加熱爐空氣預(yù)熱器底部積水原因分析及對策

尹志煒

（中國石化海南煉化公司，海南洋浦578101）

在石油化工裝置中加熱爐的能耗占比最多，所以提高加熱爐熱效率可提高企業(yè)競爭力。空氣預(yù)熱器的應(yīng)用將有效降低加熱爐的排煙溫度，回收煙氣熱量。但隨著排煙溫度的降低，不僅造成空氣預(yù)熱器、風(fēng)機、煙囪的低溫露點腐蝕，同時其排出的酸性水也將帶來環(huán)保方面的問題。

1 裝置加熱爐系統(tǒng)簡介

國內(nèi)沿海某公司化工裝置加熱爐均采用大型方箱爐設(shè)計。其中2臺加熱爐共用1套余熱回收系統(tǒng)，加熱爐的設(shè)計熱負(fù)荷分別為168 MW和12 MW，共設(shè)置72臺低NOx氣體燃燒器，設(shè)計熱效率為94%，設(shè)計排煙溫度不大于95℃。

余熱回收系統(tǒng)的空氣預(yù)熱器分為高溫段空氣預(yù)熱器和低溫段空氣預(yù)熱器，其中高溫段采用板式空氣預(yù)熱器，低溫段采用鑄鐵雙向翅片預(yù)熱器。鑄鐵雙向翅片空氣預(yù)熱器采用特殊鑄鐵材質(zhì)制造，因其板片雙面具有翅片，比表面積大，故該空氣預(yù)熱器具有良好的傳熱性能。因其低溫腐蝕速率較小，其抗露點腐蝕能力較好，可進一步降低排煙溫度，提高加熱爐熱效率[1]。

2 空氣預(yù)熱器底部積水原因分析

在傳統(tǒng)加熱爐中，為減少露點腐蝕，排煙溫度一般為120℃以上，煙氣中的水基本是以水蒸汽的形式通過煙囪排入大氣。而排煙溫度是影響加熱爐熱效率的主要指標(biāo)之一，當(dāng)加熱爐的熱效率在90%左右時，排煙熱損失占總熱損失的70%~80%[2]。較高的排煙溫度必然導(dǎo)致熱效率下降，為提高加熱爐熱效率，充分回收煙氣熱量，該裝置加熱爐設(shè)置了高溫空氣預(yù)熱器和低溫空氣預(yù)熱器。

因該廠加熱爐燃料氣硫含量較低，經(jīng)測定煙氣露點溫度為85℃以下，日常加熱爐排煙溫度一般控制在95℃左右，故該加熱爐空氣預(yù)熱器不應(yīng)該存在嚴(yán)重的露點腐蝕，且空氣預(yù)熱器底部排水管線的排水量應(yīng)該不大。但隨著加熱爐的運行發(fā)現(xiàn)低溫空氣預(yù)熱器底部排水管線的排水量很大，且因為煙道內(nèi)為負(fù)壓，壓力大概為-3 000 Pa，而排水口直接排往大氣，故至少有大約300 mm的水柱在排水管內(nèi)無法排除。低溫空氣預(yù)熱器底部排水管線管徑為DN40，管徑偏小，在排水口處可觀察到部分鐵銹，可知低溫空氣預(yù)熱器底部存在腐蝕，鐵銹造成了排水口部分堵塞，空氣預(yù)熱器底部存在積水。

進一步觀察余熱回收系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)引風(fēng)機入口相鄰的3個煙氣溫度測點的測量值偏差非常大。為消除氣溫影響，取24小時溫度測量值，變化趨勢見圖1。

由圖1可知，引風(fēng)機入口相鄰的溫度測點A和C的溫度明顯低于溫度測點B的溫度，有40℃左右偏差，但其現(xiàn)場的實際位置很近，經(jīng)確認(rèn)該溫度測點真實，為找到引風(fēng)機入口溫度偏差較大的原因，對整個加熱爐余熱回收系統(tǒng)進行分析，加熱爐余熱回收系統(tǒng)流程見圖2。

圖1 引風(fēng)機入口溫度

由圖2可知，高溫?zé)煔鈴募訜釥t對流段出口經(jīng)煙道進入高溫空氣預(yù)熱器，經(jīng)高溫空氣預(yù)熱器換熱后，分左右兩路進入低溫空氣預(yù)熱器，而冷風(fēng)也是分兩路進入低溫空氣預(yù)熱器，這樣就將低溫空氣預(yù)熱器分成了4個區(qū)域。因1區(qū)和3區(qū)先與冷風(fēng)換熱，而與2區(qū)和4區(qū)換熱的冷風(fēng)被1區(qū)和3區(qū)加熱過，故3區(qū)出口的煙氣溫度必然要大幅低于4區(qū)出口的煙氣溫度，且煙氣入引風(fēng)機的煙道過短，煙氣未充分混合便被送至煙囪。由圖2可知溫度測點A和C更靠近3區(qū)出口的煙氣，而溫度測點B更靠近4區(qū)出口的煙氣，故溫度測點A和C明顯低于溫度測點B的測量值，而95℃的排煙溫度存在失真，并不能反映空氣預(yù)熱器的運行情況。為更直觀地觀察3區(qū)和4區(qū)的溫度，查看了位于3區(qū)和4區(qū)內(nèi)壁溫度測點的溫度，見圖3。

圖2 加熱爐余熱回收系統(tǒng)流程

圖3 空氣預(yù)熱器內(nèi)壁溫度

由圖3可知，溫度測點A和B的測量溫度明顯低于溫度測點C和D的測量溫度，根據(jù)現(xiàn)場實際位置可以判斷溫度測點A和B處于3區(qū)，C和D處于4區(qū)。因為溫度測點A和B的測量值只有50℃左右，故可以判斷該區(qū)存在低溫露點腐蝕，煙氣中的水蒸汽大量冷凝成水，隨著冷凝水的積累造成了空氣預(yù)熱器底部的積水及排水量較大的問題。

3 空氣預(yù)熱器底部積水的對策

3.1 低溫空氣預(yù)熱器露點腐蝕對策

低溫空氣預(yù)熱器因為其結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的問題不可避免的存在不同程度的露點腐蝕，在保留原有金屬空氣預(yù)熱器材質(zhì)的前提下，可以通過優(yōu)化低溫空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)來減少露點腐蝕的發(fā)生。根據(jù)加熱爐送風(fēng)量的不同有兩種優(yōu)化方案，見圖4和圖5。

圖4 低溫空氣預(yù)熱器優(yōu)化方案一

圖5 低溫空氣預(yù)熱器優(yōu)化方案二

如圖4所示，當(dāng)加熱爐的用風(fēng)量比較大時，可將低溫空氣余熱器分為上下兩個小的空氣預(yù)熱器模塊，并使區(qū)域1和區(qū)域2出口的煙氣進行交叉，以此來提高區(qū)域3的換熱溫度，減少區(qū)域3的露點腐蝕，同時降低區(qū)域4的煙氣溫度，以增加該區(qū)域的換熱效果，使整體排煙溫度更均勻，同時避免局部溫度過低的情況。

如圖5所示，當(dāng)加熱爐用風(fēng)量比較小時，可采用空氣多管程換熱，圖中為雙管程，也可根據(jù)實際情況調(diào)整為三管程。但要注意采用多管程的空氣預(yù)熱器將使風(fēng)道的橫截面積減小，若風(fēng)道橫截面積不能滿足加熱爐的用風(fēng)需求，則不宜采用這種方案。

但無論采用方案一還是方案二，都無法完全避免露點腐蝕，因為在冷風(fēng)剛進入空氣預(yù)熱器與煙氣接觸換熱時，煙氣溫度突然降低，煙氣中的水被冷凝，不可避免的在冷風(fēng)進入的一側(cè)形成輕微的露點腐蝕。故可采取將空氣預(yù)熱器做成模塊化的方式，如將區(qū)域1、2、3、4做成完全一樣的模塊，大檢修時對四個模塊進行檢查，將腐蝕嚴(yán)重的模塊與腐蝕程度較輕的模塊進行替換對調(diào)，從而延長整個空氣預(yù)熱器的運行周期。

3.2 低溫空氣預(yù)熱器底部積水對策

低溫段空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)無論怎么優(yōu)化，都不可避免的產(chǎn)生一部分水，而這部分水是酸性溶液，其pH值一般為3~5。若是直接將產(chǎn)生的酸性廢水排放，不僅造成地下管線的腐蝕，也將造成環(huán)境的污染。故需要對空氣預(yù)熱器產(chǎn)生的廢水進行處理，以達(dá)到減緩設(shè)備、管線的腐蝕，保護環(huán)境的目的。酸性水處理流程見圖6。

圖6 酸性水處理工藝流程

設(shè)置集液罐與壓力平衡線，使集液罐內(nèi)的壓力與煙道的壓力平衡，都處于負(fù)壓狀態(tài)，酸性水則通過重力作用流入集液罐內(nèi)，同時設(shè)置堿液罐對酸性水進行中和，經(jīng)過中和使低溫空氣預(yù)熱器底部產(chǎn)生的水達(dá)到排放條件，送至污水處理系統(tǒng)進行統(tǒng)一處理。這樣既能防止空氣預(yù)熱器底部產(chǎn)生積水導(dǎo)致引風(fēng)機和煙囪的腐蝕，又能防止酸性水的排放污染環(huán)境。

3.3 空氣預(yù)熱器新材質(zhì)的應(yīng)用

空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、空氣流體分配等手段只能減少并延緩其腐蝕，并不能徹底解決露點腐蝕問題。為徹底解決空氣預(yù)熱器的低溫露點腐蝕問題，可考慮應(yīng)用一些非金屬材料，例如玻璃管、搪瓷、石墨、改性莫來石陶瓷等。玻璃管空氣預(yù)熱器成本低廉，耐腐蝕性強，但導(dǎo)熱系數(shù)低、強度較差，同樣的排煙溫度，空氣預(yù)熱器的體積比較大[3-4]。搪瓷空氣預(yù)熱器導(dǎo)熱系數(shù)與剛管相當(dāng)，有一定的耐腐蝕性能，但容易發(fā)生管壁腐蝕損壞的情況[4]。石墨空氣預(yù)熱器有較強的耐腐蝕能力和導(dǎo)熱系數(shù)，但機械強度較低，在應(yīng)用中容易斷裂[4-6]。改性莫來石陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)良，耐腐蝕能力強，造價較低，目前已有工業(yè)應(yīng)用[7]。

4 結(jié)論

加熱爐低溫空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與酸性水處理方案可有效延緩露點腐蝕，解決空氣預(yù)熱器底部積水問題，杜絕酸性水對環(huán)境的污染。但隨著加熱爐熱效率的提高，較低的排煙溫度已成為大勢所趨。這對加熱爐空氣預(yù)熱器的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、流體分配提出更高的要求。在較低的排煙溫度下，所產(chǎn)生的酸性水往往容易被忽視，而引發(fā)環(huán)保問題，如何進一步利用并處理好空氣預(yù)熱器底部酸性水是需要進一步探索的問題。