吴 杰，白雪峰，吴世家
（山西丰喜华瑞煤化工有限公司，山西 新绛043100）
［摘 要］山西丰喜华瑞煤化工有限公司“24·40”项目主要利用焦炉煤气为原料生产合成氨与尿素，并采用半水煤气（固定床间歇式气化炉制气）进行补碳。2套并联的半水煤气中温变换系统运行中，第一换热器（列管式换热器）频繁出现列管腐蚀穿孔而需更换的问题，2012年，将2#半水煤气中温变换系统第一换热器更换为U形管换热器，投用后虽未出现腐蚀问题，但其换热效果达不到工艺要求；2013年，在2#半水煤气中温变换系统第一换热器（U形管换热器）后串联（新增）1台小型列管式换热器，利用列管式换热器保证半水煤气出口温度，利用U形管换热器消除热应力（降低换热温差）。2015年，对1#半水煤气中温变换系统第一换热器也进行了类似改造。迄今2套半水煤气中温变换系统第一换热器均未出现腐蚀，换热效果良好。
［关键词］半水煤气中温变换系统；第一换热器；列管腐蚀穿孔；优化技改；U形管换热器；列管式换热器；运行情况
［中图分类号］TQ113.26+4.2 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2021）05-0030-03
0 引 言
山西丰喜华瑞煤化工有限公司（简称丰喜华瑞）“24·40”项目（240 kt/a合成氨装置、400 kt/a尿素装置）主要利用焦炉煤气为原料生产合成氨与尿素，由于焦炉煤气中碳含量较低，为保证尿素生产所需CO2量，采用半水煤气（固定床间歇式气化炉制气）进行补碳；在焦炉煤气供应不足的情况下，会加大半水煤气的产气量，以保证合成氨产量。其中，半水煤气经湿法脱硫系统脱除H2S后，经煤气压缩机加压至1.8 MPa，利用半水煤气氧化锌脱硫槽（精脱硫）将半水煤气中的有机硫和无机硫进行转化和吸收，再通过中温变换炉将半水煤气中的CO变换为H2和CO2，然后变换气与经脱硫、转化、中温变换后的焦炉煤气混合，经混合气氧化锌脱硫槽精脱硫后进入低温变换炉，在铜基催化剂的作用下，CO进一步变换，使出口低变气中的CO含量＜0.3%，以满足合成氨和尿素生产的需要。
中温变换系统共有3套——2套供半水煤气变换用、1套供焦炉煤气变换用，半水煤气系统与焦炉煤气系统共用1套低温变换系统，属于典型的中温串低温变换工艺。生产中，2套半水煤气中温变换系统（并联）第一换热器（列管式换热器）频繁出现列管腐蚀穿孔而需更换的问题，通过2次优化技改最终使问题得到解决。以下对有关情况作一介绍。
1 半水煤气中温变换系统工艺流程简介
除去油水的半水煤气进入中温变换系统第一换热器壳程,与管程中来自第三换热器的变换气进行换热，半水煤气温度由35 ℃提高至250 ℃左右，接着进入氧化锌脱硫槽，将半水煤气中的有机硫转变为无机硫并脱除至总硫为微量；脱硫后的半水煤气进入第二换热器壳程，与管程中来自变换炉二段出口的变换气换热，使入变换炉半水煤气温度达到330 ℃左右；半水煤气中变炉上段出口变换气温度429 ℃，进入第二换热器列管内与壳程的半水煤气换热，温度降至400 ℃，再进入半水煤气中变炉下段继续进行CO变换反应，使出口气CO含量≤3%、温度升至405 ℃；之后变换气进入第三换热器管程，与壳程来自脱碳工段的碱洗气换热降温至365 ℃，接着进入第一换热器管程，与壳程的半水煤气换热，温度降至220 ℃左右，随后进入混合气氧化锌脱硫槽进一步脱除H2S。
2 半水煤气中温变换系统第一换热器腐蚀问题
丰喜华瑞半水煤气中温变换系统第一换热器腐蚀严重，检修更换频繁，考察其他同类型企业，也存在第一换热器腐蚀严重、寿命短的问题。以丰喜华瑞2#半水煤气中温变换系统为例，第一换热器为列管式，材质0Cr18Ni10Ti，换热面积250 m2。丰喜华瑞合成氨装置于2007年投运，2008年第一换热器列管就出现腐蚀穿孔，经修补后继续使用；2009年又拆除更换1台与原设备相同的新换热器，旧换热器送设备厂更换内件；2010年第一换热器列管又出现腐蚀穿孔现象，随即更换为2009年送修后返回的那台换热器。为寻找第一换热器列管腐蚀原因，对其进行现场解体检查，发现腐蚀部位主要集中在冷半水煤气进口端对面靠近管板的列管上，且腐蚀后的列管失去金属光泽（变为黑褐色），而其他部位的列管腐蚀程度较轻。
3 第一次优化技改
2#半水煤气中温变换系统第一换热器原设计为列管式，设计气量26 000 m3/h，换热面积为250 m2，继2010年后，2012年第一换热器列管又出现腐蚀穿孔。经与设计院讨论，分析认为主要原因是冷半水煤气进口端温差过大形成热应力及进口处不锈钢晶间腐蚀。基于这一分析，经反复讨论，丰喜华瑞决定改变第一换热器结构，将原列管式换热器更换为U形管换热器，同时将其换热面积增至310 m2。
U形管换热器投用后，虽未出现腐蚀问题，但其换热效果不理想，达不到工艺设计要求：改造前，第一换热器半水煤气进口温度30～40 ℃、出口温度240～260 ℃，变换气进口温度310～320 ℃、出口温度220～240 ℃；改造后，半水煤气进口温度35 ℃、出口温度217 ℃，变换气进口温度362 ℃、出口温度262 ℃。简言之，本次改造后第一换热器半水煤气出口温度与设计值相差约33 ℃，甚至变换气不先经第三换热器（即经第三换热器副线直接入第一换热器），第一换热器半水煤气出口温度仍无法提升至设计值，需借助电炉将半水煤气温度提高至设计值。
4 第二次优化技改
4.1 优化技改方案
借助电炉加热虽然能暂时解决生产问题，但能耗太高，从原列管式第一换热器的运行情况来看，原第一换热器（列管式）换热效果没有问题，但存在腐蚀问题；从第一次技改后的第一换热器（U形管式）的运行情况来看，换热器未发生过腐蚀，有效地解决了热应力腐蚀问题，但不能达到要求的换热效果。为从根本上解决问题，丰喜华瑞经自行论证，最终确定的改造方案为：新增1台小型列管式换热器，与现有U形管换热器串联使用（如图1），利用新增列管式换热器保证半水煤气出口温度，利用U形管换热器消除热应力（降低换热温差）。
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