熱媒自循環技術對加熱爐露點腐蝕的防護研究

郜建松，孫志欽，孟慶凱

(中石化煉化工程(集團)股份有限公司洛陽技術研發中心，河南 洛陽 471003)

隨著石化企業加工原油硫含量的上升，在管式加熱爐余熱回收系統中，煙氣往往在空氣預熱器、余熱鍋爐等設備的換熱面上產生強烈的露點腐蝕，甚至在不到一年的運轉時間內，換熱面就嚴重腐蝕穿孔，威脅到裝置的安全和穩定運行。露點腐蝕已經成為煉化企業加熱爐“節能減排”的瓶頸。多年來，人們為了預防加熱爐的低溫露點腐蝕開展了諸多研究工作，比如開發抗腐蝕新材料ND 鋼換熱管［1］、在煙氣換熱管表面增加搪瓷涂層［2］以及調節空氣流量控制排煙溫度［3］等，但從應用的效果來看都受到一定的局限。近年來，無低溫腐蝕的水熱媒技術開始在一些企業的加熱爐余熱回收系統中應用，取得了良好的效果。但該技術的熱媒循環需要動力泵輸送，若有氣阻會造成熱媒水泵不上量，同時該技術對公用系統配套的熱媒水的穩定性要求十分苛刻［4］。

為了進一步提高加熱爐余熱回收系統露點腐蝕的防護技術，中石化煉化工程(集團)股份有限公司洛陽研發中心研究開發了新的加熱爐露點腐蝕防護技術——熱媒自循環技術。

1 熱媒自循環技術的基本原理

熱媒自循環技術是一種通過密閉系統內的熱媒相變過程完成與外界熱量交換的傳熱技術。熱媒體自循環系統由熱媒蒸發器和熱媒冷凝器組成一個熱媒閉路循環系統(見圖1)。

圖1 熱媒自循環技術原理

熱媒一般選用無毒、無害、無腐蝕、造價較低的除氧水，熱媒在熱媒蒸發器內吸收高溫流體的熱量，在降低高溫流體溫度的同時自身蒸發形成氣相;熱媒蒸汽依靠蒸發產生的壓力進入熱媒冷凝器將熱量傳給低溫流體，在升高低溫流體溫度的同時自身被冷凝成液體，然后依靠重力再次進入熱媒蒸發器取熱，依次循環，從而實現把高溫流體的熱量傳遞給低溫流體的目的［5］。在加熱爐余熱回收系統的實際應用中，高溫流體為對流段排出的高溫煙氣，低溫流體為需要預熱的燃燒器助燃空氣。熱媒自循環技術中熱媒的循環是依靠冷凝液的位差和重力作用，不需要外加動力，無機械運行部件，提高了設備的運行可靠性，減少了運營費用。而且熱媒的相變潛熱大，在極小的溫差或等溫下就能迅速地把大量熱量從蒸發器傳至冷凝器，傳熱速率快，效率高，所以熱媒自循環傳熱設備具有體積小、重量輕的特點。

2 試驗裝置

熱媒自循環技術在加熱爐余熱回收系統應用的試驗裝置流程見圖2。

圖2 熱媒自循環煙氣余熱回收系統試驗裝置流程

該系統主要有煙氣發生器、熱媒蒸汽發生器、板翅冷凝器、熱媒流量調節閥和煙氣溫度比較器等設備組成，以水為傳熱媒介，建立一個閉式循環系統。熱媒水吸收從煙氣發生器過來的高溫煙氣的熱量后，變成蒸汽，依靠蒸發產生的壓力進入板翅冷凝器，與常溫冷空氣進行熱量交換，蒸汽重新被冷凝成水，靠重力回到熱媒蒸汽發生器。常溫空氣經過預熱后，溫度升高進入煙氣發生器助燃。如此循環將煙氣熱量源源不斷傳給助燃空氣。在熱媒蒸汽發生器出口和板翅冷凝器進口之間，設置蒸汽流量調節閥，在熱媒蒸汽發生器出口煙氣管路上設置煙氣溫度變送器，煙氣溫度變送器和水蒸氣調節閥聯鎖構成一個控制調節回路。當煙氣酸露點溫度的變化超過一定數值時，比較器將會把煙氣酸露點溫度和煙氣溫度做比較，根據比較結果向蒸汽流量調節閥發出開大或關小的操作信號，通過調節蒸汽的循環流量，達到控制煙氣和助燃空氣之間熱交換量的目的，使加熱爐的排煙溫度始終高于酸露點溫度5～10 ℃，從而在避免熱媒蒸汽發生器產生露點腐蝕的前提下，最大限度回收煙氣余熱［6］。熱媒水、助燃空氣和煙氣流程如下:

①熱媒水循環流程:

熱媒蒸汽發生器→流量調節閥→板翅冷凝器→熱媒蒸汽發生器。

②空氣流程:

冷空氣→板翅冷凝器→煙氣發生器。

③煙氣流程:

煙氣發生器→熱媒蒸汽發生器→煙囪。

3 結果與討論

3.1 設計參數

熱媒自循環余熱回收系統試驗裝置的主要設計參數見表1，該裝置參數模擬工業裝置實際運行參數設計。

表1 余熱回收系統試驗裝置的參數

3.2 運行參數

熱媒自循環余熱回收系統試驗裝置的主要運行參數見表2。

表2 余熱回收系統試驗裝置的運行情況

考慮到換熱面壁溫不均等因素，為了避免熱媒蒸汽發生器產生露點腐蝕，一般取排煙溫度比煙氣酸露點溫度高5～10 ℃比較安全［7］。假定隨著加熱爐用燃料氣(油)硫含量的變化，熱媒蒸汽發生器出口管路上的煙氣酸露點溫度儀檢測值為132 ℃，則熱媒蒸汽發生器出口煙氣溫度必須在137 ℃以上運行，才能避免熱媒蒸汽發生器產生露點腐蝕。煙氣酸露點溫度變化后熱媒自循環余熱回收系統試驗裝置的主要運行參數見表3。

表3 煙氣酸露點溫度變化后試驗裝置的運行參數

3.3 運行分析

從試驗裝置運行參數看，當煙氣酸露點溫度升高，需要熱媒發生器煙氣溫度相應升高時，熱媒循環調節閥減少了熱媒循環量，煙氣取走的熱量減少，助燃空氣溫度從81 ℃相應降低為50 ℃，出口煙氣溫度從132 ℃升高為138 ℃，高于煙氣酸露點溫度6 ℃，從機理上有效避免了熱媒發生器產生露點腐蝕的可能。同理當煙氣酸露點溫度降低，熱媒循環調節閥也會增加熱媒循環量，使煙氣取走的熱量增加，升高助燃空氣的溫度，從而實現最大限度的節能。

熱媒水在系統內循環時，水蒸汽的壓力接近于常壓，系統操作運行的安全系數高。考慮到測量誤差和減少裝置運行波動等因素，在實際應用時，可以在煙氣酸露點溫度變化超過一定數值時(比如±10 ℃)，再調節熱媒循環量。

4 結論

研究表明，熱媒自循環技術對于加熱爐余熱回收系統防止低溫露點腐蝕是可行的，該技術利用熱媒的相變作用實現熱媒自循環和熱交換，利用調節熱媒循環量調節熱交換量，具有運行安全穩定、調節靈活、設備體積小等優點，具有良好的應用前景。

［1］鄭文龍，張清廉.煉制含硫原油設備選材［J］.石油化工腐蝕與防護，2001，18(6):46-49.

［2］莫廣文.搪瓷管換熱器的工業應用［J］.石油化工腐蝕與防護，2007，24(6):40-42.

［3］王德瑞，張月平.一種可調節熱負荷的熱管式空氣預熱器［P］.CN200520017588，2006-02-22.

［4］陳齊全，鄒圣武，蔡智，等.水熱媒空氣預熱器在延遲焦化加熱爐上的應用［J］.煉油技術與工程，2007，37(2):24-27.

［5］莊駿，張紅.熱管技術及其工程應用［M］.北京:化學工業出版社，2000:99-105.

［6］高躍成，鄭戰利，孫志欽，等.一種避免余熱回收裝置發生煙氣露點腐蝕的方法［P］.CN101476821A，2009-07-08.

［7］錢家麟.管式加熱爐［M］.北京:中國石化出版社，2003:530.