熱媒自循環(huán)技術(shù)對加熱爐露點腐蝕的防護研究

郜建松，孫志欽，孟慶凱

(中石化煉化工程(集團)股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003)

隨著石化企業(yè)加工原油硫含量的上升，在管式加熱爐余熱回收系統(tǒng)中，煙氣往往在空氣預(yù)熱器、余熱鍋爐等設(shè)備的換熱面上產(chǎn)生強烈的露點腐蝕，甚至在不到一年的運轉(zhuǎn)時間內(nèi)，換熱面就嚴(yán)重腐蝕穿孔，威脅到裝置的安全和穩(wěn)定運行。露點腐蝕已經(jīng)成為煉化企業(yè)加熱爐“節(jié)能減排”的瓶頸。多年來，人們?yōu)榱祟A(yù)防加熱爐的低溫露點腐蝕開展了諸多研究工作，比如開發(fā)抗腐蝕新材料ND 鋼換熱管［1］、在煙氣換熱管表面增加搪瓷涂層［2］以及調(diào)節(jié)空氣流量控制排煙溫度［3］等，但從應(yīng)用的效果來看都受到一定的局限。近年來，無低溫腐蝕的水熱媒技術(shù)開始在一些企業(yè)的加熱爐余熱回收系統(tǒng)中應(yīng)用，取得了良好的效果。但該技術(shù)的熱媒循環(huán)需要動力泵輸送，若有氣阻會造成熱媒水泵不上量，同時該技術(shù)對公用系統(tǒng)配套的熱媒水的穩(wěn)定性要求十分苛刻［4］。

為了進一步提高加熱爐余熱回收系統(tǒng)露點腐蝕的防護技術(shù)，中石化煉化工程(集團)股份有限公司洛陽研發(fā)中心研究開發(fā)了新的加熱爐露點腐蝕防護技術(shù)——熱媒自循環(huán)技術(shù)。

1 熱媒自循環(huán)技術(shù)的基本原理

熱媒自循環(huán)技術(shù)是一種通過密閉系統(tǒng)內(nèi)的熱媒相變過程完成與外界熱量交換的傳熱技術(shù)。熱媒體自循環(huán)系統(tǒng)由熱媒蒸發(fā)器和熱媒冷凝器組成一個熱媒閉路循環(huán)系統(tǒng)(見圖1)。

圖1 熱媒自循環(huán)技術(shù)原理

熱媒一般選用無毒、無害、無腐蝕、造價較低的除氧水，熱媒在熱媒蒸發(fā)器內(nèi)吸收高溫流體的熱量，在降低高溫流體溫度的同時自身蒸發(fā)形成氣相;熱媒蒸汽依靠蒸發(fā)產(chǎn)生的壓力進入熱媒冷凝器將熱量傳給低溫流體，在升高低溫流體溫度的同時自身被冷凝成液體，然后依靠重力再次進入熱媒蒸發(fā)器取熱，依次循環(huán)，從而實現(xiàn)把高溫流體的熱量傳遞給低溫流體的目的［5］。在加熱爐余熱回收系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，高溫流體為對流段排出的高溫?zé)煔?，低溫流體為需要預(yù)熱的燃燒器助燃空氣。熱媒自循環(huán)技術(shù)中熱媒的循環(huán)是依靠冷凝液的位差和重力作用，不需要外加動力，無機械運行部件，提高了設(shè)備的運行可靠性，減少了運營費用。而且熱媒的相變潛熱大，在極小的溫差或等溫下就能迅速地把大量熱量從蒸發(fā)器傳至冷凝器，傳熱速率快，效率高，所以熱媒自循環(huán)傳熱設(shè)備具有體積小、重量輕的特點。

2 試驗裝置

熱媒自循環(huán)技術(shù)在加熱爐余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用的試驗裝置流程見圖2。

圖2 熱媒自循環(huán)煙氣余熱回收系統(tǒng)試驗裝置流程

該系統(tǒng)主要有煙氣發(fā)生器、熱媒蒸汽發(fā)生器、板翅冷凝器、熱媒流量調(diào)節(jié)閥和煙氣溫度比較器等設(shè)備組成，以水為傳熱媒介，建立一個閉式循環(huán)系統(tǒng)。熱媒水吸收從煙氣發(fā)生器過來的高溫?zé)煔獾臒崃亢?，變成蒸汽，依靠蒸發(fā)產(chǎn)生的壓力進入板翅冷凝器，與常溫冷空氣進行熱量交換，蒸汽重新被冷凝成水，靠重力回到熱媒蒸汽發(fā)生器。常溫空氣經(jīng)過預(yù)熱后，溫度升高進入煙氣發(fā)生器助燃。如此循環(huán)將煙氣熱量源源不斷傳給助燃空氣。在熱媒蒸汽發(fā)生器出口和板翅冷凝器進口之間，設(shè)置蒸汽流量調(diào)節(jié)閥，在熱媒蒸汽發(fā)生器出口煙氣管路上設(shè)置煙氣溫度變送器，煙氣溫度變送器和水蒸氣調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖構(gòu)成一個控制調(diào)節(jié)回路。當(dāng)煙氣酸露點溫度的變化超過一定數(shù)值時，比較器將會把煙氣酸露點溫度和煙氣溫度做比較，根據(jù)比較結(jié)果向蒸汽流量調(diào)節(jié)閥發(fā)出開大或關(guān)小的操作信號，通過調(diào)節(jié)蒸汽的循環(huán)流量，達到控制煙氣和助燃空氣之間熱交換量的目的，使加熱爐的排煙溫度始終高于酸露點溫度5～10 ℃，從而在避免熱媒蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生露點腐蝕的前提下，最大限度回收煙氣余熱［6］。熱媒水、助燃空氣和煙氣流程如下:

①熱媒水循環(huán)流程:

熱媒蒸汽發(fā)生器→流量調(diào)節(jié)閥→板翅冷凝器→熱媒蒸汽發(fā)生器。

②空氣流程:

冷空氣→板翅冷凝器→煙氣發(fā)生器。

③煙氣流程:

煙氣發(fā)生器→熱媒蒸汽發(fā)生器→煙囪。

3 結(jié)果與討論

3.1 設(shè)計參數(shù)

熱媒自循環(huán)余熱回收系統(tǒng)試驗裝置的主要設(shè)計參數(shù)見表1，該裝置參數(shù)模擬工業(yè)裝置實際運行參數(shù)設(shè)計。

表1 余熱回收系統(tǒng)試驗裝置的參數(shù)

3.2 運行參數(shù)

熱媒自循環(huán)余熱回收系統(tǒng)試驗裝置的主要運行參數(shù)見表2。

表2 余熱回收系統(tǒng)試驗裝置的運行情況

考慮到換熱面壁溫不均等因素，為了避免熱媒蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生露點腐蝕，一般取排煙溫度比煙氣酸露點溫度高5～10 ℃比較安全［7］。假定隨著加熱爐用燃料氣(油)硫含量的變化，熱媒蒸汽發(fā)生器出口管路上的煙氣酸露點溫度儀檢測值為132 ℃，則熱媒蒸汽發(fā)生器出口煙氣溫度必須在137 ℃以上運行，才能避免熱媒蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生露點腐蝕。煙氣酸露點溫度變化后熱媒自循環(huán)余熱回收系統(tǒng)試驗裝置的主要運行參數(shù)見表3。

表3 煙氣酸露點溫度變化后試驗裝置的運行參數(shù)

3.3 運行分析

從試驗裝置運行參數(shù)看，當(dāng)煙氣酸露點溫度升高，需要熱媒發(fā)生器煙氣溫度相應(yīng)升高時，熱媒循環(huán)調(diào)節(jié)閥減少了熱媒循環(huán)量，煙氣取走的熱量減少，助燃空氣溫度從81 ℃相應(yīng)降低為50 ℃，出口煙氣溫度從132 ℃升高為138 ℃，高于煙氣酸露點溫度6 ℃，從機理上有效避免了熱媒發(fā)生器產(chǎn)生露點腐蝕的可能。同理當(dāng)煙氣酸露點溫度降低，熱媒循環(huán)調(diào)節(jié)閥也會增加熱媒循環(huán)量，使煙氣取走的熱量增加，升高助燃空氣的溫度，從而實現(xiàn)最大限度的節(jié)能。

熱媒水在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)時，水蒸汽的壓力接近于常壓，系統(tǒng)操作運行的安全系數(shù)高?？紤]到測量誤差和減少裝置運行波動等因素，在實際應(yīng)用時，可以在煙氣酸露點溫度變化超過一定數(shù)值時(比如±10 ℃)，再調(diào)節(jié)熱媒循環(huán)量。

4 結(jié)論

研究表明，熱媒自循環(huán)技術(shù)對于加熱爐余熱回收系統(tǒng)防止低溫露點腐蝕是可行的，該技術(shù)利用熱媒的相變作用實現(xiàn)熱媒自循環(huán)和熱交換，利用調(diào)節(jié)熱媒循環(huán)量調(diào)節(jié)熱交換量，具有運行安全穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈活、設(shè)備體積小等優(yōu)點，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］鄭文龍，張清廉.煉制含硫原油設(shè)備選材［J］.石油化工腐蝕與防護，2001，18(6):46-49.

［2］莫廣文.搪瓷管換熱器的工業(yè)應(yīng)用［J］.石油化工腐蝕與防護，2007，24(6):40-42.

［3］王德瑞，張月平.一種可調(diào)節(jié)熱負(fù)荷的熱管式空氣預(yù)熱器［P］.CN200520017588，2006-02-22.

［4］陳齊全，鄒圣武，蔡智，等.水熱媒空氣預(yù)熱器在延遲焦化加熱爐上的應(yīng)用［J］.煉油技術(shù)與工程，2007，37(2):24-27.

［5］莊駿，張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000:99-105.

［6］高躍成，鄭戰(zhàn)利，孫志欽，等.一種避免余熱回收裝置發(fā)生煙氣露點腐蝕的方法［P］.CN101476821A，2009-07-08.

［7］錢家麟.管式加熱爐［M］.北京:中國石化出版社，2003:530.