非催化部分氧化（POX）过程废热锅炉设计探讨

刘磊

（上海国际化建工程咨询公司，上海 200063）

非催化部分氧化（POX）过程废热锅炉设计探讨

刘磊

（上海国际化建工程咨询公司，上海 200063）

废热锅炉为POX转化工段的关键设备之一，其入口温度高达1350℃，运行工况苛刻。针对立式盘管废锅的结构设计以及大型化过程中的优化措施进行较为详细的介绍及探讨。

废热锅炉；POX转化；盘管；挠性管板；尘化腐蚀

1 技术背景

非催化部分氧化(POX)制取合成气（CO+H2）转化工段中的高温转化气含有大量的CO、CO2、H2，并可能含有H2S、煤灰等杂质，此类工艺流程中的废热锅炉需考虑介质的腐蚀、冲刷以及结垢等各种问题[1]，同时反应后的气体温度可高达1350℃，下游热回收装置废热锅炉的运行工况极为苛刻。

我国上世纪80、90年代引进的SHELL渣油气化技术（SCP）中的关键设备之一即为废热锅炉，该废锅为立式火管型，换热管共为6根，每3根一组螺旋盘绕，形成换热管束。工艺气进口端设置强制水循环冷却装置，冷却水由水管直接喷入厚管板与挠性管板的腔体，每根换热管设置相对应的喷水冷却管，为了保证冷却水均匀，腔体内设置多块导流板进行导流[2]。随着装置的大型化，上述的管束及循环冷却方式难以适应更大工艺气量的要求。

笔者自2005年开始，对该类型的废锅的大型化和国产化进行了一系列研究，并针对在工程项目中出现的问题进行了优化，本文将从结构设计、材料选择、尘化腐蚀预防等几个方面进行介绍。

2 结构特征

本立式盘管废热锅炉主要由管箱、耐火衬里、管板、强制水循环冷却室、管束、锅壳等主要零部件构成，具体结构见图1。

图1 高温立式盘管废锅结构图

由于工艺气的温度很高，通常在管箱内部设置耐火衬里以保护金属壳体。管箱包含筒体、封头、气体进口、人孔等，与厚管板焊接或法兰连接。管板由两部分组成，与工艺气接触的部分为挠性管板，起隔热和吸收热膨胀的作用；与锅炉水接触的部分为厚管板，主要起承压作用。挠性管板直接焊接于厚管板上，换热盘管入口端焊接于挠性管板上，且穿过厚管板并用固定环焊接。挠性管板与厚管板间形成的腔体采用强制循环水冷却，以保护挠性管板及换热盘管入口端，这部分与循环水分配室、循环水进口管、出口管等零部件共同组成强制水循环冷却室结构。其结构及冷却水流向如图2所示。

图2 管板区结构及冷却水流向图

管束由盘管及盘管支架共同组成。盘管支架下端焊接于锅壳，整个支架与换热盘管一同向上自由膨胀。中心管除作为支撑用，还用以改善水循环，提高对受热面积的冲刷速度，有利于传热。盘管由若干根换热管组成，每根盘管的规格、长度应大致相同，使阻力相同，以确保气体分布均匀。气体在管内的流速应视具体工艺情况而确定，取25m/s～70m/s，流速过大，换热管热强度就大，可能会导致水侧管壁上形成膜态沸腾，换热管局部过热；流速过小，传热效果差，管内壁容易积炭。同时，为保证换热管内被冷却的工艺气体流速均匀，每根换热管由若干段逐步缩径的管子连接而成，每段间用异径接头连接。换热管的盘绕方式见图3、图4。

图3 两组8头盘管结构图

图4 12头6组小管束设计布置图

锅壳上部包含一定的汽水分离空间及汽水分离元件。壳体与管板焊接连接，为方便检修管束，壳体可设置设备法兰。

3 材料选择

转化气中含有大量的H2、CO、CO2等成分，且温度较高，换热盘管和挠性管板以及转化气进口管等应根据Nelson曲线按金属壁温选用合适的Cr-Mo钢，如12Cr2Mo、14Cr1Mo、15CrMo等。同时还应注意在高碳活度气体氛围 （含CO、CO2、H2和H2O）中的金属尘化腐蚀（Metal Dusting）问题，该腐蚀主要发生在450～800℃，金属的表面以及内部发生渗碳腐蚀，析出碳化物、氧化物、金属、C或者石墨等组成的混合物，造成金属损伤以至于破坏失效。当n(CO) /n(CO2)＜0.5时，基本上没有尘化现象；但当n(CO)/ n(CO2)=3～5时，将面临严重的金属尘化问题。预防金属尘化腐蚀主要应考虑降低金属壁温、使工艺气与金属表面隔离、改变气体组分和提高材料等级等几个方面考虑。

4 工程问题及优化

上述设计先后应用在由上海国际化建工程咨询公司提供整体POX非催化转化技术的沧州大化天然气转化制TDI项目和宁夏宝丰焦炉气转化制甲醇项目，实际操作中取得良好的使用效果，但也遇到诸如挠性管板腐蚀、耐火衬里脱落等问题。图5a/b为在运行1年后在检修过程中发现的挠性管板腐蚀问题，转化气进口侧金属表面均匀分布许多深度约3mm的麻坑，焊缝附近出现最深为4mm宽2mm裂缝。上述现象与金属尘化腐蚀行为的描述接近，在备件的制造过程中采取了更换挠性管板材质，并在挠性管板下设置耐火衬里，以达到进一步降低金属温度同时尽量隔离转化气的目的。实践证明，改进效果明显，在后续的检修中未出现同类腐蚀问题。

图5a 挠性管板腐蚀

图5b 挠性管板腐蚀（放大图）

考虑到图3中所示的废锅管束为8头两组（每组4进4出）盘旋制成，SHELL渣油气化装置的操作经验表明该类盘管存在一定的拉裂问题，尤其在频繁开停车的过程中，因此业主需对管束进行整体备件。为解决该问题，如图4所示，将盘管设计为若干组相同的小管束，均匀的安装于锅壳。这样，每个小管束可相互备件，维修更换更为灵活便捷，同时适用于头数更多的大型废锅管束制造[3]。

5 总结

随着装置产能的大型化，关键设备的设计、制造的难度也越来越大，上述废锅即是在这一背景下进行的有益探索。采用更合理的水循环冷却装置和盘管盘绕方式使该类型废热锅炉能够适应更苛刻的工艺条件，并且能够适应大型化发展的需求，立足于国内金属材料和加工制造水平，完全实现国产化。

[1]古大田,方子风.化工设备设计全书——废热锅炉[M].北京:化学工业出版社,2002.

[2]马自成,龚大华,李海英.谢尔废锅挠性管板和入口喇叭管检修技术探讨[J].大氮肥,2005,28(3):197-200

[3]刘磊,张西原,金力强,等.高温立式盘管废热锅炉[P]. CN:201110084186X,2011.

A discussion on waste heat boiler design in noncatalytic partial oxidation(POX)reforming process

LIU Lei
(Shang Hai International Engineering Consulting Company,Shang Hai 200063,China)

Waste heat boiler was one of the key equipment in the noncatalytic partial oxidation (POX)reforming process which had harsh operation conditions with a gas inlet temperature of around 1350℃.The structure design of the waste heat boiler and the optimization during the capacity enlarging were described.

waste heat boiler;POX reforming;coil tube;flexible tubesheet;metal dusting

TQ05

：B

：1001-9219(2015）04-54-03

2015-02-25；

：刘磊（1982-），男，工程师，工程硕士，主要从事化工设备的设计与研发工作，电邮siecc@siecc.com。