耐腐蝕石墨空氣預熱器結構優化研究*

高曉紅,李玖重,孫志欽

(中石化煉化工程集團洛陽技術研發中心，河南 洛陽 471003)

加熱爐是石油化工企業燃料消耗大戶，最大限度地降低其燃料消耗，對節約能源有重要意義。燃料燃燒后的煙氣中含有體積分數達15%～20%的水蒸氣，排煙溫度在煙氣露點(150 ℃)以上時，這部分水蒸氣呈過熱狀態隨煙氣排出，其汽化潛熱得不到有效利用。隨著節能減排的不斷發展，要求加熱爐的排煙溫度越來越低，但過低的排煙溫度，特別是排煙溫度接近或低于煙氣露點時，傳統的金屬材料空氣預熱器換熱面就會受到煙氣中硫酸的侵蝕，即硫酸露點腐蝕。露點腐蝕產生的影響主要有兩方面：一是在空氣預熱器煙氣側產生積灰堵塞，使煙氣阻力增大，增加了風機電耗；二是會造成換熱面腐蝕穿孔損壞，影響加熱爐的安全運行。所以解決空氣預熱器低溫露點腐蝕問題，就成了提高加熱爐熱效率的關鍵。

1 空氣預熱器露點腐蝕

1.1 煙氣冷凝液對材料腐蝕的影響

煉油加熱爐使用的燃料主要是煉油裝置自產副產氣。這些燃料的主要成分是碳氫化合物，也含有硫化物和氮化物，因此，它們燃燒后生成的煙氣中就含有H2O,CO2,NOx和SOx等[1]。當排煙溫度降到煙氣露點以下時，上述各種化合物在冷凝液中生成的主要化學物質為：硫酸、亞硫酸、亞硝酸、硝酸等。由于硫酸的存在，大大提高了煙氣的露點，空氣預熱器壁面容易凝結出硫酸對材料產生嚴重腐蝕。

目前，雖然煉化企業加熱爐燃料均進行了脫硫處理，燃料中的硫含量通常很低，但當燃料脫硫系統出現波動時，燃料中的硫含量就會升高[2]，燃料氣系統中H2S質量濃度達到150 mg/m3。燃料中硫含量越高，煙氣冷凝液中硫酸的濃度也越高。當冷凝液中硫酸濃度達到50%時，對金屬材料的腐蝕速率達到最大值[3]。

1.2 材料溫度對腐蝕速率的影響

換熱面的腐蝕速率與材料的溫度有很大關系。隨著排煙溫度的降低，空氣預熱器換熱面金屬材料的壁溫也將隨之下降。當材料壁溫降低到煙氣露點及露點以下溫度時，煙氣中含酸水蒸氣遇到空氣預熱器冷壁面就會開始冷凝，產生的酸性冷凝液會腐蝕金屬換熱面，造成換熱面破壞[4]。

目前為應對煙氣露點腐蝕對空氣預熱器的影響，已經采取了提高材料等級等措施，如用ND鋼、鑄鐵板及雙相不銹鋼等作換熱元件，這些材料雖然有一定的耐煙氣露點腐蝕的能力，但腐蝕速率仍然較高，無法真正解決空氣預熱器煙氣露點腐蝕問題。

2 石墨空氣預熱器

2.1 石墨材料耐腐蝕性能

石墨是碳的同素異形體，石墨晶體屬六方晶系。在石墨晶體中，碳原子按正六角形排列于各平面上，在每一個平面內，每一個碳原子均和其他三個碳原子以共價鍵連接[5]6。這種共價鍵結合非常牢固，其他化學基團很難取代。這就是石墨材料化學穩定性好，耐腐蝕的根本原因。

石墨燒結成型后，其組織間還有一定的空隙，加入改性酚醛樹脂作為分散液進行浸漬處理，以保證石墨材料的抗滲漏性能。改性酚醛石墨經熱處理后，其耐腐蝕性能見表1[5]12。

表1 改性酚醛石墨耐腐蝕性能

由于加熱爐煙氣冷凝液的主要腐蝕物質是硫酸，而改性酚醛石墨具有優異的抗硫酸腐蝕性能，且石墨還是良好的導熱體，其熱導率最高達110 W/(m·K)，甚至超過了鋼鐵材料[5]15。選擇改性酚醛石墨材料作為耐露點腐蝕空氣預熱器的傳熱芯體材料，來解決由于排煙溫度降低帶來的硫酸露點腐蝕問題是非常合適的。

2.2 石墨空氣預熱器結構形式

石墨材料屬于機械強度和韌性較低的材料。石墨制成的傳熱管抗彎強度不足，易產生應力斷裂，因此傳統的管式空氣預熱器很難用在石墨空氣預熱器上[6]。根據石墨材料可以模壓燒結成型的特點，選擇石墨塊孔式結構作為空氣預熱器的結構形式。石墨塊孔式空氣預熱器是由若干塊長方體型石墨塊經浸漬粘結而成[7]。其傳熱流通面是在石墨傳熱芯體上機械加工出軸向和徑向交叉的圓形孔道，其中一側圓形孔道流通煙氣，另一側圓形孔道則流通空氣，進行間壁換熱。從結構形式上來說，石墨塊孔式空氣預熱器熱強度明顯提高，整體抗壓能力也得到增強，并且這種結構形式也有利于換熱面密封和布置。

3 數值模擬分析方法

3.1 建立石墨空氣預熱器模型

根據石墨材料的特性，空氣預熱器采取煙氣與空氣間壁換熱的塊孔結構，結合工程經驗和熱態試驗，煙氣流程為單回程，空氣流程為雙回程。然后以1∶1的比例，應用Solidworks建立出石墨塊孔式空氣預熱器的模型，如圖1所示。

圖1 石墨塊孔式空氣預熱器立體模型

由于整體石墨空氣預熱器模型作CFX模擬分析需數千萬個網格，為了減少計算量，提高計算效率，實際計算分析時，在不影響可靠性的前提下，所采用的模型為一排空氣孔和一排煙氣孔組成的換熱單元。簡化模型如圖2所示。

圖2 CFX計算簡化模型

3.2 石墨空氣式預熱器數值模擬邊界條件

CFX模擬計算邊界條件設置如下：

(1)煙氣進口面流量0.080 3 kg/s，煙氣進口面溫度150 ℃；

(2)空氣進口面流量0.066 4 kg/s，空氣進口面溫度15 ℃；

(3)石墨摩爾質量12 g/mol，密度1 950 kg/m3，比熱容710 J/(kg·K)，導熱系數110 W/(m·K)；

(4)氣固交界面外的壁面設置為絕熱面。

4 數值模擬結果分析

4.1 空氣預熱器CFX數值模擬計算

為了優化出石墨塊孔式預熱器較優的結構參數，對6種孔徑的石墨空氣預熱器進行了模擬計算[8]。預熱器煙氣進口截面的質量流量為0.080 3 kg/s，空氣進口截面的質量流量為0.066 4 kg/s，模擬的6種布孔方式見表2。

表2 石墨塊孔式預熱器模擬計算的孔徑 mm

4.2 石墨空氣預熱器云圖分析

不同孔徑石墨空氣預熱器換熱及阻力的變化規律基本一致，雙回程是空氣側云圖分布，單回程是煙氣側云圖分布。圖3是空氣預熱器的速度矢量圖，圖4是空氣預熱器溫度場云圖。從圖3可以看出，石墨塊孔芯體孔內流速遠大于預熱器進出口流速及連通段流速，石墨塊孔芯體部位氣體壓力變化較大，決定了空氣預熱器的阻力性能。并在傳熱流道進出口區域存在著負壓回流區域，一定程度上影響了孔內流速的均勻性。從圖4可以看出，隨換熱程度的加深，沿氣體流動方向，煙氣溫度逐漸降低、空氣溫度逐漸升高，特別是在石墨塊孔芯體部位，煙氣和空氣溫度變化劇烈。從圖3和圖4可以看出，石墨塊孔芯體部位是空氣預熱器換熱的主要區域，流道孔徑的分布決定了空氣預熱器的傳熱性能及阻力特性。

圖3 石墨塊孔式空氣預熱器速度矢量

圖4 石墨塊孔式空氣預熱器溫度場云

4.3 空氣預熱器CFX模擬優化分析

6種孔徑預熱器的溫差、孔流速、壓力降及換熱量等模擬結果見表3。

表3 六種孔徑預熱器的模擬結果

從表3中可以看出，在相同的質量流量下，一定體積的石墨塊空氣預熱器，隨著孔徑的增大，煙氣側和空氣側的溫差逐漸減小。壓力降的變化與孔流速的大小有關，一般而言，隨著孔流速的增大，預熱器壓力降逐漸增大。表3中6號預熱器的煙氣側孔流速小于3號預熱器，而其壓力降卻大于3號預熱器。這是因為6號預熱器孔徑小，孔道多，流通孔道多于3號預熱器，盡管孔內流速較小，但預熱器整體的壓力降與流通孔道的多少正相關，故煙氣側壓力降大于3號預熱器。

煙氣側壓力降和流通孔清灰性能是預熱器煙氣側孔徑優化的關鍵因素，在6種孔徑下，煙氣側的壓力降均能滿足運行要求。但根據現有吹灰器的大小，煙氣側的最小孔徑應不小于25 mm。空氣側能耗則是需要考慮的問題，空氣側孔徑小于16 mm時，空氣側的壓力降急劇增大；孔徑為10 mm時，壓力降達到1 138.1 Pa，此時耗能極大，空氣側孔徑不小于16 mm是比較合適的。

從傳熱、耗能及吹灰等綜合角度考慮，最佳結構形式空氣預熱器技術參數見表4。

表4 石墨塊孔式空氣預熱器技術參數

5 結 論

(1)作為空氣預熱器的傳熱芯體材料，改性酚醛石墨具有優異的耐腐蝕性能，可在煙氣露點以下溫度長期使用。

(2)石墨空氣預熱器采用間壁換熱的塊孔結構，增加了空氣預熱器的強度及換熱能力。

(3)綜合傳熱、阻力以及清灰等因素，煙氣側孔徑為25 mm，空氣側孔徑為16 mm的石墨塊孔式空氣預熱器結構性能最優。