兩段式空氣預熱器在常減壓蒸餾裝置的應用

(中化泉州石化有限公司,福建 泉州 362103)

加熱爐是煉油企業主要耗能設備，其燃料消耗約占企業總能耗的50%～70%。煉油企業主要通過增設煙氣余熱回收系統來提高加熱爐熱效率，進一步降低燃料消耗?？諝忸A熱器作為煙氣余熱回收系統的核心設備，主要用于加熱爐高溫煙氣與燃燒所用空氣進行熱交換。傳統的空氣預熱器主要有管式預熱器、板式預熱器、熱管式預熱器和水熱媒預熱器等型式。其中管式預熱器維護成本低，但露點腐蝕問題突出；熱管式預熱器傳熱效率高，應用廣泛，但熱管容易發生析氫現象，需要定期再生，而且維修耗時長，成本高；水熱媒預熱器對煙氣溫度適應性強，但流程長，操作復雜[1]；板式預熱器傳熱系數高，占地面積小,而鑄鐵材料的板式預熱器除了具有抗露點腐蝕性能好優點之外，還具有壽命長的優點。

近年來，兩段式空氣預熱器充分利用傳統預熱器的優點，其高溫段選用傳熱效率高的熱管式預熱器，低溫段選用耐露點腐蝕性能好的鑄鐵板式預熱器，以降低排煙溫度，提高加熱爐熱效率，逐漸在國內各煉油企業推廣使用。為進一步探討兩段式空氣預熱器的適用性，在某石化公司12.0 Mt/a常減壓蒸餾裝置余熱回收系統進行兩段式空氣預熱器的應用試驗，進一步考查其使用效果。

1 裝置余熱回收系統

某石化公司12.0 Mt/a常減壓蒸餾裝置3臺加熱爐設計熱負荷高達107 MW。為充分利用加熱爐煙氣余熱，加熱爐配置余熱回收系統。該系統采用兩段式空氣預熱器，其中一臺高溫段煙氣-空氣熱管預熱器，借助管內介質的蒸發和冷凝進行兩管端外表面傳熱；另一臺低溫段鑄鐵雙向翅片空氣預熱器，利用雙面帶強化傳熱翅片的鑄鐵板組成傳熱元件進行交錯間壁式換熱。兩段式空氣預熱器綜合熱管式和鑄鐵板式空氣預熱器的優點，提高了傳熱效率，并設有液力耦合器控制的鼓風機和引風機，充分利用了煙氣余熱。

裝置余熱回收系統流程見圖1。

圖1 余熱回收系統流程

各加熱爐對流段的熱煙氣混合后由下行煙道進入高溫熱管空氣預熱器與空氣換熱后,經熱管預熱器出口熱煙道由煙氣引風機將煙氣引入低溫段鑄鐵預熱器，與空氣換熱后通過冷煙道進入100 m鋼筋混凝土煙囪排放。冷空氣由空氣鼓風機送入鑄鐵式雙向翅片空氣預熱器與熱煙氣換熱，換熱后的熱空氣進入熱管式空氣預熱器，與熱煙氣換熱后由熱風道供3臺加熱爐爐底燃燒器燃燒使用。兩段式空氣預熱器技術參數見表1。

表1 兩段空氣預熱器技術參數

2 兩段式空氣預熱器

2.1 結構特點

高溫段空氣預熱器換熱管采用鎳基釬焊翅片管，在煙氣最高溫度小于300 ℃的中溫部位熱管，其內部介質為蒸餾水；煙氣最高溫度高于300 ℃的高溫部位熱管，其內部介質采用精萘。中間管板與熱管元件連采取了可靠的密封措施，避免空氣泄漏到煙氣中，并且保證了熱管能方便地拆卸及重新安裝,結構見圖2。為了防止管板在長期使用后產生變形，中間管板厚度大于40 mm。

鑄鐵板式空氣預熱器由多個換熱單元和支撐鋼構件組成，一個換熱單元由兩塊雙向鑄鐵翅片組合成(見圖3)。換熱單元之間的密封面通過柔性墊片及密封膠固定在預熱片周邊的密封面上，由螺栓擰緊，避免空氣與煙氣混合，其整體泄漏率小于1%。鑄鐵板片具有較高的耐熱振性，能適應加熱爐的各種工況，并通過冷熱交替循環檢驗，保證設備安全和運行穩定。換熱單元在鑄造熔煉的過程中，控制鐵水的熔煉，包括測量溫度、爐前分析和金相檢驗等。冶煉過程中，充分去除鐵水中夾雜物和氣體，避免鑄件產生超標氣孔和夾渣等鑄造缺陷。采用樹脂砂工藝造型，延長鑄件使用壽命。

圖2 熱管式空氣預熱器結構

圖3 鑄鐵板式空氣預熱器結構

2.2 換熱效率

高溫段的熱管式預熱器熱管內工質是在真空狀態下進行相變傳熱，汽化潛熱大，而且實現空氣側和煙氣側的表面翅化，換熱面積高達15 205 m2，傳熱效率高，傳輸能力大[2]。

低溫段鑄鐵板式預熱器采用間壁式換熱和立式布置，比表面積大，煙氣自上而下垂直直線流動，不易積灰且便于沖洗，空氣水平流動，與煙氣流動方向垂直，有利于提高換熱效率；翅片結構和排布情況使氣流分布均勻，有利于均勻傳熱。

2.3 安裝及維修

低溫段鑄鐵板式空氣預熱器的換熱單元采用模塊結構(見圖4)。將多片雙向翅片鑄鐵板密封連接起來形成一個魔方立體模塊，然后整體組裝成型[3]。結構模塊化，方便運輸。

圖4 空氣預熱器模塊化結構

兩段預熱器結構上設置有檢修人孔，以方便檢修和維護。低溫段鑄鐵板式預熱器配置水沖洗接口，換熱單元之間具有較大的流動空間，煙氣和空氣兩側的鑄鐵板雙向翅片與氣體流動方向一致，在強化傳熱的同時，又能有效降低流動阻力，便于清洗換熱單元積垢。

對于熱管式預熱器高效傳熱元件來說,當金屬過熱或者低溫腐蝕等原因損壞時，可打開管箱上部端蓋，通過上部吊環將損傷熱管抽出，更換新的熱管，且可以單獨一根根進行抽裝，方便檢修。

通過分析預熱器煙氣側的壓力降變化，判斷積灰情況，可以將預熱器抽出來進行清洗。低溫段預熱器在煙氣出口短節最低點設置排水結構，實現實時排水；內保溫襯里設計為防沖刷結構；高溫段預熱器在箱體底部設置排水法蘭，也便于清洗排污。

2.4 耐腐蝕性能

低溫段空氣預熱器的換熱元件采用低合金鑄鐵鑄造，為雙面翅片板，翅片基板厚度為6 mm，雙面翅片與基板一次性整體鑄造。鑄鐵含有珠光體組織和游離碳，游離碳耐大部分的腐蝕介質[4]，阻止酸對金屬的腐蝕，延緩露點腐蝕進程；同時，添加了微量的合金元素，具有優異的耐酸腐蝕、耐磨和耐高溫性能。當金屬壁溫度較低時，可調節旁通風道擋板，以提高煙氣出低溫段預熱器溫度及金屬壁溫度，緩解煙氣側部件發生露點腐蝕。

在煙氣流動方向末端高溫段空氣預熱器的熱管采用了耐硫酸低溫露點腐蝕的ND鋼，鋼號為09CrCuSb,成分和性能見表2。熱管金屬的最低溫度大于露點溫度10～15 ℃。高溫段預熱器中布置了6排ND鋼材質的熱管，共320根，約占熱管總數的14%。

表2 ND鋼管成分及性能

2.5 操 作

預熱器的空氣側入口設置閘板閥,煙氣側入口設置兩位式蝶閥，而且冷風道上設有高溫、低溫旁通風道和旁通蝶閥。根據生產負荷、加熱爐氧含量和排煙溫度情況，通過調節風道旁通蝶閥的開度來控制通過高溫段和低溫段預熱器的空氣旁通量，來調節煙氣的排煙溫度，使其高于露點溫度，防止空氣預熱器發生露點腐蝕，尤其是加熱爐處于低負荷工況下操作。低溫段空氣預熱器需要清洗時，可以單獨將其從余熱回收系統中旁路掉，而高溫段預熱器仍在回收煙氣余熱，對生產運行不會造成波動。如果需要處理余熱回收系統故障，可以通過開啟煙道上的密封擋板同時旁路掉兩段空氣預熱器來實施。

3 應 用

3.1 熱效率

加熱爐燃料為煉油廠自產燃料氣和天然氣，O2質量分數控制在2%～4%，CO質量分數為 0～10 μg/g，以減少不完全燃燒造成的熱損失。正常生產期間可以根據加熱爐爐膛溫度和氧質量分數等參數靈活地調節進爐空氣溫度和排煙溫度。加熱爐設計的排煙溫度為133 ℃，熱效率設計值為92.5%，實際運行過程中排煙溫度可控制在115～120 ℃?？諝忸A熱器及風道均采用巖棉外加鍍鋁鋅板進行外保溫，煙道采用內保溫，材料為輕質澆注料，容重為900 kg/m3，保證了外壁溫度在環境溫度27 ℃無風的情況下小于60 ℃，以減少表面散熱損失。

利用反平衡法計算各裝置加熱爐熱效率(熱效率=1-排煙損失-不完全燃燒損失-散熱損失)，計算結果見圖5。由圖5可以看出，與煤油加氫裝置和加氫裂化裝置的加熱爐熱效率比，常減壓蒸餾裝置加熱爐平均熱效率分別高出 0.82%和1.61%，這是因為煤油加氫裝置和加氫裂化裝置的加熱爐均采用一臺空氣預熱器,其對加熱爐工況適應性相對較差，調節手段少，加熱爐排煙溫度偏高。其中煤油加氫裝置加熱爐排煙溫度平均為138.3 ℃，加氫裂化裝置加熱爐排煙溫度平均為155.7 ℃，排煙損失較大，從而降低了熱效率。

圖5 2018年度加熱爐熱效率對比

3.2 抗露點腐蝕

低溫段板片采用球墨鑄鐵制造，并添加了合金元素，具有優異的耐酸腐蝕性能。高溫段末端約420根熱管采用ND鋼，亦具有耐低溫酸腐蝕性能。裝置運行時的排煙溫度為115 ℃，若低溫段預熱器的排凝口未見冷凝水，可嘗試進一步降低排煙溫度至105 ℃。經過裝置一個運行周期，在首次大檢修時,拆檢發現鑄鐵板片和熱管運行狀況良好，見圖6。圖6表明:低溫段板片具有優異的耐腐蝕性能。

3.3 環保排放

加熱爐煙氣排放情況見表3。從表3中可以看出，加熱爐煙氣中煙塵顆粒物、SO2和NOx等污染物質量濃度均低于環保排放標準，這是因為采用了兩段式空氣預熱器。一方面，加熱爐熱效率提高，進而燃料消耗量減少，煙氣排放量隨之減少，同時將燃燒器更換為低NOx燃燒器，從而減少了排入大氣的煙塵顆粒物、SO2和NOx等污染物；另一方面，進爐空氣溫度提高，爐膛燃燒狀況改善，進而降低了過剩空氣系數，從而有效減少NOx生成量。

圖6 大檢修時鑄鐵板片和熱管整體情況

表3 煙氣環保排放指標mg/m3

3.4 經濟效益

運行結果表明，加熱爐排煙溫度降低至115 ℃時，進加熱爐混合空氣的溫度可超過230 ℃，熱效率可達93.5%，可節約燃料1 205 t/a，如果燃料價格按照3 400元//t計算，年節約成本為409.7萬元，經濟效益顯著。余熱回收系統的鼓風機及引風機均采用液力耦合器節能控制，操作費用可進一步降低。

4 存在問題及應對措施

4.1 熱管式預熱器維修費用較高

裝置大檢修期間，熱管式預熱器的熱管需要進行真空度、啟動和等溫性能等檢測，并進行修復和更換，材料費用高；熱管數量多，檢修過程需要較多起重機臺班，檢修費用高；維修時間長，對整個大檢修的工期造成影響。熱管在高溫狀態下運行，易發生析氫現象[5]，產生的不凝氣聚集在熱管內，影響換熱效果；在修復切割處理時也存在爆燃的風險。

建議將高溫段熱管式空氣預熱器也改為鑄鐵板式空氣預熱器，而且仍采用兩段式結構，進一步降低排煙溫度，回收煙氣余熱，運行和維修費用將大幅度降低。這是因為：一方面，高溫段采用鑄鐵板式預熱器，煙氣出口溫度遠高于露點溫度，不會發生酸露點腐蝕，正常工況下可長期使用；另一方面，鑄鐵板式預熱器有良好的耐磨損和耐高溫性能，因此，裝置大修期間高溫段預熱器不需要拆卸只需通過沖洗口進行水清洗即可，節省維修成本，縮短檢修工期。

4.2 低溫段末端潛在露點腐蝕

常減壓蒸餾裝置加熱爐的燃料氣是煉油廠干氣和減頂氣，仍含有少量硫(體積分數約為0.21%)。為了提高加熱爐熱效率，不斷降低加熱爐排煙溫度，低溫段預熱器的末端與冷空氣換熱過程中，煙氣中的水蒸氣在鑄鐵板外壁冷凝成水，排凝口會出現酸性冷凝水，存在露點腐蝕風險。酸性冷凝水的pH值最低為2，排凝閥閥體易發生腐蝕穿孔。

可以嘗試優化工藝流程，采取在空氣側設置前置預熱器的措施，緩解露點腐蝕問題，具體流程見圖7。

圖7 前置預熱器示意

將煉油廠低溫熱水作為前置預熱器換熱介質，將加熱爐燃燒用風加熱至50 ℃左右，提高空氣進入低溫段空氣預熱器的溫度，從而提高鑄鐵板外壁溫度，以緩解低溫段鑄鐵預熱器的煙氣側末端露點腐蝕問題。

5 結束語

12.0 Mt/a常減壓蒸餾裝置余熱回收系統采用兩段式空氣預熱器，運行良好，換熱效率高、壓力降小和操作靈活，能充分利用加熱爐煙氣余熱，降低了排煙溫度，提高了加熱爐熱效率，從而降低了燃料消耗?？諝忸A熱器耐煙氣低溫腐蝕性能好，使用壽命長。兩段式空氣預熱器結構合理，檢修和維護操作簡便。