蓄熱式空氣預熱技術在低溫煙氣熱回收上的應用

羅映波游述懷吳時驊

（1.岳陽鐘鼎熱工電磁科技有限公司，湖南省工業燃燒器與燃燒智能控制工程技術研究中心；2.中石化長嶺煉油廠設備處）

蓄熱式空氣預熱技術在低溫煙氣熱回收上的應用

羅映波1游述懷1吳時驊2

（1.岳陽鐘鼎熱工電磁科技有限公司，湖南省工業燃燒器與燃燒智能控制工程技術研究中心；2.中石化長嶺煉油廠設備處）

從提高煙氣余熱回收效率入手，進一步降低煙氣排放溫度，回收更多的熱量，提高石化行業加熱爐的熱效率，達到減少燃料消耗和排放總量的目的。本文結合工程實例，對蓄熱式空氣預熱技術在低溫煙氣熱回收上的應用特點、設備策略進行剖析，論證了蓄熱式空氣余熱回收技術在提高加熱爐熱效率及節能減排上具有較大優勢，有較大的應用推廣價值。

石化加熱爐；蓄熱式空氣預熱技術；低溫煙氣熱回收；應用建議

1 概述

中石化長嶺分公司240×104t/a汽柴油加氫裝置位于岳陽市云溪區，2010年建成投產。該裝置加熱爐設備包括1臺反應進料加熱爐（F101）、1臺分餾塔底重沸爐（F201）及1套兩爐共用的余熱回收系統。2014年，長嶺分公司石化煉油設備處對該裝置余熱回收系統開展節能減排、增效改造，在該裝置原有的熱管式空氣預熱器后增加了1臺回轉蓄熱式空氣預熱器，以期進一步降低排煙溫度回收余熱，從而將系統排煙溫度從160℃左右降至100℃左右，加熱爐熱效率從92%左右提高到95%～96%。

本文將結合案例，對蓄熱式空氣預熱技術應用進行分析，剖析該技術在提高換熱效率、防止低溫露點腐蝕、減小系統壓力降損失及設備在線清掃積灰等方面的可行性，為企業節能改造提供參考。

2 系統改造方案

原加熱爐熱效率在91%～92%之間，煙氣露點溫度為131℃，排煙溫度在151℃以上，其熱效率偏低，有提高熱效率節能減排的空間。改造的目標使排煙溫度降至100℃左右。在選擇設備改造方案時，應考慮下述問題：排煙溫度遠低于露點腐蝕溫度，設備換熱內構件腐蝕；改造時鼓風機/引風機利舊，系統壓力降損失控制；應對操作工況變化時設備的調節。

2.1 設備方案

原裝置熱管式空氣預熱器設計的換熱溫度介于350～140℃之間。為避免熱管工作在露點溫度附近，延長熱管壽命，新增的低溫段預熱器換熱溫度控制在230～100℃之間。為降低改造成本，風機不更換，通過對煙風道系統壓力降損失進行核算，發現原有引風機、鼓風機壓頭裕量約500 Pa，因此，提出新增低溫段預熱器設備內部設計壓力降300 Pa。根據上述要求，最終選擇回轉蓄熱式空氣預熱器進行改造，系統改造方案如圖1所示。

圖1 系統改造方案

2.2 蓄熱式空氣預熱器設計方案及應用

2.2.1 結構設計

回轉蓄熱式空氣預熱器（圖2）采用大平面回轉軸承支撐形式[1]，改善轉子應力分布，利于密封面剛度保持，運轉平穩；裝載有蓄熱體的轉子通過回轉軸承支撐在預熱器底座上，底座上有冷煙氣出口和冷空氣入口，并通過立柱支承地面；回轉體上方的固定罩有熱煙氣入口和熱空氣出口，通過支腿支撐在外部落地框架；驅動裝置安裝在底座上，通過變頻電動機、減速機、小齒輪驅動轉子上大齒輪使轉子旋轉；轉子中的蓄熱體則連續不斷地在煙氣區蓄熱、在空氣區放熱，從而達到換熱的目的。

圖2 回轉蓄熱式空氣預熱器外形

2.2.2 材料選擇

由于煙氣排煙溫度設計在低溫露點腐蝕溫度以下，預熱器內部的材料選擇需選用耐腐蝕材料：對于蓄熱體選用了耐腐蝕、比熱容大、耐熱沖擊好的陶瓷材料，為了增大比表面積和流通面積，將陶瓷設計成正六邊形孔交錯排布的蜂窩結構，孔道沿煙氣與空氣流向平行直通道結構，降低氣孔的阻力；回轉體鋼結構根據溫度場分布及腐蝕條件，分別選用不銹鋼、考頓鋼、碳鋼（風道）等；為減輕設備質量及驅動功率，對于轉子部分采用陶瓷纖維棉作為隔熱內襯，熱煙道入口采用輕質澆注料內襯，冷煙道由于有冷凝水且冷凝水中溶解有SOx、NOx及少量鹽類物質，因此，在內襯與煙氣接觸面加襯不銹鋼板，并在設備底部開設冷凝水導出管，將酸性冷凝水導入處理池進行處理后排放。

2.2.3 設備換熱熱平衡計算及應用情況

根據改造方案，2014年5月實際改造后的開車工況條件與設計條件存在較大差別，主要原因是F101爐未開車，僅F201爐開車，設計與實際開車工況參數見表1，運行監測數據見表2[2]。

經分析與計算，實際開車工況所測量的數據與理論設計數據之間存在一定的差異。當排煙溫度降至100℃左右時，煙氣中部分水蒸氣冷凝，從設備的煙道底部導流管溢出，煙氣冷凝釋放的熱量及冷凝水的數量并不確定，均未予考慮。設備自2014年5月開始運行，設備運轉平穩，換熱性能良好，效率較高，維護較少。

2.2.4 系統壓力降損失

改造后，實測壓力降煙氣側為250 Pa，空氣側為142.5 Pa，在允許范圍之內，風機系統運行正常，能滿足生產要求。

3 蓄熱式空氣預熱器的低溫冷凝

蓄熱式預熱技術理論上可以將煙氣溫度降至80℃甚至更低[3]，并充分回收煙氣中的水蒸氣的冷凝放熱，但實際生產操作中，要考慮低溫煙氣通過煙囪排放后的升騰擴散高度；因此，出于安全環保方面的要求，建議排煙溫度控制在80～110℃之間。

表1 設計與實際開車工況數據

表2 回轉蓄熱式空氣預熱器監測數據℃

4 預熱器漏風率分析

預熱器設備內部空氣側為正壓供風，煙氣側為負壓；因此，除蜂窩陶瓷蓄熱體微孔攜帶漏風之外，密封區也有少量的漏風。轉子轉速決定了攜帶漏風量（本案例中攜帶漏風量約占煙氣量1.5%），密封區漏風量則通過監測預熱器煙氣出口和入口氧含量，再經計算得出。

5 蓄熱式空氣預熱技術的效益分析

回轉蓄熱式空氣預熱器的驅動電動機用功功率約6 kW，年耗電成本不足4萬。自設備投用后運行平穩，維護較少，經過2年時間運行無故障。2015年4個月的加熱爐平均熱效率為95.57%，比改造前提高約3.5%，排煙溫度從改造前的約160℃降低至100℃左右。按節約瓦斯耗氣量約60 m3/h（0℃，101.325 kPa）計算，該裝置總計每年可節能約170萬元，1年基本收回設備改造成本。

經過運營，對預熱器冷凝物的酸度試紙對比測試，pH值為5～6，證實該裝置冷凝過程中有收集部分硫化物、氮化物的作用。另外，通過對煙氣組分的分析，也證實了預熱器出口煙氣中的NOx平均值為20.2×10-6，預熱器入口NOx平均值為23.7×10-6。由此可見，在余熱回收節約能源，減少CO2、NOx排放等方面，蓄熱式空氣預熱技術符合環保要求，效果較為明顯。

6 結束語

回轉蓄熱式空氣預熱器在石油化工管式爐上應用，成功解決了設備低溫露點腐蝕問題，將煙氣的排放溫度降至露點溫度以下，對于石化加熱爐低溫煙氣余熱回收提供了較好的手段，有效提高了加熱爐熱效率，節能減排，具有較大的推廣應用空間。

[1]錢家麟.管式加熱爐[M].2版.北京：中國石化出版社，2010：550-557.

[2]李銀行.長嶺分公司240萬噸/年汽柴油加氫回轉式空預器性能測試技術報告書[R].岳陽長嶺設備研究所有限公司：2014.

[3]尾花英朗.熱交換器設計手冊[M].新1版.北京：烴加工出版社,1987：243-299.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.02.010

2016-11-07

（編輯 李發榮）

羅映波，工程師，2004年畢業于湖南省建材高等專科學校（機電一體化專業），從事石油化工設備工程技術工作，E-mail：821378518@qq.com，地址：湖南省岳陽市城陵磯臨港產業新區永濟路，414000。