大型空分高低压混合板式换热器堵塞工况分析

摘要：本文通过分析板式换热器运行工况，阐述了板式换热器堵塞的原因及处理过程，对于换热器堵塞的预防提出了自己的见解。

关键词：板式换热器   堵塞   换热效果

神华宁煤烯烃公司现有法液空设计的煤化工型空分装置两套，单套设计高压氧气为 90000Nm3/h  、 5.3MPa ，低压氮气为 130000 Nm3/h  、 0.86MPaA ，高压氮气为 1250 Nm3/h  、 5.9MPa 。该装置采用全低压立式径向流双层床分子筛吸附、增压透平膨胀机制冷、液氧内压缩流程，精馏塔规整填料，工艺流程设计合理，投资成本低，自动化程度高，技术成熟，设备先进，运行安全可靠，操作简便，能耗低。

一、   板式换热器堵塞工况描述

2 号空分装置自 2012 年 7 月 11 日检修后开车以来一直运行正常，自 2012 年 12 月 5 日开始 2 号空分装置板式换热器 E01 中部温度 D 、 E 、 J 、 K 、 A 、 H 点开始逐步上升，而其余几个点温度开始呈现下降趋势。而分子筛出口空气中 CO2 在线分析仪分析结果正常，分析值在 0.1ppm 以下，分子筛再生蒸汽加热器后污氮气露点正常，分析值在 -75 ℃以下，膨胀增压机后冷却器及增压机中间换热器气侧液位开关无报警，板式换热器压差稳定在 35kpa 左右无明显变化，其他参数亦无明显异常变化。到 2013 年元月中下旬 E01 中部温度工況恶化（如表 1 ），板式换热器中部温差最大达到 80 ℃，出板式换热器低压氮气温度最低达到 -2 ℃，大量冷源从此流失，蒸汽消耗增加，精馏工况、装置产能受到影响，主冷液位难以维持正常工况的需求 . 。为了维持系统运行，保持主冷液位正常，空分系统被迫减少产品产量运行，高压氧气产品降低至 65000Nm3/h 。

二、   原因排查

12 组板式换热器中的 6 组出现中部温度明显的上涨趋势，而其余 6 组出现不同程度的下降趋势，且中部温度上涨的 6 组换热器及温度下降的 6 组换热器都以物流进出换热器总管为对称轴成对称排列（假设 H 探头与 G 探头装反）。由此基本可以判断，换热器中有异物堵塞板式换热器流道，且异物应该是以比重较大的液体或固体形式进入板式换热器。

1 、 根据以往经验，我们首先通过分析气侧露点的方法排查了膨胀机增压端后冷却器及增压机中间冷却器内漏情况，未发现泄漏情况。

2 、 由于质检中心球胆取样手动分析分子筛出口空气中微量二氧化碳结果误差较大，我们又对分子筛出口空气取样口进行了改造，增加了快速钢瓶取样接口，于 1 月 10 日开始手动分析二氧化碳情况。

从以上表格可以看出，分子筛出口空气中 CO2 含量超标严重，最高达到 4.0ppm 。据此，我们判断分子筛吸附效果下降导致纯化后空气中 CO2 超标， CO2 随加工空气进入板式换热器，在板式换热器的中上部变为干冰附着在换热器翅片上，从而引起板式换热器堵塞，换热效果下降。

三、   换热器加温

在初步查明换热器堵塞原因后，我们采取了以下措施：

（ 1 ） 咨询活性氧化铝厂家及 13X 分子筛厂家技术人员，将分子筛再生冷吹峰值温度由原来的 60 ℃提高至 100 ℃左右，继续观察分子筛出口空气中 CO2 含量的变化情况。

（ 2 ） 联系分析仪表厂家，对空气中微量 CO2 分析仪进行重新检查和校对，并与质检中心手动分析结果进行对比，排除分析误差。

（ 3 ） 对蒸汽加热器后污氮气露点进行持续跟踪检测，排查再生气体问题。

（ 4 ） 对膨胀增压机后冷却器、增压机 5 个中间换热器气侧气体露点进行跟踪监测，监控换热器内漏情况。

（ 5 ） 定期手动分析换热器各通道流体氧含量情况，排查板式换热器本身内漏的情况。

（ 6 ） 定期手动测量板式换热器热端流体管壁温度，监控换热器运行工况。

（ 7 ） 择机停车检查分子筛及活性氧化铝床层下沉情况，并按照设计要求进行补充。

2013 年 2 月 1 日对 2 号空分板式换热器 3 个热流体通道进行单独加温。从 2 月 2 日 04 ： 30 开始加温， 08 ： 00 换热器中部温度达到 0 ℃，  11 ： 30 加温结束，板式换热器中部温度最高达到 15 ℃（如表 2 ）。

四、   堵塞原因排查，换热器堵塞工况反复

经过一段时间的持续排查，我们基本排除了以下几个原因：

（ 1 ） 膨胀增压机后冷却器内漏；

（ 2 ） 增压机段间冷却器内漏；

（ 3 ） 分子筛再生蒸汽加热器内漏；

（ 4 ） 板式换热器各通道物料窜压。

但是，板式换热器加温后中部温度又呈现逐步上涨的趋势，工况恶化情况与 2012 年年底相似，运行 20 天后，换热器中部温度又恢复至加温前的水平（如表 4 ）。由此证明加温对板式换热器运行工况的改善没有起到特别大的作用，也证明我们没有找到换热器堵塞的根本原因。

五、   工况突变，换热器工况恢复

3 月 1 日 12 ： 41 时因电气故障导致 2 号空分装置液氧泵 P03B 跳车，外送氧气突然中断，而大流量工艺空气继续经 E01 后进入下塔。在液氧泵 P03A 启动向外送氧后， E01 中部温度恢复正常（趋势如图 2 ）。

反观空分装置板式换热器堵塞工况前后，换热器中部温度变化趋势如下图：

自 3 月 1 日至 4 月 11 日空分装置计划停车检修前， 2 号空分装置运行正常，板式换热器中部温度稳定在 -100 ℃左右，主冷液位正常，且有多余的冷量产出液氧液氮产品。停车期间，我们按照法液空设计文件要求对 2 号空分分子筛进行了特殊高温再生活化，以彻底恢复分子筛及活性氧化铝的吸附能力。同时，我们再次对 2 号空分进行了全面回温干燥，对板式换热器冷流体通道也进行了回温干燥；对分子筛床层及活性氧化铝床层下沉情况进行了检查，发现分子筛床层下沉约 60cm ，活性氧化铝床层下沉约 50cm ，并对下沉情况进行了补充。

六、   结论

基于以上描述，我们初步得出如下结论：

1、2号空分装置板式换热器有异物带入，附着于换热器翅片上，甚全堵塞换热通道，造成换热器中部温度上升，换热工况恶化。 2、板式换热器通道堵塞不是发生在热流体通道。如果堵塞发生在热流体通道，那么2月1日的换热器回温应该会使板式换热器中部温度恢复至正常水平,但事实是加 温后重新开车中部温度最高达到-64C，距离正常值-100C仍有36°C的温差。由此，我们分析可能是由于板式换热器热流体通道较宽，而冷流体通道狭窄，所以，进入冷箱系统的微量水分、C02等随着流体进入到精馏塔下塔，有一部分附着在填料.上，而也有一部分最终在主冷中积聚，随着液氧经液氧泵进入板式换热器液氧通道内，导致液氧在12组换热器中分布不均匀，从而造成板式换热器中部温度变化。 3、板式换热器工况恶化与液氧通道有关。但具体是什么物质堵塞，它又是通过什么途径进入液氧通道的我们目前不能给出确定的答案，有待于我们继续收集装置运行数据做进一步分析与判断。 4、杂质在板式换热器通道内附着的不是特别紧固,应该是以絮状物的形式存在，否则,不会通过液氧流量和压力的变化而被流体带走。 七、结束语: 1、对待法液空设计两套空分装置本着学习、吸收、消化、改造的态度， 沉下心来理解设计理念，提高驾驶装置本领。几乎所有的技术资料都显示分子筛要求再生冷吹峰值大于100°C,这样。分子筛和氧化铝吸附的水分才可以被完全解析，但是，法液空设计分子筛冷吹峰值温度为60°C。后经多方咨询才得知，分子筛技术发展 到现在，冷吹峰值长期在80°C以下运行时，必须每隔1.5年至2年进行一次特殊高温再生。而我厂空分装置自试车以来已连续运行3年，从没有进行过此项工作。为此，我们也制定了相应的管理制度，在分子筛出口空气中C02含量无异常的情况下，每年进行一次特殊高温再生，而一旦发现分子筛出口空气中C02含量超标，立即停车进行特殊高温再生，避免类似事故的重复发生。 2、对于影响装置长周期 运行的重要参数，不能仅仅依赖于在线仪表的分析数据，必须有手动分析值作为对比参考。为此，我们也重新修订了装置分析项目及分析 频次,将分子筛出口空气中C02分析作为一个频次样来定期手动取样分析。

3、对于单个装置能耗增加与全)长周期运行的选择要站在全厂的角度来权衡。化工生产是以长周期运行为重。试想，空分装置分子筛再生峰值提高至100°C所增加的蒸汽消耗与全厂每天减产1000吨甲醇相比，孰轻孰重显而易见。因此，我们在确保分子筛吸附周期正常的前提下，通过提高再生气体流量及加热温度等手段来保

证分子筛再生冷吹峰值≥100°C，为全厂的长周期运行打下良好的基础。

4、 我们]还要继续通过收集装置运行数据，不断分析、总结，与同行业专家学者开展学术交流，深入分析板式换热器换热效果下降的原因，从根本上解决板式换热器堵塞的问题。

PS.原文件损坏，配图丢失，哪位朋友有无错版欢迎提供。

参考文献:

[1] 汤学忠顾福民新编制氧工问答冶金工业出版社2001 年。

[2] 李化治制氧技术冶金工业出版社2009年。