不同涂层对压缩机级间换热器的结焦抑制效果

田蒙奎*，姜颖王军王国维，王昌敏，简万国

（1.贵州大学化学与化工学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州开磷（集团）有限责任公司，贵州 开阳 550300）



【表面技术】

不同涂层对压缩机级间换热器的结焦抑制效果

田蒙奎1，*，姜颖1，王军1，王国维2，王昌敏2，简万国2

（1.贵州大学化学与化工学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州开磷（集团）有限责任公司，贵州 开阳 550300）

以贵州开磷集团公司的合成氨压缩工段结焦现象为研究对象，通过在实际工况下的挂片试验，考察了在换热管表面涂覆各种防腐涂料（包括环氧云铁漆、环氧富锌漆、氟碳漆和聚四氟乙烯/聚酰胺-酰亚胺涂料）的抑焦效果，并分析了涂料涂覆对传热的影响以及施工成本。结果表明，在列管表面涂覆环氧富锌漆的抑焦效果较好，对传热效率的影响较小，具有较好的技术经济可行性。

换热器；列管；抑焦；防腐涂层；传热效率

First-author’s address: School of Chemical and Chemical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China

贵州开磷息烽合成氨有限责任公司以半水煤气生产合成氨，年产量60万t/年。为使合成气达到所需的压力，需要逐级压缩。该公司压缩工段使用6M50-345/314型往复式氢氮压缩机，6组并联工作，每组均有六级（段）压缩，在各级压缩间采用列管式水冷方式，筒体材质为16MnR，列管材质为20#无缝钢管，冷却水走管程，合成气走壳程。在投入使用以来，存在级间换热器结焦的现象，前三段尤其明显，结焦物聚集在管间，严重影响换热效果，导致换热器出口温度超标，压缩机压缩比降低，功耗提高。每 3-4个月工厂就需对结焦堵塞严重的换热器进行拆装、抽芯并用高压水清洗，但效果并不理想，清洗后运行20天左右换热器出口温度就会再次超过设计温度40 °C，半年左右就要采用化学试剂进行比较彻底的清洗，虽然清洗后情况有所改善，但设备运行40天左右，出口温度再次超标，且化学试剂会对换热管造成一定的腐蚀。设备在投入使用2-3年后，由于焦垢及化学清洗剂的腐蚀，列管无法继续使用，只能更换，造成的直接损失每年高达百万，间接费用更是高达上千万。结焦现象不仅影响换热设备的正常运转，而且直接影响整个合成氨工段的运行以及合成氨生产的产量和成本。针对该关键问题，开发抑制结焦技术，延长换热器清洗、更换的周期对确保合成氨长期稳定运行具有重要意义。

抑制结焦的方法很多，涂覆技术是很有前景的一种，目前国外对该方法的研究非常活跃［1-8］。通过分析结焦物质以及退役换热管，可以发现换热器结焦的同时还伴有严重的腐蚀［9］。利用表面涂层技术防止金属被腐蚀，此项技术最早由德国的Säkaphen公司研发，该公司研发了一系列的特种涂料及涂覆技术，并成功应用在工业生产上。我国也于上世纪70年代引进此项技术应用在石化工业中换热器的防腐蚀与抗结焦。本文以贵州开磷集团合成氨公司的压缩机级间换热器的结焦现象为研究对象，在换热管表面涂装防腐涂层，研究了不同涂层的抑焦效果，并考察了涂层对管道传热性能的影响及其经济适用性，可为中试提供理论依据。

1　实验

1. 1 涂料的选取

通过对合成氨压缩机级间换热器结焦机理及影响因素的研究，认识到H2S对设备的腐蚀及其诱发的金属催化结焦是该系统结焦的主要原因。因此在选取涂料时，主要考虑了涂料的耐蚀性、耐热性和附着力。经过前期考察，初步选择了几种上述性能较好的涂料，见表1。

表1 实验涂料选取一览表Table 1 List of selected coatings for experiment

1. 2 试剂与仪器

砂纸、喷枪、马弗炉、分析天平（上海恒平科学仪器有限公司，精度0.000 1 g）；丙酮、无水乙醇，均为分析纯。

1. 3 涂层的制备

为使挂片试验方便易行，也更贴合实际情况，将不同涂料平均分段涂覆在同一根换热管上，并直接安装在换热器内投入生产。先用锉刀处理20#无缝钢管上的焊疤和毛刺，再对钢管表面进行手工除锈，处理后要求达到GB/T 8923.1-2011《涂覆涂料前钢材表面处理 表面清洁度的目视评定 第1部分：未涂覆过的钢材表面和全面清除原有涂层后的钢材表面的锈蚀等级和处理等级》规定的St3。然后在0.5 mol/L、80 °C的NaOH溶液中浸泡8 h，除去其表面的油垢，随后在1 mol/L盐酸溶液中酸洗1 h以去除锈迹，最后用清水洗净附着物并烘干。采用手工涂刷，一道涂装完成后，自然干燥24 h再刷涂下一道。采用SHAHE数显千分尺测量干膜厚，根据前期对各种涂料附着力的研究确定每道涂层的膜厚为：A （80 ± 10） μm，B （80 ± 10） μm，C （100 ± 10） μm，D （180 ± 10） μm。根据各涂层施工方法和前期探索结果确定的涂层结构及编号如图1所示。

图1 挂片试验样管的涂层构成及编号Figure 1 Coating systems and their numbers on a sample tube for coupon test

1. 4 抑焦率的测定

采用称重法测定抑焦率。首先将图1所示的整根样管置于40 °C烘箱中烘4 h，称得总质量，则其1/9视为未进行涂装前每段管的质量，即其中管段0号挂片前质量m0（g）。然后第一段涂层涂装完成后，将整根样管置于40 °C烘箱烘4 h后称量，即可得到涂层后第一段样管的质量m1。依次类推，得出1-8号样管挂片前质量mi（g）。挂片实验结束后，取出样管，按之前设定的编号及尺寸切割成9段，在相同条件下40 °C烘干4 h，称得0号样片结焦后质量M0（g），1-8号样片结焦后质量Mi（g）。以0号管作为比较对象，则：

抑焦率 = ｛［（M0- m0） - （Mi- mi）］ / （M0- m0）｝ × 100%（i为涂层编号）。

1. 5 传热性能测试

试验所用装置如图2所示，主要包括恒温循环水槽、玻璃转子流量计、进出口热电偶水温探头。试验管是20#无缝钢管，套管为直径50 mm、长1 000 mm的PVC管。无涂层的、涂装有环氧富锌漆的、覆有环氧云铁漆的以及工厂使用过的换热管的平均外径分别为19.00、19.28、19.12和22.61 mm。热水由循环水泵从恒温循环水槽送入实验系统，经转子流量计后进入试验管路中，最后返回恒温循环水槽。冷水由换热管外套的下端进入，上端流出。热流体在管内、冷流体在管外以对流方式进行热交换，其中包含 3个串联的传热过程：热量先由管内的热流体以对流传热方式传递给内管壁，再从内管壁以热传导方式传递到外管壁，最后以对流传热方式由外管壁传递给管外的冷流体。

图2 测试换热的装置Figure 2 Device for testing heat transfer

设Q为换热器的热负荷（即传热速率），J/s；Wh为热流体的质量流量，kg/s；V为热流体的体积流量，m3/s；ρ为热流体的密度，kg/m3；K为换热器总传热系数，W/（m2·°C）；cph为冷流体（空气）的平均比定压热容，kJ/（kg·°C）；A为传热面积，m2；T1为热流体进口温度，°C；T2为热流体出口温度，°C；t1为冷流体出口温度，°C；t2为冷流体进口温度，°C；Δtm为对数平均温度差，°C。则：

热传递速率方程为：

2　结果与讨论

2. 1 不同涂层的抑焦效果

涂层挂片前后情况如图3所示。经过87 d的现场挂片试验后取出样管，并按编号及尺寸切割成9段，称量数据见表2。可见，编号为4（双层环氧富锌漆）和6（环氧云铁漆）的涂层管与原始管相比，结焦量有明显的减少，抑焦率分别达到了92.81 %和92.48 %，抑焦效果较好。

图3 样管挂片试验前后的照片Figure 3 Photos of the sample tube before and after coupon test

2. 2 涂层对传热的影响

启动恒温水槽，当水温达到预定温度60 °C后即开始试验。开启冷水阀，试验过程中保持水流量恒定在2 m/s，启动循环泵，开启并调节热水调节阀，流速约为2 m/s。待系统稳定0.5 h后记录下热流体的出口温度，以上试验重复3次，记录温度的平均值，结果见表3。由表3可得，环氧富锌管的传热系数略小于无涂层管的，但却远大于结焦样管的。环氧云铁漆的换热效果虽不及环氧富锌漆，但同样优于结焦样管。

表2 涂层的抑焦效果Table 2 Anti-coking effect of different coatings

表3 涂层对换热系数的影响Table 3 Effects of different coatings on the heat transfer coefficient

2. 3 成本分析

从经济角度考虑，计算了涂覆环氧富锌漆、环氧云铁漆以及采用 304不锈钢管的成本。换热器的筒体直径为1 000 mm，厚10 mm，长4 833 mm，列管直径19 mm、厚2 mm，传热面积为250 m2。原换热器成本每台10万元，清洗费用每台一年14万元。涂装环氧富锌漆和环氧云铁漆，改造成本均为每台0.3万元，而换装304不锈钢的改造成本达每台30.0万元。综合考虑3种抑焦技术的抑焦效果及实施成本，建议在换热管外涂覆环氧富锌漆，此方法不仅抑焦效果好，而且改造成本低。

3　结语

针对各大化工厂压缩工段间换热器结焦的共性问题，并以开磷集团合成氨公司压缩工段级间结焦现状为具体研究对象，开发了适合于本工艺系统的结焦抑制技术——换热管表面涂层技术。所选涂层中环氧富锌和环氧云铁涂层的抑焦效果较好，抑焦率分别达到了92.81%和92.48%。环氧富锌涂层不仅有很好的抑焦效果，而且对换热效果影响也很小。综合评价成本和抑焦效果，环氧富锌涂料为最优选择。

［1］ PETRONE S， DEUIS R L， KONG F W， et al. Catalyzed-assisted manufacture of olefins （CAMOL）: year-4 update on commercial furnace installations ［C］ AIChE 2010 Spring National Meeting， San Antonio， Texas， March 21-25， 2010. ［S.l.］: American Institute of Chemical Engineers， 2010: 88a.

［2］ PETRONE S， CHEN YAN， DEUIS R. Catalyzed-assisted manufacture of olefins （CAMOL）: realizing novel operational benefits from furnace coil surfaces ［C］ AIChE 2008 Spring National Meeting， New Orleans， Louisiana， April 6-10， 2008. ［S.l.］: American Institute of Chemical Engineers American Institute of Chemical Engineers， 2008: 133c.

［3］ 张永军， 万书宝， 刘剑， 等. 乙烯裂解炉的结焦及其抑制措施［J］. 化学工业， 2011， 29 （12）: 46-47.

［4］ KANG S C， CHOI A S， CHO D H， et al. Method of on-line coating film on the inner walls of the reaction tubes in a hydrocarbon pyrolysis reactor: US6514563 ［P］. 2003-02-04.

［5］ 周建新. APCVD制备抑制裂解结焦SiO2/S复合涂层的技术研究［D］. 上海: 华东理工大学， 2007.

［6］ 王红霞， 王申祥， 王国清， 等. 乙烯裂解炉管抑制结焦在线涂层的制备研究［J］. 石油化工， 2010， 39 （12）: 1313-1318.

［7］ 郏景省， 王申祥， 王红霞， 等. Si/Ce化学气相共沉积制备抗结焦涂层的研究［J］. 乙烯工业， 2010， 22 （3）: 1-4.

［8］ 孔凡贵， 张婧元， 魏铁锋. 裂解炉结焦抑制技术进展［J］. 乙烯工业， 2005， 17 （3）: 19-21.

［9］ 姜颖， 田蒙奎， 李焱， 等. 合成氨压缩机级间换热器抑焦技术的研究［J］. 广州化工， 2013， 41 （23）: 17-19， 25.

［ 编辑：杜娟娟 ］

Anti-coking effect of different coatings on compressor inter-stage heat exchanger

TIAN Meng-kui*， JIANG Ying，WANG Jun， WANG Guo-wei， WANG Chang-min， JIAN Wan-guo

The coking phenomenon occurred at compression section of ammonia synthesis in Guizhou Kailin Group Company was studied. The surfaces of heat tubes were painted with several anticorrosive coatings （including epoxy micaceous iron oxide paint， zinc-rich epoxy paint， fluorocarbon paint and polytetrafluoroethylene/polyamide-imide paint） and their anti-coking effect were examined through coupon test under actual working conditions. The effect of coating with paints on the heat transfer and construction cost was analyzed. The results showed that coating tubes with zinc-rich epoxy paint has better anti-coking performance and slightly affects the heat transfer efficiency， having a good technical and economic feasibility.

heat exchanger； tube； anti-coking； anticorrosive coating； heat transfer efficiency

TQ630

A

1004 - 227X （2016） 14 - 0743 - 04

2015-10-30

2016-02-22

贵州省工业攻关项目（贵州省科技厅黔科合GY字［2012］3052）；社发攻关项目（黔科合SY字［2013］3078号）；贵州省科技创新人才团队（黔科合人才团队（2015）4004号）。

田蒙奎（1978-），男，贵州瓮安人，博士，教授，主要从事过程装备、化工清洁生产方面的研究。

作者联系方式：（E-mail） tianmk78@126.com。