贵州美丰化工有限责任公司(原贵州化肥厂有限责任公司)老尿素系统采用水溶液全循环工艺,建于20世纪70年代,设计产能为350 t/d。由于该装置消耗高、运行不稳定,公司2008年采用宁波远东化工集团有限公司的尿素改造技术——改良型水溶液全循环法工艺对该装置进行改造。主要改造预分离系统、蒸发系统、一段分解系统、解吸系统。改造目标为老尿素系统吨尿素蒸汽耗由1250 kg降到595 kg,产能由350 t/d增至500 t/d。工程于2009年1月23日建成投产,其中解吸系统的改造如下。
原有解吸系统为1台浮阀式解吸塔,装置最大处理能力为10 m3/h碳铵液。本次尿素装置扩能改造后,原有解吸系统的处理能力已不能满足工艺要求。因此,在本次改造中,解吸系统更换1台规整填料型解吸塔,新增1台冷凝器和1台换热器。改造后装置的最大处理能力20 m3/h碳铵液,正常状况下处理量为16 m3/h。解吸系统设备由宁波远东化工集团有限公司设计制造。
尿素系统改造完成正式投入生产系统运行后,发现解吸冷凝器(换热面积80 m2,工作温度140~150 ℃,工作压力0.4 MPa)有泄漏现象,换热效果未能达到工艺指标,液相出口温度高达130~135 ℃,大大超过正常情况下的95~105 ℃,运行1周后泄漏情况更为严重,不得不停车进行拆检。拆检发现冷凝器中下部列管有5根被拉裂,经堵漏后再次投入系统运行,仍有泄漏现象;再次停车拆检,中下部列管仍有5根被拉裂,并且管内及出口冷却水管发生严重的碳铵盐结垢堵塞。
针对上述情况,公司将情况通知宁波远东公司并进行了原因分析。
经初步分析,可能是设备壳体与内部列管膨胀系数不一致导致列管被拉裂。换1台解吸冷凝器,并在原解吸冷凝器的壳体上加装膨胀节,2009年8月份安装投运5 d后,列管仍有泄漏。10月29日系统停车拆检,下数第2排第7颗和第5排第6颗2根列管拉裂并发生堵塞,封头上部呈棕红色,下部有一层碳铵盐结垢。根据设备损坏部位和封头色差判断,是由于上部列管与下部列管受力方向相反,上部列管膨胀量过大导致下部列管被拉裂。
通过分析,再根据该设备列管断裂部位、设备结构及换热原理分析,该换热器在水平安装时,出水管在中部,上段列管处于无水状态,部分热气滞留在上部列管,无法达到换热目的,导致上部列管膨胀量过大,而下部列管膨胀量小而拉裂。工艺角度分析,该解吸气相冷凝器进口混合气中含4%~12%的NH3和2%~8%的CO2,二者发生反应生成少量稀NH4COONH2,在130 ℃的高温状态下,附着在下部列管上发生气蚀反应,导致下部列管脆化。由于上述电化学反应和机械应力作用,最终导致下部列管被拉裂。
根据上述分析,采取的措施为:将该解吸气相冷凝器出水管盲死,在设备封头顶部重新开出水口,并在解吸塔液位上部加入少量氧气,以解决气相中气氨和二氧化碳气体在冷凝器中气蚀反应对列管的影响。经过改管后,再度开车运行,换热效果明显好转,冷凝器液相、气相出口温度达到工艺指标(95~105 ℃),至今再没出现列管断裂事故。改管后,上部列管处于有水状态,上、下列管温差减小,达到整体换热的效果,同时也避免了气蚀现象和机械拉裂的产生,从而保障了设备的正常、安全运行。