器阻力等一种或几种方式的组合。
选取何种结构与灰份的构成紧密相关，因此对灰渣进行了取样分析，得到成分主要由以下三种物质组成：三氧化硫：48.76%；氧化钠：28.17%；氧化镁：16.92%。
3.2加装挡板折流烟尘
由于声波吹灰能量较小，对已附着的灰难以去除；激波吹灰存在安全隐患；声波振打则对设备焊缝寿命有一定影响。对于旋风分离的除尘方式由于结构所限需设置三个旋风分离通道阻力降较大，影响了操作弹性。因此重点对折流挡板除尘进行了详细计算。
分别对过热器的折流档板建立四种不同模型，进行网格划分（图3），以及飞灰颗粒大小与挡板数量的关系（见图4）。通过对比优化四个方案，得出方案四的的烟气流速和流向最利于颗粒的惯性分离，并且烟气阻力相对较小。通过CFD流场分析，预估惯性分离效果如图3。
因此采用方案四。经过优化的折流板在灰量翻倍后，仍能保持三个月的运行周期。定期清洗过热器时，折流板下方明显有大量的烟尘颗粒，这些被折流板挡下的灰尘没有进入换热管区域，延长了同等灰量下的实际运行周期。
3.3高温段流通能力改造
图1的“F”区域相比于流道上其它区域，由于管束较多，吹灰效果较差，容易积灰，因此考虑如图2抽掉部分管束，以减小流通阻力的同时减少积灰。
为了进一步提高运行周期，还需要对过热器本身的结构与结垢情况进行进一步分析。在历次清理过程中，我们注意到，F区域抽掉的第6，25，管束通道上没有架桥现象，运行一段时间后，其它列的管束之间通道变窄，甚至架桥，而这几列由于管间距较大，无法形成架桥现象。因此决定将高温段T11材质第5、9、17、25列剩余的管束全部抽掉，如图5。
3.4管子端盖板强度计算
抽管后，管子端部需用管帽或专门设计的端板封堵，按GB/T12459，设计如图7的管子端盖板。需要进行计算盖板厚度。
端盖设计厚度:
3.5低温段流通能力改造
第三次改进后，过热器运行近6个月时压差仍然稳定，没有出现陡升的趋势。从预防性的角度出发，主动停炉进行检查清理。发现抽除的四列管束之间没有任何架桥，通道宽度基本没有变窄。这个现象表明目前下部仍有较大的流通空间，短期内下部还可继续平稳运行，不会形成较高的阻力。近六个月的运行后仍有继续运行的能力。
通过对过热器进行建模分析，我们可以看到，尽管低温段N08800的管束的沿程阻力仅是高温段管束的50%左右，但由于二者是串联关系，低温段管束压降的上升最终也会造成整个系统压降的上升，最终影响操作。因此在2018年3月，决定抽出低温段第二列管束,如图8，以达到强化改进的目的。
4.管束改造影响分析
4.1管束改造对过热器和整个锅炉系统影响
过热器管束改造中的抽管与堵管工作使换热面积减少，蒸汽侧介质流动阻力变大，过热蒸汽出口温度有所降低。
4.2蒸汽与烟气参数变化影响
过热器出口过热蒸汽的温度变化受锅炉系统产汽量，锅炉本体换热面，污垢系数等多重影响，改造后的变度变化完全在设计范围内。过热器出口烟气经过后系统的喷水降温等水洗处理，温度变化对下游工艺没有影响，同样在设计范围内。
4.3过热器强度影响
过热器按原设计压力5.09MPa(g)进行强度校核，结果显示能满足标准要求。
4.4对锅炉系统安全附件的影响
4.5抽管改造标准
所有改造的部件按GB/T16507-2013有关要求进行
改造按DL5190.2-2012《电力建设施工技术规范 第2部分：锅炉机组》的相关要求进行。
改造安装完成后，锅炉整体水压试验按GB16507.6-2013《水管锅炉第6部分：检验、试验和验收》进行，整体水压试验压力6.12 MPa。
5.使用状况
低温段改造后再次投用，经过七个半月的运行，直到大修停车时过热器的压差仍然保持稳定，没有出现任何陡增的趋势，消除了以往装置频繁受限于过热器高压差的现象。限制装置长周期运行的瓶颈已转移到流程的其它节点上。
6.结论与展望
通过对易堵塞的过热器从改进方向考虑由激波吹灰、声波吹灰、旋风分离、挡板折流除灰、机械振打、改变结构降低过热器阻力等方面综合考虑与计算，最后选取由CFD的计算百叶窗除尘以及流道结构优化两种方案相结合。实践证明，二者结合可以有效地去除造成过热器堵塞的装置瓶颈。
如果过热器需要进一步延长运行周期，可以从旋风分离的方向计算，略微增大烟气阻力的工况下，进行更有效的固体颗粒分离，从而使得过热器的运行周期更进一步延长。
[参考文献]
[1] 张殿印 王纯. 除尘器手册[M]. 北京; 化学工业出版社, 2005
[2] 金国㵘. 石油化工设备设计选用手册：除尘器[M]. 北京; 化学工业出版社, 2008
[3] GB16507.6-2013《水管锅炉第6部分：检验、试验和验收》
[4] DL5190.2-2012《电力建设施工技术规范 第2部分：锅炉机组》
论文作者:陈臻
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第04期
论文发表时间:2019/7/15
标签：过热器论文; 烟气论文; 装置论文; 锅炉论文; 阻力论文; 周期论文; 蒸汽论文; 《当代电力文化》2019年第04期论文;