甲醇制烯烴裝置外取熱器磨損分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

王冬冬，高 婷，茍榮恒，何 源

（神華新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831400）

目前工業(yè)化的幾種甲醇制烯烴（MTO）工藝均采用連續(xù)反應(yīng)-再生的氣固循環(huán)流化技術(shù)。MTO工藝過程是典型的熱量平衡過程，即反應(yīng)和再生燒焦過程釋放的熱量與熱工系統(tǒng)所需的熱量相互平衡。

外取熱器在MTO工藝熱量平衡過程中起到了關(guān)鍵作用。 外取熱器和再生器（或反應(yīng)器）通過催化劑循環(huán)管線連通，其內(nèi)部設(shè)置多組垂直管束；熱的催化劑從再生器（或反應(yīng)器）中引入外取熱器，和取熱管接觸換熱后返回再生器（或反應(yīng)器）。

外取熱器運(yùn)行過程中， 取熱管束受催化劑磨損、操作工況及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素影響，管束存在故障率高、使用壽命短及檢修難度大、費(fèi)用高等問題?，F(xiàn)有技術(shù)主要是定期在停工檢修期間，利用檢測(cè)技術(shù)對(duì)換熱管測(cè)厚，根據(jù)減薄程度更換取熱管束。 本文根據(jù)某廠MTO裝置外取熱器運(yùn)行和檢修情況，對(duì)其內(nèi)部床層流化狀態(tài)和缺陷原因進(jìn)行分析，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以延長(zhǎng)管束使用壽命。

1 外取熱器故障分析

1.1 外取熱器介紹

某廠MTO裝置再生器外部設(shè)置一臺(tái)返混式外取熱器，如圖1所示，2010年8月投用。 2014年檢修期間，因催化劑斜管、管束磨損嚴(yán)重和局部襯里脫落，已不能滿足裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的要求，需整體更換。 上述外取熱器采用返混式結(jié)構(gòu)，其與再生器之間只有一個(gè)接口，再生器內(nèi)熱催化劑由催化劑入口進(jìn)入取熱器，熱催化劑被冷卻后經(jīng)入口返回管進(jìn)入再生器；冷卻介質(zhì)為除氧水，除氧水進(jìn)入取熱管的內(nèi)管，然后自下而上進(jìn)入與外套管間的環(huán)隙，汽化吸熱。 外取熱器技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 外取熱器簡(jiǎn)圖

表1 外取熱器技術(shù)參數(shù)

1.2 故障臨時(shí)處理措施

裝置運(yùn)行過程中，外取熱器斜管上部經(jīng)常出現(xiàn)熱點(diǎn)，熱點(diǎn)溫度350 ℃左右，多次發(fā)生外取熱器斜管被磨穿、催化劑泄漏故障，且均發(fā)生在斜管和外取熱器連接接口上部靠近焊縫處。 在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，外取熱器入口斜管錨固釘被破壞，斜管上部隔熱耐磨襯里被掏空，器壁被磨穿，管束磨損嚴(yán)重，如圖2。

針對(duì)發(fā)生故障的嚴(yán)重性，分別采取了以下措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)：（1）在裝置日常運(yùn)行中加強(qiáng)管理，每班次巡檢過程中對(duì)熱點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)記錄，以防熱點(diǎn)擴(kuò)大引起生產(chǎn)安全事故，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，為制定檢修計(jì)劃提供依據(jù)；（2） 對(duì)出現(xiàn)的熱點(diǎn)采用壓縮空氣在器壁外部吹掃降溫的方法， 以減緩器壁磨損速度；（3）斜管被磨穿和催化劑泄漏，采取帶壓堵漏補(bǔ)焊鋼板或包盒子的方法處理；（4）檢修期間，因入口斜管錨固釘連接被破壞，斜管上部隔熱耐磨襯里被掏空，器壁被磨穿，管束磨損嚴(yán)重的，設(shè)備整體更換。

圖2 外取熱器磨損情況

1.3 故障原因分析

1.3.1 外取熱器自身因素

（1）由于外取熱器殼體內(nèi)部換熱管排布通常比較緊密（換熱管所占橫截面積可占外取熱器筒體橫截面的30%～50%）， 從斜管進(jìn)口流入的催化劑顆粒不可避免地會(huì)對(duì)換熱管造成沖刷，長(zhǎng)時(shí)期就會(huì)造成換熱管沖蝕磨損甚至穿孔；尤其當(dāng)催化劑進(jìn)口位于密相床層以上的稀相空間時(shí)，這種沖蝕更為嚴(yán)重。

（2）另一方面，由于密集排列的換熱管強(qiáng)化了流化床的壁面效應(yīng)，限制了顆粒的橫向擴(kuò)散，致使進(jìn)口側(cè)的熱催化劑顆粒很難均勻分散在整個(gè)外取熱器橫截面上；再加上外取熱器顆粒出口和進(jìn)口在同一位置，很容易使熱催化劑顆粒在進(jìn)出口位置形成短路， 造成進(jìn)口側(cè)附近的換熱管取熱負(fù)荷過大，而遠(yuǎn)離進(jìn)口側(cè)的換熱管取熱負(fù)荷過小。 取熱負(fù)荷大的換熱管很容易形成干燒， 使局部壁面溫度過高，甚至可能超過換熱管鋼材的受熱極限，造成換熱管材料失效和爆管泄漏事故。

（3）換熱管取熱負(fù)荷不均勻的另一個(gè)危害是可能造成換熱管拉裂。 由于外取熱器底部換熱管末端一般都設(shè)有導(dǎo)向支架， 用以限制換熱管的徑向位移，起到減振作用，但這樣也限制了換熱管之間沿外取熱器高度方向的相對(duì)位移。 當(dāng)換熱管熱負(fù)荷不均勻時(shí)，由于管壁溫度不同，各換熱管的膨脹量將會(huì)不同。 如果導(dǎo)向支架設(shè)計(jì)的膨脹余量不夠的話，勢(shì)必會(huì)拉伸或壓縮個(gè)別換熱管。 情況嚴(yán)重時(shí)，很可能在換熱管、導(dǎo)向支架的薄弱處形成斷裂，造成局部換熱管的失效。

1.3.2 催化劑沖蝕

外取熱器內(nèi)部催化劑床層達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，床層分布從下到上依次是密相段、過渡段和稀相段，催化劑入口位置處于床層稀相段[1,2]。 再生器內(nèi)部的催化劑通過催化劑入口斜管進(jìn)入外取熱器，首先和入口側(cè)取熱管接觸，對(duì)取熱管產(chǎn)生沖刷磨損[3]，而入口相對(duì)側(cè)位置催化劑較少，對(duì)取熱管磨損少。 從現(xiàn)場(chǎng)拆下的外取熱器管束的破壞程度也證實(shí)了這一點(diǎn)，催化劑入口換熱管的沖刷較為嚴(yán)重。 結(jié)合催化劑流向分析，說明催化劑入口側(cè)管束受到了較嚴(yán)重的沖蝕作用，破壞主要來自催化劑沖刷磨損和偏流。

1.3.3 取熱溫度波動(dòng)大

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，在外取熱器不同位置上設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，分布于催化劑入口和催化劑入口相對(duì)側(cè)，得到表2結(jié)果。 可以看出，在催化劑入口側(cè)溫度變化比較明顯，而在相對(duì)側(cè)，外取熱器管壁溫度變化不明顯。

表2 外取熱器內(nèi)催化劑溫度分布表

再生器的正常工作溫度660 ℃左右， 但是在日常操作中再生器溫度在600～720 ℃之間波動(dòng)， 進(jìn)而導(dǎo)致外取熱器溫度變化大， 使襯里急劇膨脹和收縮，襯里就很容易產(chǎn)生裂紋，并且會(huì)越來越大。 由于錨固釘和襯里材料導(dǎo)熱系數(shù)相差大，高溫引起錨固釘變形，到了一定程度，會(huì)導(dǎo)致襯里開裂，開裂的襯里也會(huì)很快被介質(zhì)沖刷并掏空。

1.3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

（1）斜管底部松動(dòng)風(fēng)噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。 當(dāng)催化劑流速小時(shí)，催化劑分層流動(dòng)，互不混合，在此狀態(tài)下，管壁磨損程度是相同的。 隨著催化劑流速逐漸增加， 催化劑的流線開始出現(xiàn)波浪狀的擺動(dòng)，擺動(dòng)的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此狀態(tài)下會(huì)對(duì)部分管壁產(chǎn)生磨損，但不集中于一處。 當(dāng)催化劑流速增加到很大時(shí)，流線不再清晰可辨，管道中有許多小漩渦，層流狀態(tài)被破壞，這時(shí)的催化劑作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在催化劑與斜管上管壁的接觸區(qū)域產(chǎn)生漩渦。 在外取熱器斜管底部，設(shè)計(jì)有兩組垂直布置，開口正對(duì)焊縫接口松動(dòng)噴嘴，由于再生器的工況壓力0.08 MPa，遠(yuǎn)小于松動(dòng)風(fēng)壓力，松動(dòng)風(fēng)的布置有利于斜管上部渦流的產(chǎn)生。

（2）未設(shè)計(jì)脫氣線。 外取熱器入口斜管是催化劑的入口，又是氣體返回口，按照設(shè)計(jì)理論，前者依靠自身重力從斜管下部通過， 后者從斜管上部通過。 在實(shí)際操作中由于偏流和過渡區(qū)的同時(shí)存在，致使斜管催化劑入口處介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜，逆向的煙氣使催化劑的流動(dòng)趨于快速無固定方向，極易將襯里掏空，進(jìn)而損壞器壁。

（3）襯里質(zhì)量問題。 襯里養(yǎng)護(hù)和烘干質(zhì)量的好壞，對(duì)襯里使用性能的影響極大。 在襯里養(yǎng)護(hù)和升溫階段，脫表面水溫度要保證在150 ℃，脫結(jié)晶水的溫度要保證在350 ℃，并且操作要平穩(wěn)。若脫水溫度不夠、時(shí)間不長(zhǎng)，很容易導(dǎo)致襯里脫落、鼓包和出現(xiàn)裂紋。

2 外取熱器優(yōu)化措施

2.1 優(yōu)化工藝操作

在裝置運(yùn)行過程中，不斷優(yōu)化操作工藝，特別是在開停車過程中， 為確保設(shè)備襯里的完好性，嚴(yán)格按照襯里烘襯曲線進(jìn)行反應(yīng)再生系統(tǒng)設(shè)備升溫，防止因溫升過快導(dǎo)致襯里損壞。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）催化劑斜管底部松動(dòng)結(jié)構(gòu)采取水平布置形式。 為了防止松動(dòng)風(fēng)在外取熱器斜管上部形成渦流，加速襯里的磨損，將斜管底部的松動(dòng)風(fēng)結(jié)構(gòu)改為水平布置，如圖3所示。

圖3 松動(dòng)風(fēng)結(jié)構(gòu)布置

（2）設(shè)置防沖蝕結(jié)構(gòu)。 在斜管入口處，為防止管束受迎面來的高溫催化劑的沖刷磨損，在外取熱器斜管催化劑進(jìn)料入口正面管束上加設(shè)了防沖蝕襯里結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 外取熱器防沖蝕襯里結(jié)構(gòu)

（3）增設(shè)脫氣線。 在實(shí)際操作過程中，下行的催化劑遇到上升的氣體時(shí)，氣流狀態(tài)十分復(fù)雜，特別在催化劑進(jìn)出口處催化劑的流動(dòng)呈紊亂狀態(tài)，逆向的煙氣易使催化劑產(chǎn)生渦流對(duì)襯里產(chǎn)生磨損，因此在外取熱器頂部設(shè)置脫氣線， 將氣體和催化劑分開，防止了催化劑對(duì)襯里的磨損，如圖5所示。

圖5 外取熱器頂部設(shè)置脫氣線

2.3 襯里施工質(zhì)量管控和運(yùn)行維護(hù)

在設(shè)備的過渡段、異形結(jié)構(gòu)和流體方向壓力劇變的部位，錨固釘應(yīng)適當(dāng)?shù)丶用?；龜甲網(wǎng)和襯里擋板的連接處應(yīng)設(shè)置固定擋板；對(duì)穿過襯里的接管或構(gòu)件包裹陶瓷纖維紙；襯里接口處的質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格控制，確保焊縫處襯里質(zhì)量，做到圓滑過渡；在襯里施工完畢后要保證表面平整，檢查襯里質(zhì)量合格[5]。

新襯里的養(yǎng)護(hù)和烘干對(duì)日后的運(yùn)行安全影響很大， 烘襯階段一定要確保150 ℃和350 ℃分別脫除表面水和內(nèi)部結(jié)晶水，并且兩個(gè)階段要平穩(wěn)緩慢進(jìn)行。 在后續(xù)的聯(lián)合升溫烘襯過程中，應(yīng)針對(duì)外取熱器和反應(yīng)再生兩器的具體結(jié)構(gòu)制定相應(yīng)的烘襯方案，利用調(diào)節(jié)主風(fēng)機(jī)風(fēng)量和外取熱器放空等方式確保烘襯合格[6]。

2.4 合理調(diào)整外取熱器床層高度

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，取熱管的傳熱系數(shù)隨表觀氣速增大呈先增大后減小，峰值點(diǎn)一般位于0.4 m/s。 這一趨勢(shì)和床層從鼓泡到湍動(dòng)的流域轉(zhuǎn)變密切相關(guān)，工業(yè)操作中可以選用床層的起始湍動(dòng)速度作為最佳操作氣速。 由于中心區(qū)域氣泡和顆粒更為強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)，因此中心處取熱管的傳熱系數(shù)顯著高于邊壁區(qū)域取熱管的傳熱系數(shù)。 和床層中心稀、邊壁濃的床層密度徑向分布相對(duì)應(yīng)， 隨著床層高度的不斷降低，取熱管傳熱系數(shù)呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢(shì)。 這一方面表明稀相區(qū)對(duì)器壁面?zhèn)鳠嵊绊懞苄。硪环矫嬉脖砻髡{(diào)節(jié)料面高度是調(diào)節(jié)外取熱器負(fù)荷的一個(gè)有效手段。 即通過減小密相區(qū)床層高度，使料位以上的催化劑呈分散相，提高傳熱系數(shù)，同時(shí)也減少管束磨損。

2.5 加強(qiáng)維護(hù)措施

從裝置投入運(yùn)行開始，操作人員應(yīng)摸索出外取熱器最合適的料位高度、氣體流量等相關(guān)參數(shù)，確保外取熱器操作平穩(wěn)。

在裝置運(yùn)行中， 制定嚴(yán)格的熱點(diǎn)檢查制度，對(duì)于外取熱器的易磨損部位應(yīng)著重檢查。 檢查可通過測(cè)溫槍與手持式紅外成像儀相結(jié)合的方式進(jìn)行，實(shí)踐表明，紅外成像儀是MTO裝置反再系統(tǒng)器壁熱點(diǎn)檢查十分有效的工具。 檢查的結(jié)果應(yīng)詳細(xì)記錄，為日后檢修的分析做準(zhǔn)備，對(duì)于出現(xiàn)的熱點(diǎn)應(yīng)采取必要的補(bǔ)救措施如帶壓補(bǔ)焊等。

3 結(jié)論

通過對(duì)比分析改進(jìn)前后外取熱器的運(yùn)行狀況，采取減少催化劑渦流、催化劑入口換熱管加強(qiáng)和線速控制等措施均有利于降低外取熱器磨損，主要結(jié)論如下：

（1）在裝置開工過程中嚴(yán)格按照設(shè)備襯里材料要求的烘襯曲線進(jìn)行升溫， 特別是150 ℃和350 ℃恒溫階段，恒溫時(shí)間不少于24 h；停工階段要緩慢降溫，避免溫降過快；合理的溫度控制是降低設(shè)備襯里損壞的重要措施。

（2）運(yùn)行實(shí)踐表明，對(duì)外取熱器正對(duì)催化劑入口斜管位置換熱管，采用防沖板或防沖蝕襯里結(jié)構(gòu)可以有效保護(hù)換熱管，防止換熱管沖刷磨損。

（3）脫氣線的設(shè)計(jì)和松動(dòng)風(fēng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，可以降低外取熱器催化劑入口斜管處氣固雜亂的流動(dòng)狀態(tài)，減緩斜管襯里的沖刷。

外取熱器襯里磨損預(yù)防措施已比較成熟，但針對(duì)管束磨損研究相對(duì)較少，后期應(yīng)將研究的重點(diǎn)向管束磨損延伸，特別是外取熱器中催化劑床層分布對(duì)管束磨損的影響。 外取熱器的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，需要不斷根據(jù)工藝情況摸索以改進(jìn)設(shè)備的不足。