1、2023 年 第 4 期 化学工程与装备 2023 年 4 月 Chemical Engineering&Equipment 183 二氧化碳汽化器的结构选择及使用 二氧化碳汽化器的结构选择及使用 陈如意（安阳化学工业集团有限责任公司，河南 安阳 455133）摘 要：摘 要：介绍了液体二氧化碳连续汽化工艺中各类二氧化碳汽化器的工作原理、优缺点对比选择以及在汽化器使用过程中出现泄漏的原因分析及采取措施，为后续生产装置连续稳定生产提供保障。关键词：关键词：水浴式汽化器；结构形式；焊缝开裂；蒸汽冷凝液 我公司气化装置的一氧化碳气化炉采用富氧连续气化工艺，通过富氧造气，将 95%纯度的二氧化碳气源与
2、富氧按一定比例混合后进入造气炉，在一定操作温度下，从造气炉上部得到富含一氧化碳的原料气，经粗净化、提纯和热量回收后收集至原料气柜，供后续生产装置使用。其中二氧化碳作为气化剂，其一部分来源为气化装置生产的粗原料气中二氧化碳经 PSA 分离提纯所得，另一部分主要来源于外购液体二氧化碳经汽化后产生。1 二氧化碳汽化工艺的选择 1 二氧化碳汽化工艺的选择 目前二氧化碳汽化通常采用的工艺主要有空冷式汽化工艺、水浴式汽化工艺、间接换热循环利用式汽化。1.1 空冷式二氧化碳汽化工艺 利用空气自然对流加热换热管中的低温液体，使其完全蒸发成气体，配套的还有恒温调压系统，以保证空冷汽化器在环境温度低的情况下能运行
3、。该工艺的优点是：安装简便、维护方便，汽化介质无须成本投入；缺点是：适宜间断供气工况，冬季运行效果差，占地面积大，需要备用设备。1.2 水浴式二氧化碳汽化工艺 汽化器在罐体上、下端分别连接二氧化碳出气管和二氧化碳进液管，在罐体内竖向设置主管道，主管道的上端为封闭端，下端与二氧化碳进液管连接，沿主管道长度方向均布盘管，各盘管的一端与主管道连通，另一端与二氧化碳出气管连通；在罐体上分别设置与罐体内腔连通的进水口和出水口，出水口高于进水口布置；在罐体上设置蒸汽进口和冷凝水出口，在罐体内腔的蒸汽进口和冷凝水出口之间密封连接蒸汽加热管。该装置结构合理，温度均匀，热交换效益高，节能效果明显。其原理为冷却循
4、环水通过进水口进入罐体内，与盘管内的过冷液态二氧化碳进行热交换，使液态二氧化碳得以汽化、水在降温、达到气化条件。该工艺的优点是：汽化稳定，占地面积小，对有余热的工艺装置可有效利用余热减少运行消耗。缺点：需要有稳定的热源供应。1.3 间接换热循环利用式汽化。系统主要包括：蒸发器、气液分离器、第一换热器、水储罐、第二换热器、乙二醇盐溶液储罐。此系统需要用到两种换热介质：一是常温水温度在 25左右工艺水；另一个是 50%乙二醇盐水溶液温度在-15。二氧化碳流程为:液体二氧化碳从储罐出来后先进入蒸发器在蒸发器内与乙二醇盐水溶液换热，二氧化碳吸收热量后部分被汽化，汽化后气体进入蒸发器上部的分离器进行气液
5、分离，分离后液体二氧化碳重新回到蒸发器，气体沿管线被送至第一换热器与常温水换热，二氧化碳吸收热量后送出系统。乙二醇盐水溶液循环流程：乙二醇盐水溶液在蒸发器内换热后回到第二换热器，在换热器内与常温水进行换热，温DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.04.048184 陈如意：二氧化碳汽化器的结构选择及使用 度升高后沿管线进入乙二醇盐水溶液储罐再进行循环。常温水循环流程：常温水分两路分别进入第一换热器和第二换热器，将热量给气体二氧化碳和乙二醇盐水溶液。从换热器回来后进入储罐，常温水需要在工艺装置中的冷冻系统取得热量来维持整个冷热平衡，从而保证二氧化碳能汽化，并且能获得冷水。该工
6、艺的优点是：加热介质主要靠利用水系统的余热，乙二醇盐水溶液低温下不易结冰堵塞。缺点是：工艺相对复杂，设备多，各介质关联性强，需要从其他工艺装置中取热源换热加热水。通过对以上三种汽化方式的对比，结合我公司实际情况，我公司选用了水浴式汽化工艺，同时为了确保设备的长周期运行，对汽化器的结构在传统结构的基础上进行了优化改造。2 水浴式二氧化碳汽化器的选择 2 水浴式二氧化碳汽化器的选择 水浴式二氧化碳汽化器有电加热、蒸汽加热以及热水加热等形式。其中电加热式水浴式汽化器是通过电能加热水浴式汽化器中的水，再通过热水加热盘管中通过的液态气体，使之转化为气态的气体。这种水浴式汽化器消耗能源比较多，适用于水资源
7、紧缺或者受条件限制不能选择其他形式的情况。蒸气式水浴式汽化器是通过蒸气加热水浴式汽化器中的水，再通过热水加热盘管中通过的液态二氧化碳气体，使之转化为气态的气体，这种水浴式汽化器适用于有锅炉余热，或其他余热的用气单位。循环热水水浴式汽化器直接使用循环热水来加热管内的液态气体，使之气化为气态气体。结合公司生产装置的实际情况，为降低二氧化碳汽化器运行成本，同时为更好利用装置生产过程中的余热，我公司采用了凝液式水浴式汽化器，型号为 DSQ-3000Nm3/h，该汽化器采用管式加热，同时为了解决常规形式的汽化器，长期运行有盘管或主管出现缺陷，无法进行维修或维修难度大，只能进行盲堵，影响换热效果的缺陷，我
8、公司对汽化器结构进行了优化，将盘管式改为汇管式可拆卸结构，管内为液态二氧化碳，管外加热介质采用生产装置使用蒸汽后产生的蒸汽冷凝液，冷凝液压力为 1.0MPa、温度 80-90、小时流量 80 吨（汽化器使用量在 15-20t/h），满足汽化器热源需要，内部列管为25，共分 8 层，为四进四出。使用冷凝液做汽化器热源将较蒸汽式水浴汽化器减少 1-2t/h 的低压蒸汽，同时可将凝液温度降至 30-40，使用后的凝液作为循环水系统补水或锅炉补水，充分利用。3 二氧化碳汽化器工作原理 3 二氧化碳汽化器工作原理 3.1 工艺原理 二氧化碳汽化器主要由换热管及外壳两部分组成，采用蒸汽冷凝液作为热源，热的
9、蒸汽冷凝液充满盘管与外壳空隙，加热换热管内的二氧化碳，换热管内液体二氧化碳通过加热汽化为气体二氧化碳，。EG 陈如意：二氧化碳汽化器的结构选择及使用 185 3.2 工艺流程 外购液体二氧化碳自罐车卸入液体二氧化碳储灌中。液体二氧化碳储罐出来的流量为t/h（开车时为 5.9t/h）压力为 2.2MPa、温度-20的液体二氧化碳，经自调阀调节后进入汽化器换热管内，汽化器内接受来自生产装置的蒸汽凝液与其换热，凝液压力 1.0MPa、温度 80-90。二氧化碳温度升高后汽化压力为 2.2MPa 先经过一级减压后压力降至0.6MPa，再经过二级减压后降至 3-5KPa，最后气体二氧化碳通过管道送至二氧
10、化碳气柜供气化炉使用。凝液经过汽化器后温度降至 40左右，回到凝液回收总管进行回收利用。在操作过程中汽化器内部凝液将整个列管淹没，属于满液位操作。液体二氧化碳汽化流程 液体二氧化碳汽化流程 4 二氧化碳汽化器使用时泄漏原因分析及采取措施 4 二氧化碳汽化器使用时泄漏原因分析及采取措施 二氧化碳汽化器在使用一段时间后，发现凝液排放导淋中含有少量的二氧化碳气体，经分析怀疑内部列管存在微量泄漏。为了确认设备是否存在缺陷，我公司对该设备进行了拆检维修，将设备打开后，对各管口进行盲堵，进行打压试漏及着色渗透检查，发现在25 管与汇管连接部位的焊口处出现焊口开裂，其中上层汇管处有 2 处裂纹，下层汇管处1
11、 处裂纹。经过分析，该列管选用的是 304 不锈钢材质，正常情况不需要进行热处理消除应力，但是列管在原始制作过程中，内部列管煨弯不规则，存在角度偏差，煨弯角度不统一，列管在焊接过程中存在焊接应力和煨弯回弹应力，在长周期使用过程中存在应力释放，对焊口强度造成影响。同时汽化器管壳程温差较大，二氧化碳汽化器壳程与管程温差相差 130度左右，在开停车期间温差将进一步加大，操作过程中若二氧化碳流量波动较大，冷热相击也会存在焊口开裂现象发生，为此，我们对开裂焊缝进行打磨补焊后，针对二氧化碳汽化器操作使用，制定了防范措施，从工艺操作上进一步优化操作。汽化器投运时，先微开凝液入口阀进行预热暖管，严格控制升温速率和降温速率。凝液控制在 40 分钟至 1 小时达到最高液位，液位计显示 40 以上时开始投二氧化碳，阀门开度要微调，杜绝凝液与二氧化碳迅速提量。经过采取措施后，二氧化碳汽化器运行稳定，未出现过设备泄漏问题，通过对我公司的二氧化碳汽化器运行及维修情况进行总结分析，认为采用可拆卸结构的水浴式汽化器，在保证后续生产装置的连续稳定运行的情况下，解决了常规水浴式的汽化器长期运行有盘管或主管出现缺陷，无法进行维修或维修难度大，只能进行盲堵，影响换热效果的缺陷，保证了设备的长期稳定高效运行。