板管式空氣預熱器在柴油加氫加熱爐中的應用

摘 要 論述某項目中采用的板管式金屬-玻璃空氣預熱器技術原理、設計計算和運行分析，從理論和實踐兩方面論證該新型空氣預熱器工藝結構特點和設備性能表現。

關鍵詞 加熱爐 空氣預熱器 板管 玻璃

中圖分類號 TQ054 " 文獻標志碼 A " 文章編號 0254?6094（2024）04?0596?05

空氣預熱器是石化裝置中加熱爐余熱回收系統的主要設備，該設備利用加熱爐煙氣的余熱加熱助燃空氣，通過低溫空氣回收加熱爐外排煙氣的熱量，降低最終的排煙溫度，減少排煙損失，從而提高加熱爐的效率［1］。理論上，排煙溫度越低即回收煙氣余熱越多，加熱爐的熱效率就越高，但在實際生產過程中，加熱爐排煙溫度受到多種因素的限制，并不能隨意降低，且由于煙氣中含有硫氧化物，煙氣溫度低于其酸露點時，極易發生腐蝕，影響設備的使用壽命。目前常見的空氣預熱器包括列管式、熱管式、鑄鐵式及薄板式等，由于所用金屬材料性能的限制，它們都無法徹底解決煙氣酸露點腐蝕問題。

某項目新建的100萬噸/年催化柴油加氫裝置中采用了新型的板管式金屬-玻璃組合空氣預熱器，通過煙氣高溫段金屬板管與煙氣低溫段玻璃板管結合的方式，有效地解決了低溫下的酸露點腐蝕問題，筆者從理論和實踐兩方面論證該新型空氣預熱器工藝結構特點和設備性能表現。

1 板管式空氣預熱器簡介

1.1 板管式空氣預熱器的基本原理

板管式空氣預熱器的結構原理是結合板式空氣預熱器壓力降低、結構緊湊、傳熱效率高以及管式空氣預熱器換熱元件獨立、易更換、易維護的特點，將特殊的扁管式結構換熱元件組成管束式整體設備，使之兼具二者的優點［2，3］。板管式空氣預熱器抗腐蝕的原理是根據煙氣溫位差異，結合金屬板管與玻璃板管的材料性能特點，在煙氣高溫段設置金屬板管、在煙氣低溫段設置玻璃板管，實現全溫度段差異化的換熱、防腐蝕需求。在具體設計方案中，高溫段采用金屬材質，提高傳熱效率，低溫段可能出現酸露凝結的部分則采用抗腐蝕的玻璃材質以抵抗低溫酸腐蝕。

1.2 板管式空氣預熱器結構特點

板管式空氣預熱器集中了管式與板式空氣預熱器的優點，設備層面上板管呈現類似于管式預熱器的矩陣式排列，元件層面上板管具有板式預熱器的層板結構（圖1）。在高溫段的金屬換熱模塊中，每一個板管兩端焊接在管板上，使每一個板管構成獨立的換熱單元。檢修維護時只需對單個有問題的換熱板管進行更換或封堵，無需拆除整個換熱模塊，檢修維護方便，利于裝置長周期高效運行。

煙氣低溫段換熱模塊所用的換熱元件結構形式與高溫段的相同，區別在于換熱元件采用玻璃材質，除了發揮其優異的抗腐蝕特性外，玻璃表面光滑、不易附著灰塵，還可避免表面積灰結垢。

1.3 板管式空氣預熱器工藝性能

在層流流動條件下，邊界層內流體流動方向與熱流方向幾乎垂直，此時流動不能起到強化傳熱的作用，邊界層成為熱阻的主要來源［4］。因此，需要控制換熱元件截面長寬比，使板管內流體邊界層盡量薄，同時滿足構造要求。板管式空氣預熱器的換熱元件截面長寬比設定在15～40范圍內，板管平直側壁面面積占整支板管換熱面積的90%～95%。每個流道截面與板式空氣預熱器的流道形狀基本相同，通過密集布置板管，增大傳熱面積，實現與板式空氣預熱器接近的換熱面積體積比。當板管式空氣預熱器的結構設計為純逆流形式時，其換熱元件的換熱系數高于交錯流板式空氣預熱器，壓力降則更低。此結構還可以減少空氣預熱器彎頭箱的數量，減少空氣擾流，使氣流在板管平直側壁面之間流動，呈活塞流，流動阻力小，壓力降低。

2 板管式空氣預熱器設計

2.1 裝置概況

某項目中新建的100萬噸/年催化柴油加氫裝置現場空氣濕度大、燃料硫含量高，對室外運行設備的環境適應性、耐酸露點腐蝕性要求較高。

設計空氣預熱器如圖2所示。空氣預熱器設置了3個碳鋼高溫模塊和1個玻璃低溫模塊，設計使得空氣預熱器高溫段換熱元件壁溫遠高于煙氣酸露點溫度，確保預熱器高溫段不發生露點腐蝕。空氣預熱器低溫段選用抗露點腐蝕的耐熱玻璃制成換熱元件，以解決煙氣低溫酸露點腐蝕問題。在預熱器底端設計了冷凝水排放口，可以及時將產生的酸性冷凝液排出預熱器。

2.2 工藝核算數據

2.2.1 板管式空氣預熱器的換熱系數

板管是板管式空氣預熱器的關鍵元件，其結構形式是影響綜合傳熱系數和換熱效率的關鍵因素。由于換熱元件兩側均是微正壓氣相介質，管內外的換熱系數應該均衡設計，如果一側換熱系數的增強，削弱了另一側換熱系數，增加了阻力損失，反而對傳熱和阻力損失有不利影響［5］。

板管式空氣預熱器的總傳熱系數K描述如下：

K=1/（1/h+δ/λ+1/h） （1）

式中 h、h——板管內、外側表面熱交換系數，

W/（m2·℃）；

δ——管壁厚度，m；

λ——管壁導熱系數，W/（m·℃）。

計算板管式空氣預熱器總傳熱系數需要用到對流換熱系數h、h。對流換熱系數需要實驗測定，其測定可以采用壁面溫度測定法、分離法、等雷諾數法及瞬態法等。對于板管式空氣預熱器，同組換熱單元換熱面兩側流體通道幾何相似，兩側流體的流動雷諾數范圍相同或相近，滿足等雷諾法的基本條件，冷、熱通道流體的對流換熱系數可用同一準則方程式描述，如下［6］：

" " " " Nu=CRemPrm （2）

分別用下標1和2表示熱流體和冷流體，可得板管式空氣預熱器的對流換熱系數如下：

" " "h=CRemPr0.3（λ/d） （3）

" " "h=CRemPr0.4（λ/d） （4）

2.2.2 板管式空氣預熱器設計

本項目空氣預熱器工藝設計數據見表1，工藝設計數據中包括額定工況、正常工況和設計工況，并分別給出了煙氣數據和空氣數據，空氣側進口溫度為環境溫度，本項目平均環境溫度為17.9 ℃，采用能量守恒原理進行設計計算。

空氣預熱器的有效換熱面積A計算公式：

A=Q/（K×K×Δtm） （5）

Δt=（ΔT-ΔT）/ln（ΔT/ΔT）

式中 K——傳熱系數，W/（m2·℃）；

K——污垢系數，一般取0.8～0.9；

Q——總換熱量，W；

Δt——對數平均溫差，℃。

3 板管式空氣預熱器運行分析

3.1 空氣預熱器投用

某項目新建的100萬噸/年催化柴油加氫裝置加熱爐空氣預熱器采用的板管式空氣預熱器含有玻璃板管式空氣預熱器。玻璃板管空氣預熱器開工方法不同于常規金屬材質空氣預熱器的方法，加熱爐運行正常后，打開空氣路鼓風機，引導空氣進入預熱器，空氣正常通入后，打開煙氣路引風機，引導煙氣進入預熱器，檢測煙氣進口溫度、出口溫度和空氣進口溫度、出口溫度，運行正常后緩慢打開溢流口閥門，根據溢流口出水量大小來調整溢流口閥門的開度。

空氣預熱器投用并運行平穩后，進行數據采集，匯總數據列于表2，加熱爐實際運行參數與設計參數有較大差異，從運行情況看，煙氣出口溫度132.9 ℃，沒有達到設計要求。利用實測數據進行熱平衡核算，發現導致上述問題可能是由于空氣旁路漏風所致，計劃在裝置停爐檢修時更換密封性能更好的空氣旁路密封擋板。

3.2 長周期運行能力驗證

裝置運行一周期后，停爐檢修，進入預熱器內部可見空氣預熱器低溫段如圖3所示，空氣預熱器內沒有發現玻璃換熱元件破損、玻璃換熱元件煙氣側未出現腐蝕現象，僅在煙氣側有少量浮灰，但基于煙氣側壓力降在整個運行周期內沒有明顯變化的事實，判斷煙氣側浮灰對空氣預熱器運行沒有影響。檢修時更換了風道旁路擋板。

裝置檢修完畢后，投用空氣預熱器，并對數據進行二次采集列于表3，可以看到，煙氣出口溫度為103.6 ℃，經過熱平衡核算，空氣預熱器運行數據達到并超過設計要求，實現了良好的節能效果，加熱爐效率為93.6 %。其中空氣預熱器煙氣進口氧含量為3.5vol.%，煙氣出口氧含量仍然為3.5vol.%，表明空氣預熱器密封良好，實現了零泄漏。

4 結束語

通過對某項目中新建的100萬噸/年催化柴油加氫裝置中加熱爐使用的板管式金屬-玻璃組合空氣預熱器應用情況的分析研究，表明新型板管式空氣預熱器有效解決了低溫露點腐蝕難題，空氣與煙氣之間無泄漏，換熱效率高，檢修維護方便，較好地實現了裝置長周期安全高效運行的要求。加熱爐空氣預熱器采用金屬和非金屬材質組合的設計思路，為加熱爐節能增效提供了借鑒，具有推廣應用價值。

參 考 文 獻

［1］ 錢家麟，于遵宏，李文輝，等.管式加熱爐［M］.2版.北京：中國石化出版社，2003：25-29.

［2］ 張小筠，陳韶范.板式空氣預熱器的應用及優化設計［J］.石油化工設備技術，2011，32（3）：31-34.

［3］ 王禮建，任承欽，林清明，等.熱管空氣預熱器在動力工業爐中的應用與分析［J］.湖南大學學報，1997，24（5）：50-54.

［4］ 余建平，田有文，宋偉，等.邊界層分離再附著效應對板式換熱器傳熱特性的影響［J］.化工機械，2023，50（4）：488-492.

［5］ 李仕黛，譚江峰，夏龍平.冷水機組用高效換熱管傳熱及阻力特性試驗研究［J］.化工機械，2022，49（6）：869-873.

［6］ 劉孝根，彭小敏，顧玉鋼，等.板式換熱器不等雷諾數對流換熱系數的計算［J］.石油和化工設備，2012，15（3）：20-22.

（收稿日期：2023-12-18，修回日期：2024-07-14）

Application of Tube?Sheet Air Preheater in Diesel Hydrogenation Furnace

YUAN Cheng?zhi1， LU Juan2

（1. Sinopec Engineering Incorporation； 2. China Special Equipment Inspection amp; Research Institute）

Abstract " In this paper， the technical principle， design calculation and operation analysis of the tube?sheet metal?glass air preheater applied were discussed and its structure characteristics and performance were analyzed theoretically and practically.

Key words " " air preheater， heating furnace， tube?sheet， glass

作者簡介：袁成志（1984-），高級工程師，從事石油化工工業爐設計工作。

通訊作者：盧娟（1984-），工程師，從事壓力容器設計與制造工作，juanalu@vip.sina.com。

引用本文：袁成志，盧娟.板管式空氣預熱器在柴油加氫加熱爐中的應用［J］.化工機械，2024，51（4）：596-599；654.