新型耐露點腐蝕陶瓷空氣預熱器的試驗研究*

(中石化煉化工程集團洛陽技術研發中心，河南 洛陽 471003)

管式加熱爐是煉油裝置的主要設備之一，又是耗能大戶和大氣污染源，其燃料消耗一般占煉油廠能耗的50%左右。提高管式加熱爐熱效率，既能減少煉油生產裝置加熱爐燃料消耗，又能降低有害氣體排放，對煉化企業節能減排有重要意義[1]。回收煙氣余熱，降低加熱爐排煙溫度是提高加熱爐熱效率的主要手段，目前中石化煉化企業管式加熱爐排煙溫度為120～150 ℃，對應的熱效率為90%～92%，煙氣余熱回收系統已在煙氣酸露點附近運行。如果進一步降低排煙溫度，空氣預熱器就會發生露點腐蝕，易出現積灰結垢和腐蝕穿孔等問題[2]。跨越低溫露點腐蝕的障礙，開發耐低溫露點腐蝕的空氣預熱器，已成為加熱爐節能減排的一個重要研究方向。

1 空氣預熱器現狀

目前，國內煉油裝置加熱爐煙氣余熱回收系統中使用的空氣預熱器主要有直接換熱和間接換熱兩種形式。直接換熱是煙氣和空氣通過空氣預熱器換熱面直接進行熱量交換，如板式空氣預熱器、管束式空氣預熱器;間接換熱是利用中間載體的吸熱和放熱，完成煙氣和空氣的熱量交換，如熱管式空氣預熱器、水熱媒空氣預熱器[3]。

為避免空氣預熱器發生低溫露點腐蝕，工程技術人員主要從控制空氣預熱器壁面溫度和增強空氣預熱器耐腐蝕性能兩個方面入手，進行了大量的探索和研究。為了控制空氣預熱器壁面溫度，需要在設計階段直接提高空氣預熱器排煙溫度，或是運行中通過調節系統控制煙氣溫度，使空氣預熱器壁面最低溫度比煙氣露點高5～10 ℃，進而避免露點腐蝕的發生[4]。但這種方法使煙氣低溫余熱無法被回收利用，限制了加熱爐熱效率的進一步提高。在增強空氣預熱器耐腐蝕性能方面，已開發有耐腐蝕鋼制空氣預熱器、非金屬涂層空氣預熱器、玻璃空氣預熱器和石墨空氣預熱器等，但這些空氣預熱器在應用中都存在一定的問題。耐腐蝕鋼制空氣預熱器在低于煙氣露點的環境下運行時，仍然難以抵御煙氣的低溫露點腐蝕[5]。非金屬涂層易出現孔隙及剝落現象，運行較短時間就會失去抵抗低溫露點腐蝕的能力[6]。由于玻璃空氣預熱器存在強度低、耐熱沖擊性能差等缺點，運行過程中極易出現漏風和破碎，在工業上少有應用[7]。石墨空氣預熱器具有良好的防腐蝕、耐高溫性能，但由于其價格比較高，在工業上難以推廣應用[8]。因此，開發一種價格適宜、能夠長周期運行的耐低溫露點腐蝕空氣預熱器，用于深度回收煙氣余熱，進一步提高加熱爐熱效率，具有十分重要的意義。

2 新型陶瓷空氣預熱器

2.1 改性莫來石陶瓷

莫來石是一種穩定的二元化合物，其結構呈鏈狀排列，屬斜方晶體，晶粒尺寸較小，活性較低，化學性質穩定。莫來石陶瓷能耐大部分化學品侵蝕，在硫化物、碘化物、硫酸、硝酸和氫氟酸中均具有極強的抗腐蝕性，可以長期耐質量分數5%～90%的H2SO4腐蝕，并且具有高強度、高熔點、高抗蠕變性、高抗熱震性及價格便宜等優點[9]。該材質的空氣預熱器特別適用于露點及以下溫度的煙氣余熱回收。但莫來石陶瓷導熱系數較低，常溫下導熱系數為1.0～1.5 W/(m·K)。為了提高莫來石陶瓷材料的導熱性能，在陶瓷燒結過程中向其中添加了質量分數20%～50%的碳化硅粉體。碳化硅具有強度高、抗氧化、耐磨損、抗腐蝕及摩擦系數低等優良性能，并且其導熱性能較好，常溫下導熱系數為120～180 W/(m·K)[10]。添加碳化硅后的改性莫來石陶瓷導熱性能大幅提升，常溫下導熱系數由1.0～1.5 W/(m·K)提高至7～8 W/(m·K)，并且陶瓷材料機械強度進一步提高，摩擦系數有所降低。因此，新型陶瓷空氣預熱器的制作材料選用改性莫來石陶瓷材料。

2.2 蜂窩間壁式結構

陶瓷材料是一種韌性較差的脆性材料，其脆性由物質的化學鍵合作用和顯微結構所決定，受到外加負荷作用極易產生裂縫、斷裂和破碎現象[9]。從結構形式上看，陶瓷制成的新型空氣預熱器可以采用管式和蜂窩間壁式。管式空氣預熱器的換熱管長度較長(可達數米以上)，管徑較小(只有幾十毫米)，陶瓷制成的換熱管抗彎強度不足，由于溫差的變化，在使用過程中易產生應力變形而發生斷裂，進而影響空氣預熱器的長周期運行。蜂窩間壁式換熱芯體由若干塊長方體形陶瓷塊堆疊而成，陶瓷塊沿縱向與橫向加工出若干排相互垂直的孔道作為流體的流道，煙氣和空氣通過不同的流體流道進行熱量交換。陶瓷塊通過特制粘結劑組成整體的蜂窩間壁式陶瓷芯體結構，其熱強度要明顯高于陶瓷管式空氣預熱器[11]。從運行的可靠性考慮，陶瓷空氣預熱器應采用承壓能力強、耐溫性高的蜂窩間壁式結構。

在陶瓷空氣預熱器研制階段，利用CFX模擬軟件對陶瓷空氣預熱器的換熱流道直徑、排列方式等進行了模擬優化，從中優選出結構更好的空氣預熱器。根據模擬優化結果，研制了一臺熱負荷為30 kW的陶瓷空氣預熱器進行熱態試驗。陶瓷空氣預熱器采用煙氣單回程、空氣雙回程的結構形式，見圖1。

圖1 陶瓷空氣預熱器結構示意

3 熱態試驗

進行了多種工況的熱態試驗及測試，每種工況下空氣預熱器運行穩定后，每隔10 min記錄測試數據1次，每個工況測量3次，取平均值作為計算數據。

3.1 試驗條件

(1)換熱介質：煙氣、空氣；燃料：城市管道天然氣。

(2)陶瓷空氣預熱器設計熱負荷Q：30 kW；換熱面積：16.5 m2。

(3)高溫煙氣溫度：120～300 ℃；低溫煙氣溫度：70～200 ℃；熱空氣溫度：50～150 ℃。

(4)陶瓷芯體尺寸：950 mm×800 mm×770 mm。

(5)離心風機參數：全壓3 500～3 700 Pa，流量3 800～4 000 m3/h。

(6)風道直徑：DN300；煙囪高度：10 m。

3.2 熱態試驗工藝流程

陶瓷空氣預熱器熱態試驗工藝流程如圖2所示。常溫空氣從1號風機進入煙氣發生器，一部分作為助燃風從煙氣發生器前端進入，與進入煙氣發生器的天然氣混合燃燒產生高溫煙氣；另一部分空氣作為冷卻用風，從煙氣發生器中部進入冷卻高溫煙氣，使煙氣發生器出口煙氣溫度保持在試驗所需的范圍。煙氣發生器產生的120～300 ℃的煙氣從陶瓷空氣預熱器的煙氣流道進入，與進入空氣預熱器空氣流道的空氣換熱，溫度降低后由煙囪排出。常溫空氣從2號風機進入空氣預熱器與煙氣換熱，溫度升高后排向大氣。

圖2 陶瓷空氣預熱器熱態試驗流程示意

3.3 熱態試驗結果分析

3.3.1 傳熱特性及阻力特性分析

(1)煙氣側孔流速對空氣預熱器的影響

圖3是空氣側孔流速一定時，空氣預熱器換熱系數及煙氣側壓力降隨煙氣側孔流速變化的曲線。隨著煙氣側孔流速的增大，換熱系數及煙氣側壓力降隨之增大，這是因為煙氣側孔流速增大，流體的湍流強度和換熱能力隨之增強，煙氣側內膜傳熱系數隨之增大，空氣預熱器換熱系數就隨之增大。由于流體的阻力與孔內流速的平方成正比，因此煙氣側壓力降隨孔流速增大呈指數的關系增大。

圖3 煙氣側孔流速對空氣預熱器的影響

從圖3可以看出，煙氣側孔流速小于13.5 m/s時，換熱系數增大趨勢較大，此區域空氣預熱器的換熱系數較低，換熱能力不足,并且流速越低，煙氣側孔道易出現積灰結垢現象。因此，從空氣預熱器傳熱和積灰的角度考慮，煙氣側孔流速應大于13.5 m/s。當煙氣側孔流速大于16 m/s時，空氣預熱器換熱系數增大趨勢較為平緩，此時煙氣側壓力降為450 Pa，壓力降較大。繼續增大孔流速，壓力降增加較多，而換熱系數增加較小，空氣預熱器運行經濟性降低，同時，工業應用中，受限于風機全壓的制約，煙氣側壓力降不應過高。綜合耗能、磨損及工業實際，空氣預熱器不宜選擇較高的孔流速，煙氣側孔流速不大于16 m/s較為適宜。綜上所述，煙氣側孔流速選為13.5～16 m/s，此時空氣預熱器的壓力降為250～450 Pa，換熱系數為27～31 W/(m2·K)。

(2)空氣側孔流速對空氣預熱器的影響

煙氣側孔流速一定時，空氣預熱器換熱系數及空氣側壓力降隨空氣側孔流速的變化曲線如圖4所示。隨著空氣側孔流速的增大，換熱系數和空氣側壓力降都隨之增大。從圖4可以看出，空氣側孔流速小于15 m/s時，換熱系數增大趨勢較快，空氣預熱器換熱系數較低，為提高空氣預熱器換熱能力，空氣側孔流速應大于15 m/s。當空氣側孔流速大于18 m/s時，換熱系數增大趨勢平緩，空氣側壓力降增大趨勢明顯；繼續增大流速會產生較大的阻力，而換熱系數增加較小，空氣預熱器經濟性降低。為提高空氣預熱器整體換熱性能，根據煙氣側及空氣側的換熱面積，對煙氣側和空氣側的流速進行優化匹配，要求空氣流速不大于18 m/s。綜上所述，空氣側孔流速選為15～18 m/s時，空氣側壓力降為400～710 Pa，空氣預熱器換熱系數為27～31W/(m2·K)。

圖4 空氣側孔流速對空氣預熱器的影響

3.3.2 空氣預熱器的耐溫性和密封性

陶瓷空氣預熱器熱態試驗總共進行了4個多月，煙氣入口溫度為120～300 ℃，煙氣出口溫度為70～200 ℃。試驗過程中空氣預熱器無腐蝕、破碎、彎曲及變形等現象，說明陶瓷空氣預熱器具有良好的耐蝕性能、耐溫性能和抗冷熱伸縮變形能力，能夠滿足深度回收煙氣余熱的要求。

試驗過程中，對陶瓷空氣預熱器殼體外壁的散熱損失、進出口煙氣流量和氧含量進行了測試，結果見表1。從表1可以看出，空氣預熱器表面散熱損失較小，僅為煙氣傳熱量的2.78%。運行過程中空氣預熱器煙氣進出口的質量流量及氧含量未發生變化，也沒有出現吸氣、漏風等現象，表明陶瓷空氣預熱器的密封性能良好。

表1 陶瓷空氣預熱器表面散熱損失

4 結 論

(1)改性莫來石陶瓷具有良好的耐腐蝕性能、較好的導熱性能且價格低廉。由其制成的蜂窩間壁式空氣預熱器結構強度高，可以抵御煙氣低溫露點腐蝕，適用于深度回收加熱爐煙氣低溫余熱。

(2)熱態試驗表明，陶瓷空氣預熱器具有良好的傳熱性能和阻力特性。在適宜孔流速下，空氣預熱器壓力降能夠滿足工業應用的要求，換熱系數為27～31 W/(m2·K)，能夠有效回收煙氣低溫余熱。

(3)熱態試驗表明，陶瓷空氣預熱器具有良好的耐溫性能和密封性能，運行過程中沒有出現破碎、變形、吸氣及漏風等現象，可安全穩定運行在煙氣露點以下。