新型石墨空氣預熱器的開發及應用*

孫志欽，李玖重，高曉紅

(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)

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新型石墨空氣預熱器的開發及應用*

孫志欽，李玖重，高曉紅

(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)

低溫露點腐蝕已成為降低排煙溫度、提高加熱爐熱效率的主要障礙，煉油企業現有的空氣預熱器在露點溫度以下運行很快就會失效，無法進一步回收煙氣余熱。不透性石墨具有耐腐蝕性能強、導熱系數大、表面不易結垢等特性，由其制成的空氣預熱器特別適用于露點溫度以下的煙氣余熱回收。利用軟件分析及試驗優化，開發了新型石墨空氣預熱器，其換熱性能優于一般的鋼管式換熱器。在中石化某分公司600 kt/a重整加熱爐進行了工業試驗，新型石墨空氣預熱器安全穩定運行1 a，加熱爐排煙溫度由138.9 ℃降低至93 ℃，解決了低溫腐蝕問題，使加熱爐熱效率提高兩個百分點，達到94.2%以上，投資回收期僅為6.2個月，具有廣闊的應用前景。

低溫露點腐蝕 煙氣余熱 不透性石墨 石墨空氣預熱器

加熱爐是煉油企業的主要耗能設備，能耗占煉油綜合能耗的30%～40%。提高加熱爐的效率一直是煉油企業節能工作的重點，其中采用空氣預熱器回收煙氣低溫余熱，降低加熱爐排煙溫度是最主流的節能手段[1]。

目前煉油企業加熱爐熱效率為90%～92%，排煙溫度為120～150 ℃，空氣預熱器已在煙氣硫酸露點臨界溫度運行。進一步降低排煙溫度，空氣預熱器會產生露點腐蝕，已成為煉油企業提高加熱爐熱效率急待解決的難題。

1 低溫露點腐蝕的機理

一般燃料油或燃料氣中均含有少量的硫，硫燃燒后全部生成SO2。由于燃燒室中有過量的氧氣存在，所以又有少量的SO2進一步再與氧化合形成SO3。在通常的過剩空氣系數條件下，全部SO2中約有1%～3%轉化為SO3[2]。在高溫煙氣中的SO3氣體不腐蝕金屬，但當煙氣溫度降到400 ℃以下，SO3將與水蒸氣化合生成硫酸蒸氣，溫度越低，SO3的轉化率越高。只要煙氣中有超過8%的水分，在煙氣溫度降到205 ℃時，幾乎99%的SO3轉化為硫酸蒸汽[3]。

隨著煙氣溫度降低，當溫度降低到硫酸露點溫度(一般為110～160 ℃)時，硫酸蒸汽就會在加熱爐尾部受熱面凝結成硫酸液體，發生低溫露點腐蝕，使加熱爐尾端換熱設備積灰堵塞甚至腐蝕穿孔[4]。

2 空氣預熱器低溫露點腐蝕解決措施現狀

ND鋼(耐硫酸低溫露點腐蝕用鋼)、鑄鐵是煉油企業目前應用較多的耐低溫腐蝕金屬。耐低溫腐蝕的原理是在露點溫度附近，硫酸質量分數85%左右時，在金屬表面形成了一層致密且與基體金屬黏附性好的鈍化膜，阻止了酸和水向鋼鐵基體的滲入，保護了銹層下面的基體[5]。但耐低溫腐蝕鋼只能保證空氣預熱器在露點溫度附近工作，當煙氣溫度低于露點溫度，這些鋼鐵材料就無法抵御煙氣的低溫露點腐蝕，使用壽命就會大大縮短。進入露點溫度的ND鋼，其使用壽命均在半年左右，到目前為止還沒有找出一種可以有效抗低溫露點腐蝕的低合金鋼[6]。

在空氣預熱器低溫段的金屬外表面涂上非金屬的防腐層是使用非金屬材料的一種方式，比如在熱管式空氣預熱器、板式空氣預熱器的低溫段涂上搪瓷、陶瓷、塑料等。盡管非金屬材料的耐低溫腐蝕性能好，但材料與金屬管材的膨脹系數存在差異，易出現開裂剝落，而且整個低溫段尤其是細密的部分容易有微小部位沒有覆蓋上涂層，易失去抵抗低溫露點腐蝕的能力[7]。

3 新型石墨空氣預熱器

3.1 不透性石墨

不透性石墨是一種由人造石墨及合成樹脂通過浸漬、壓制、澆鑄等方法制成的新型材料。它具有優良的化學穩定性，對大部分化學介質耐腐蝕,常溫下導熱系數為100～110 W/(m·K)，與銅、鋁相仿，是普通碳鋼2.5倍以上;機械強度高，能夠承受2 MPa以上的壓力;與大多數介質之間的“親和力”極小，表面不易結垢[8]。這些優良的特性，保證了由其制成的空氣預熱器可以跨越煙氣低溫腐蝕的障礙，在露點及更低的溫度下工作。

3.2 新型石墨空氣預熱器的研究

石墨制成的新型空氣預熱器與煉油企業的傳統鋼制空氣預熱器有很大不同，并與強酸、強堿行業處理氣-液、液-液換熱的石墨換熱器不同。借鑒石墨換熱器在其他行業的應用經驗，選取了承壓能力強、使用溫度高的塊孔式作為新型石墨空氣預熱器的結構型式[9]。在研制階段利用CFX(一個內部流動分析的數值模擬軟件)對石墨空氣預熱器的換熱流道直徑、長度、排列方式、數量等進行了優化，從技術經濟的角度選出石墨空氣預熱器的最優結構.

根據CFX優化結果設計了一臺熱負荷為32.8 kW空氣預熱器進行熱態試驗,對新型石墨空氣預熱器的阻力特性、傳熱性能、耐溫性能及密封性能進行了研究.熱態試驗研究表明，在適宜的孔內流速范圍，空氣預熱器的傳熱性能優于一般的鋼管式空氣預熱器。石墨空氣預熱器的綜合性能可以滿足加熱爐跨越低溫腐蝕障礙，深度回收低溫煙氣余熱的要求。

4 新型石墨空氣預熱器的工業試驗

通過數值模擬優化、熱態試驗研究掌握了新型石墨空氣預熱器的傳熱、阻力和耐溫等性能，研制了一臺工業用的石墨空氣預熱器，在中石化某分公司600 kt/a連續重整裝置3臺圓筒爐聯合余熱回收系統上進行了工業試驗。連續重整裝置的空氣預熱器采用兩段組合式，高溫段為熱管，低溫段為搪瓷列管。由于燃料氣硫含量較高，低溫段搪瓷管腐蝕較為嚴重，出現腐蝕穿孔，空氣串入煙氣，空氣預熱器處于帶病運行，實際熱效率只有91%左右。工業試驗為了減少改造工程量，保持高溫段熱管不變，利用現有余熱回收裝置中的搪瓷管段位置安裝新型石墨空氣預熱器試驗裝置。

4.1 石墨空氣預熱器工業試驗流程

石墨空氣預熱器工業試驗流程見圖1。重整加熱爐煙氣進入空氣預熱器的溫度為300 ℃，經過高溫段熱管空氣預熱器與空氣換熱后，溫度降低到150 ℃左右進入低溫段石墨空氣預熱器試驗，在石墨空預器中與常溫空氣進行換熱，煙氣溫度由150 ℃再降至95 ℃左右后排至煙囪。來自鼓風機的常溫空氣在石墨空氣預熱器中被加熱至70 ℃左右，再進入空氣預熱器高溫段被繼續加熱至220 ℃，最后進入加熱爐熱風系統。

圖1 石墨空氣預熱器工業試驗流程

4.2 工業應用試驗

工業試驗前，對進出600 kt/a連續重整裝置加熱爐原余熱回收系統的物流參數進行了測量。新型石墨空氣預熱器替換原搪瓷管空氣預熱器，加熱爐正常運行半年后，對該裝置預熱回收系統的進出口物流參數又進行了測量。通過與工業試驗前的數據進行分析比較，研究新型石墨空氣預熱器的性能。工業試驗前后，加熱爐測試數據見表1。

表1 工業試驗前后加熱爐測試數據

4.3 工業試驗結果分析

新型石墨空氣預熱器在600 kt/a連續重整裝置加熱爐裝置上已平穩運行一年有余，未出現任何腐蝕、彎曲、破碎、變形等現象，空氣預熱器的耐腐蝕和耐溫性能良好。經計算，石墨空氣預熱器的散熱損失僅為傳熱量的0.13%，運行過程中沒有吸風和漏氣等現象，密封性能良好。傳熱性能優于一般鋼管式空氣預熱器。

重整加熱爐應用新型石墨空氣預熱器后排煙溫度降低為93.0 ℃，熱效率從91.13%提高到了94.02%，多回收熱量0.672 MW。以煉油廠燃料氣熱值42 555 kJ/m3計算，每小時節約燃料氣56.8 m3，每年可節約燃料氣45.45×104m3(以年運行8 000 h計算)，投資回收期6.2個月。

新型石墨空氣預熱器具有優良的傳熱能力和耐酸腐蝕性能，能夠跨越煙氣低溫腐蝕障礙，可以在露點溫度甚至更低的溫度下安全運行，具有良好的應用前景。

5 結 論

空氣預熱器的低溫露點腐蝕問題已成為進一步降低排煙溫度，提高加熱爐熱效率的主要障礙，盡管現有的空氣預熱器能在一定程度上解決低溫腐蝕的問題，但在實際運行過程中，會出現各種問題，尤其在露點溫度以下失效更快。

不透性石墨制成的新型空氣預熱器具有良好的傳熱、耐溫、防腐等性能，可以提高加熱爐熱效率兩個百分點，并能在露點溫度甚至更低的溫度下安全運行。解決了低溫腐蝕的問題，投資回收期6.2個月，具有廣闊的應用前景。

[1] 李文輝.煉油裝置加熱爐節能途徑與制約因素[J].中外能源，2009,14(10):85-91.

[2] 錢家麟.管式加熱爐[M].北京：中國石化出版社，2005:524-525.

[3] JAWOROWSKI R J，MACK S S.Evaluation of methods for measurement of SO3-H2SO4in flue-gas[J].Journal of the air pollution control association，1979,29(1):43-46.

[4] 何奮彪.空氣預熱器煙氣露點腐蝕及處理[J].科技創新與應用，2013(5):86.

[5] 錢余海，李自剛，楊阿娜.低合金耐硫酸露點腐蝕鋼的性能和應用[J].特殊鋼，2005,26(5)：30-34.

[6] 姜元慶.加熱爐空氣預熱器腐蝕原因分析[J].石油化工設備，2013,42(4):84-87.

[7] 杜洪建.耐硫酸露點腐蝕搪瓷空氣預熱器[J].石油化工腐蝕與防護，2007,24(4):38-40.

[8] 宋建波，殷志軍.新型列管式石墨空氣預熱器在合成氨生產中的應用[J].氮肥技術，2006(4):24-25.

[9] 梁若清，馮勇祥，陸木林.國內外石墨換熱器的發展與應用研究[J].化工生產與技術，1995(4):24-30.

(編輯 王菁輝)

Development and Application of a New Type of Graphite Air Preheater

SunZhiqin,LiJiuchong,GaoXiaohong

(SEGLuoyangR&DCenterofTechnology,Luoyang471003,China)

Low-temperature dew point corrosion has become the main obstacle to reduce the exhaust gas temperature and increase the heat efficiency of the heating furnace. The existing air preheaters in the petroleum refineries will fail under the operation at dew point temperature, which makes it impossible to recover the waste heat from flue gas. Impervious graphite has strong corrosion resistance, high thermal conductivity and non-fouling performance, which is especially suitable for recovering the waste heat from the flue gas below dew point temperature. A new type graphite air preheater has been successfully developed by software analysis, tests and optimization, whose performances are superior to those of steel heat exchangers. In the commercial test in a 600,000 TPY catalytic reforming unit, the new graphite air preheater has been running safely and stably for one year without low-temperature corrosion. The flue gas emission temperature of the heater is reduced to 93 ℃ from 138.9 ℃, and thermal efficiency of the heater is raised by 2.0%, which is over 94.2%. The return of investment is only 6.2 months.

low temperature dew point corrosion, flue gas waste heat, Impervious graphite，a new type graphite air preheater

2016-04-25；修改稿收到日期：2016-05-26。

孫志欽(1963—)，高級工程師，本科，從事節能與燃燒方面研究工作。E-mail:sunzq.lpec@sinopec.com

中國石油化工集團公司科研項目(313041)。