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王学生 王如竹(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200030) 我国有中小氮肥厂500多家,其化肥总产量占全国化肥产量的一半以上。然而中小氮肥厂又是我国的耗能大户,因此节能降耗成为这些企业的主要问题。换热器是氮肥生产过程中的关键设备,而管壳式换热器由于具有耐高温、高压、处理量大、制造技术成熟等优点,在其中占有重要的地位。目前氮肥厂使用的管壳式换热器,其壳程内部大都采用传统的折流板(单弓形挡板)结构。这种换热器传热效率低,材料及能量消耗大,而且由于抗流体诱导振动能力差,易引起设备的破坏与腐蚀,使用寿命极短。因此对氮肥厂现有的这种换热器进行技术改造并对其实施设备的更新换代,已成为长期从事氮肥工业及换热设备工作者的历史重任。1高效节能换热器简介 高效节能换热器是由国外先进换热技术发展而来。1977年美国菲利浦石油公司Ｗ.Ｍ.Ｓｍａｌｌ等人为解决大型管壳式换热器的流体诱导振动,开发出折流杆换热器[1],该换热器内部结构以杆式支撑替代原弓形挡板,具有抗振、高效、低压降等优点。在20世纪80年代该公司又进一步对这种换热器的流体力学与热力学的计算进行了大量理论与实验研究,并开发出了该种换热器的设计计算程序[2-3],该技术在世界各地得到广泛应用。在吸收和消化这一先进技术的基础上,国内华南理工大学、郑州工业大学从80年代末也开始了对该种换热器的研究工作。步入90年代,国内至少有数十家高校、院所对这种换热设备进行了不同程度的理论分析与实验研究。 十几年来,经过模型实验、设备试制、工业实验等研究阶段,至今已总结出包括工艺计算、结构设计、加工制造等一系列的该种换热器的设计制造技术,并已取得良好的结果。高效节能换热器与传统的折流板管壳式换热器比较,在内部结构上有较大改进。一是壳程内部采用折流杆组成的折流栅取代折流板作管间支撑物,使壳程流体由横向流动变为平行流动。这不仅大大减少了传热死区,而且大幅度减少了流体因多次反复折流而损失的壳程压力降。二是采用螺旋槽型强化传热管,强化流体在管内外纵向冲刷时的对流传热。其强化传热的机理为:壳程流体在非传热界面的区域,如管间支撑物的局部地区,形体阻力损失很小,而大部分的流体压降可用来促进传热管传热界面上的流体湍流,能以较低的流体输送功获取较高的传热膜系数;螺旋槽管可利用粗糙的传热肋面来促进流体边界层的湍流度,减薄传热滞流底层厚度,从而强化边界层传热,管内管外的传热同时得到了强化。三是在换热器壳程进出口处设计变截面导流筒结构,使流体在壳程的分布更加均匀,换热面积得到更有效的利用,同时减少了流体对管束的冲刷。经过近10年的研究与开发,目前已开发出适用于气-气、气-液、液-液无相变及有相变的新型高效节能换热器系列。新型换热器与现行管壳式换热器相比,总传热系数提高35%以上,壳侧阻力降减小50%以上,处理相同的热负荷,所需设备质量轻。实践证明,与现有传统的折流板换热器设计计算一样,高效节能换热器的设计技术已比较成熟,其流体力学与传热学计算已自成体系,其强度计算与结构设计可利用管壳式换热器国家标准(ＧＢ151—98)执行。笔者认为,全面替代传统管壳式换热器的时机已经到来,因此该项技术大规模的推广应用尤为重要。2在氮肥工业中的应用情况 氮肥生产中换热方式比较单一,绝大部分是无相变传热的气-气、气-液、液-液之间的热交换,主要分布在合成氨的变换、精制、合成等工段。少数为有相变的传热,如氨的冷凝或蒸发以及水的汽化等,因此新型高效节能换热器系列非常适合在氮肥工业中应用。2.1 在合成氨变换系统的应用 目前国内不少中小型合成氨厂变换系统已采用全低变工艺。该系统变换气(在进变换炉一段以前为半水煤气)的工艺流程为:半水煤气→焦炭过滤器→饱和塔→气水分离器→热交换器(管内)→变换炉一段→调温加热器→变换炉二段→主热交换器(管间)→第一水加热器→变换炉三段→热水塔→第二水加热器→冷却塔→脱硫装置。系统热水流程为:热水塔→热水泵→调温加热器→第一水加热器→饱和塔→补充软水→热水塔。第二水加热器的软水为锅炉提供加热的软水,冷却塔用水为工厂大池内循环水。以上流程中的主热交换器、第一水加热器、第二水加热器及冷却塔皆为管壳式换热器,而且目前大都沿用传统的折流板结构,在该系统应用高效节能换热器有巨大的潜力。湖北荆门化肥厂年产6万ｔ合成氨装置,其变换系统采用全低变工艺,1997年笔者对该厂变换系统的主热交换器、第一水加热器、第二水加热器、冷却塔4台设备进行了设计改造,以三门峡化工机械厂生产制造的新型换热器替代原传统的换热设备。改造后两种设备情况对比见表1。 从表1可看出,新型换热器与旧型换热器相比,各设备总传热系数均提高40%以上,压力降的减少均超过50%。而系统4台设备的总质量由旧型的58 9ｔ降至新型的42 7ｔ,净节省钢材16 2ｔ,节约一次性设备投资10 31万元。该系统的阻力降减少2 4ｋＰａ,大大降低了系统的动力消耗,节约了大量的电能。值得说明的是,该系统的新型主热交换器的壳体采用夹套结构,使半水煤气在进入换热器的管程以前在夹套内预热,温度由130℃提高到160～170℃,不使用预腐蚀器便可解决主热交换器的露点腐蚀问题。原来主热交换器最多使用1～2年就因发生腐蚀破坏而被更换,而新型高效节能换热器已连续使用近5年,未发生腐蚀现象。节约设备的维修费及设备的重复性投资费用近20万元。该系统的第二水加热器,即变换工段锅炉软水加热器,其主要目的是使变换气冷却,同时使软水的温度尽可能地提高。新型第二水加热器使软水出口温度由原先的不超过70℃提高到83℃,热回收量明显增加。原第二水加热器内部腐蚀严重,往往使用不到半年换热管就有腐蚀穿孔现象,一年即需整台报废;而新设备内部采用变截面导流筒结构,防止了变换气对管束的垂直冲刷,解决了原加热器的腐蚀问题,现已实际运行近5年时间,不仅可节约设备的重复性投资及维修费用,而且因新设备传热效率高,使系统中锅炉节煤或多产蒸汽,每年直接产生经济效益20万元以上。同样,笔者在山东东阿化肥厂、莱州化肥厂、河南省驻马店地区化工总厂、兰考县化肥厂等几十家企业实施过多例对合成氨厂变换系统的改造,新设备运行稳定,已为企业产生巨大的经济效益。2.2用作尿素装置的氨冷凝器 国内中小尿素装置一般均采用水溶液全循环法。在4万ｔ/ａ尿素及“四改六”通用设计中,氨冷凝器为串联的3台卧式传统折流板管壳式冷凝器,分别为氨冷凝器Ａ、Ｂ、Ｃ。氨冷凝器Ａ的换热面积为110ｍ2,Ｂ、Ｃ的换热面积均为220ｍ2。由于液氨中存在腐蚀性极强的氨基甲酸铵溶液,设备的壳体及换热管材质均为不锈钢1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ,设备造价昂贵,因此采用传热效率高、质量轻的新型设备可达到节省投资的目的,选用新型的氨冷凝器后取得了较好的效果。驻马店化肥厂的第一套尿素装置,其旧型氨冷凝器Ｂ仅使用一年就因腐蚀而报废,用1台换热面积为130ｍ2的新型氨冷凝器更换以后,不久氨冷凝器Ｃ也不得不更换。这样氨冷凝器Ｂ、Ｃ均更换为130ｍ2的新型设备。 自1994年投用以来,虽然该厂的循环水水量偏紧,冷却塔结构陈旧,夏天时进水水温高达35～38℃(设计水温32℃),但仍能满足尿素的正常运行,生产负荷稳定在200ｔ/ｄ左右,尿素吨氨耗也在设计范围之内。由于使用效果好,1997年该厂新上的第2套6万ｔ/ａ尿素中,采用了3台换热面积均为130ｍ2的不锈钢新型氨冷凝器取代原来的旧型氨冷凝器Ａ、Ｂ、Ｃ。新旧氨冷凝器的经济参数比较见表2。 从操作指标看,新型氨冷凝器传热效率高,同时氨冷凝器的进出口压差很小,基本为零,因此氨冷凝后能顺利地流入液氨缓冲槽内。另外由于新型氨冷凝器质量较轻,易于在高框架上安装。该技术1998年又用于河南邯郸城化肥厂尿素装置氨冷的改造上,至今使用情况良好,实践证明该设备在小尿素生产中的使用是可靠的。3 高效节能换热器的关键技术 (1)高效节能换热器内的换热管大都采用正方形排列,并由折流杆组成的折流栅支承,从上下左右4个方位将其固定。当换热器壳体直径为800ｍｍ时,折流栅宜采用单排换热管的布杆方式,即折流栅在每排换热管间都布折流杆[4],组装后2个相邻的折流栅中的折流杆方向相互垂直。当换热器壳体直径>800ｍｍ时,折流栅宜采用双排换热管的布杆方式,即折流栅在每两排换热管之间布置一根折流杆,两种折流栅中的折流杆交替布于不同的2排换热管间。组装后2个相邻的折流栅中的折流杆方向相互垂直。 (2)高效节能换热器内各折流栅之间的间距与壳体直径有关。理论与实践证明:壳体直径在600～800ｍｍ时,间距宜采用150ｍｍ;壳体直径在900～1200ｍｍ时,间距宜采用200ｍｍ;壳体直径在1300～1600ｍｍ时,间距宜采用250～300ｍｍ。按这种关系组装的换热器在使用时可得到较高的综合性能,即较高的Ｋ/ΔＰ(传热系数与压力降之比)。 (3)螺旋槽换热管由机床轧制而成,其基本结构如图2所示。主要几何参数为换热管外径ｄｏ、壁厚ｔ、螺距ｓ、槽深ｈ、槽半径Ｒ及螺旋角α。这些参数对该换热管的传热强化效果及使用中的强度指标有重要的影响,实际应用时应根据换热管的规格合理选择。表3列出了6种常用规格的螺旋槽换热管尺寸参数。 (4)高效节能换热器壳侧适用于流体速度高、雷诺数大的场合,当壳侧流体雷诺数较低或出现层流状态时,其壳侧传热效果还不及传统折流板换热器,实际设计时要特别注意。推荐的雷诺数值为4500以上。 高效节能换热器系列产品已在合成氨生产中得到成功的应用。实践证明这种换热器不仅具有高效、节能、不易结垢等特点,而且彻底解决了流体振动对换热器的破坏,大大提高了设备的使用寿命。由于减少了35%以上的换热面积,设备的体积减小,质量减轻,投资降低,受到了合成氨生产厂家的普遍欢迎。
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