硝酸装置氨系统换热器改造

李红兵 甄延明 郭家秀

( 中国石油辽阳石化公司硝酸厂，辽宁 辽阳 111003)

1 前言

辽阳石化分公司硝酸厂11.6 万吨/年稀硝酸装置中，氨系统换热器是保证持续供应合格气氨原料的关键设备。自装置投产以来，换热器在运行中频繁发生泄漏，每次检修完，换热器的使用时间都达不到一个周期，严重制约着装置的平稳长周期运行。本文针对氨系统换热器运行中出现的问题，对其工况及结构、材质进行了详细的分析，并结合实际情况提出解决方案，说明改造效果。对同类装置的平稳长周期运行提供有价值的参考。

2 设备功能介绍及运行情况

2.1 氨蒸发器的功能及运行情况

氨蒸发器A/B 的作用是将罐区输送来的液氨持续蒸，为装置提供参数合格的气氨，保证装置的连续平稳生产，其中约80%的液氨在A 台蒸发器中，A 台蒸发器所需热源由闭路循环水从吸收塔冷却器E113 吸收提供。剩余的液氨在B 台蒸发器中利用循环冷却水从高压反应水冷器E111 带来的热源蒸发。

氨蒸发器B(E101B)采用列管换热器，壳层物料为液氨，管层物料为循环水，在运行过程中换热器管板处由于腐蚀经常出现泄漏，造成液氨进入循环水系统，影响循环水水质和设备的稳定运行。

2.2 氨辅助蒸发器的功能及运行情况

氨辅助蒸发器E102 的作用是将氨蒸发器间歇排出的油、水等杂质进行收集，并用低压蒸汽对含油、水的液氨进行加热，温度控制在60℃－90℃，以便将其中的液氨蒸发出来送入氨系统回收利用。

氨辅助蒸发器采用蛇管式换热器，壳程为含油、水等杂质的液氨，管程为低压蒸汽。在运行过程中，换热盘管集箱及集箱后总管经常发生腐蚀泄漏现象，造成设备的频繁检修，影响装置的平稳运行。

2.3 蒸氨器的功能及运行情况

蒸氨器E116 的作用是将罐区输送来的液氨蒸发为气氨，送入氨还原反应器K102，为尾气的还原反应提供所需的气氨，来保证尾气的还原质量。

蒸氨器同样采用蛇管式换热器，壳程为少量液氨，管程为低压蒸汽。在运行过程中，与E102 类似的出现换热盘管集箱及集箱后总管经常发生腐蚀泄漏现象，造成设备的频繁检修，影响装置的平稳运行。

2.4 排油罐的功能及运行情况

排油罐R109 的作用是将氨辅助蒸发器E102 排出的含少量液氨的油水混合物进行收集，利用环境温度对其中的液氨进行蒸发，送入排空系统，以避免对进行排油操作的员工造成伤害。

在环境温度较低时，由于罐内没有热源，油水混合物中的液氨不能完全排出，油水中氨味较大且油水混合物处于粘稠状态，对排油操作造成极大困难，现场采用外接耐热橡胶管接引低压蒸汽缠绕在罐体上的方法对罐进行加热，加热后的蒸汽直接外排，加热一段时间后进行排油操作。

3 原因分析及设备改造

3.1 氨蒸发器B 的腐蚀分析及改造

原因分析:氨蒸发器E101B 管板及管束为10#钢，长期处于含油水杂质的液氨和循环水中，由于循环水采用敞开式循环，虽然有相应的水处理措施，但是水中杂质仍然较多，在管板及管束中极易堆积结垢，造成设备的垢下腐蚀较为严重;当装置中的成品酸冷却器发生泄漏时，酸进入循环水系统，导致PH 下降，此时对蒸发器的腐蚀更为剧烈。在以上综合工况下，蒸发器管板和管束极易被腐蚀而发生泄漏。

设备改造:304 不锈钢是一种在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，将氨蒸发器B 管板及换热管线由10#钢改为含碳量较低的304 不锈钢，提高其耐腐蚀能力，可杜绝腐蚀和泄漏的发生。改造前和改造后设备的运行效果如图1 和图2 所示。

图1 改造前

图2 改造后

3.2 氨辅助蒸发器及蒸氨器的腐蚀分析及改造

原因分析:氨辅助蒸发器E102、蒸氨器E116 内部盘管材质为20#钢，盘管内流经的低压蒸汽，当低压蒸汽到达盘管根部及集水箱时，由于冷却形成水汽混合物，在高温高压下对管束的冲刷腐蚀非常严重。盘管的外表面长期处于含油水杂质的液氨中，一般情况下，无水液氨只对钢产生很轻微的均匀腐蚀。但氨辅助蒸发器为间歇操作，在操作过程中空气中的氧和二氧化碳不可避免的要进入设备，促进氨对钢的腐蚀，其反应如下:

2NH3+CO2→NH4CO2NH2(氨基甲酸氨)

NH4CO2NH2→+CO2

O2+2NH+4+2Fe→2Fe+2+2OH－+2NH3［1］

反应中的氨基甲酸氨对碳钢有强烈的腐蚀作用，使钢材表面的钝化膜产生破裂，并在此产生阳极型电化学腐蚀。液氨对强度越高的钢材产生应力腐蚀裂纹的倾向越大，由于焊缝处强度相对高且残余应力较高，所以应力腐蚀非常严重。盘管与集水箱采用焊接方式连接，由于空间及盘管分布的限制，盘管与集水箱的连接点不能对称分布，在焊接根部形成极大地局部装配应力，在运行过程中，极易发生脆裂裂纹而泄漏。

设备改造:304 不锈钢较20#钢含碳量低，强度相对低，且304 是一种在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，将氨辅助蒸发器E102、蒸氨器E116 内部盘管材质由原来的20#钢改为含碳量较低的304 不锈钢，并在盘管与集水箱焊接处增焊加强筋板，大大降低盘管集水箱焊口处的装配应力，从根源上缓解腐蚀，解决了由腐蚀和局部应力造成的盘管频繁泄漏问题，不但保证了装置的平稳运行，而且节约了设备的维修的成本。改造前和改造后设备的运行效果如图3和图4 所示。

图3 改造前

图4 改造后

3.3 排油罐的运行分析及改造

原因分析:排油罐R109 用耐热胶皮管接引低压蒸汽缠绕在罐外壁的加热方法，对罐内的液氨油水进行蒸发，浪费大量低压蒸汽增加了能耗，同时水分蒸发比较彻底，造成剩余大部分油和杂质粘稠度比较高，既不便于排放操作，又极易造成烫伤事故，究其原因是由于没有适合的蒸发方法。

图5 改造后

设备改造:考虑液氨油水的特性及排油操作的工作特点，将排油罐R109 由以前的空心罐改造为内加换热盘管，管束内引装置循环水，取替以前用耐热胶皮管接引低压蒸汽缠绕在罐外壁的加热方法，对罐内油水中的氨进行蒸发，蒸发热源由循环水取代低压蒸汽，温度适中，不但节约能源，同时降低油水的粘稠度便于操作。改造后的设备如图5 所示。

4 经济效益

通过对氨蒸发器E101B、氨辅助蒸发器E102、蒸氨器E116改造，解决了设备频繁泄漏影响装置平稳运行的瓶颈问题，大大减少了备件消耗和人工费。每台设备一年按4 次检修，单台单次检修额外增加费用约为:吊装费用按5000 元/台班计，备件损耗按2000 元计，工艺处理能源消耗及其它费用按1000元计，全年可节约费用:(5000 +2000 +1000)×4 ×2 =6.4 万元。

通过对排油罐R109 改造，节约低压蒸汽用量，低压蒸汽按138 元/吨计，消耗量按0.1 吨/小时，一年按5000 小时计，全年可节约费用:0.1 ×5000 ×138 =6.9 万元。换热器改造后全年可创效:6.4 +6.9 =13.3 万元，且效保证了装置的稳定运行。

［1］http: //www.colossusgroup.com/dd/htm/C8_c.pdf［06 jan 2008］

［2］朱才，李静主编.液氨对碳钢及低合金钢容器的应力腐蚀.河南化机.1992