新型石墨空氣預(yù)熱器的開發(fā)及應(yīng)用*

孫志欽，李玖重，高曉紅

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

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新型石墨空氣預(yù)熱器的開發(fā)及應(yīng)用*

孫志欽，李玖重，高曉紅

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

低溫露點(diǎn)腐蝕已成為降低排煙溫度、提高加熱爐熱效率的主要障礙，煉油企業(yè)現(xiàn)有的空氣預(yù)熱器在露點(diǎn)溫度以下運(yùn)行很快就會(huì)失效，無法進(jìn)一步回收煙氣余熱。不透性石墨具有耐腐蝕性能強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)大、表面不易結(jié)垢等特性，由其制成的空氣預(yù)熱器特別適用于露點(diǎn)溫度以下的煙氣余熱回收。利用軟件分析及試驗(yàn)優(yōu)化，開發(fā)了新型石墨空氣預(yù)熱器，其換熱性能優(yōu)于一般的鋼管式換熱器。在中石化某分公司600 kt/a重整加熱爐進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，新型石墨空氣預(yù)熱器安全穩(wěn)定運(yùn)行1 a，加熱爐排煙溫度由138.9 ℃降低至93 ℃，解決了低溫腐蝕問題，使加熱爐熱效率提高兩個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到94.2%以上，投資回收期僅為6.2個(gè)月，具有廣闊的應(yīng)用前景。

低溫露點(diǎn)腐蝕 煙氣余熱 不透性石墨 石墨空氣預(yù)熱器

加熱爐是煉油企業(yè)的主要耗能設(shè)備，能耗占煉油綜合能耗的30%～40%。提高加熱爐的效率一直是煉油企業(yè)節(jié)能工作的重點(diǎn)，其中采用空氣預(yù)熱器回收煙氣低溫余熱，降低加熱爐排煙溫度是最主流的節(jié)能手段[1]。

目前煉油企業(yè)加熱爐熱效率為90%～92%，排煙溫度為120～150 ℃，空氣預(yù)熱器已在煙氣硫酸露點(diǎn)臨界溫度運(yùn)行。進(jìn)一步降低排煙溫度，空氣預(yù)熱器會(huì)產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕，已成為煉油企業(yè)提高加熱爐熱效率急待解決的難題。

1 低溫露點(diǎn)腐蝕的機(jī)理

一般燃料油或燃料氣中均含有少量的硫，硫燃燒后全部生成SO2。由于燃燒室中有過量的氧氣存在，所以又有少量的SO2進(jìn)一步再與氧化合形成SO3。在通常的過?？諝庀禂?shù)條件下，全部SO2中約有1%～3%轉(zhuǎn)化為SO3[2]。在高溫?zé)煔庵械腟O3氣體不腐蝕金屬，但當(dāng)煙氣溫度降到400 ℃以下，SO3將與水蒸氣化合生成硫酸蒸氣，溫度越低，SO3的轉(zhuǎn)化率越高。只要煙氣中有超過8%的水分，在煙氣溫度降到205 ℃時(shí)，幾乎99%的SO3轉(zhuǎn)化為硫酸蒸汽[3]。

隨著煙氣溫度降低，當(dāng)溫度降低到硫酸露點(diǎn)溫度(一般為110～160 ℃)時(shí)，硫酸蒸汽就會(huì)在加熱爐尾部受熱面凝結(jié)成硫酸液體，發(fā)生低溫露點(diǎn)腐蝕，使加熱爐尾端換熱設(shè)備積灰堵塞甚至腐蝕穿孔[4]。

2 空氣預(yù)熱器低溫露點(diǎn)腐蝕解決措施現(xiàn)狀

ND鋼(耐硫酸低溫露點(diǎn)腐蝕用鋼)、鑄鐵是煉油企業(yè)目前應(yīng)用較多的耐低溫腐蝕金屬。耐低溫腐蝕的原理是在露點(diǎn)溫度附近，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%左右時(shí)，在金屬表面形成了一層致密且與基體金屬黏附性好的鈍化膜，阻止了酸和水向鋼鐵基體的滲入，保護(hù)了銹層下面的基體[5]。但耐低溫腐蝕鋼只能保證空氣預(yù)熱器在露點(diǎn)溫度附近工作，當(dāng)煙氣溫度低于露點(diǎn)溫度，這些鋼鐵材料就無法抵御煙氣的低溫露點(diǎn)腐蝕，使用壽命就會(huì)大大縮短。進(jìn)入露點(diǎn)溫度的ND鋼，其使用壽命均在半年左右，到目前為止還沒有找出一種可以有效抗低溫露點(diǎn)腐蝕的低合金鋼[6]。

在空氣預(yù)熱器低溫段的金屬外表面涂上非金屬的防腐層是使用非金屬材料的一種方式，比如在熱管式空氣預(yù)熱器、板式空氣預(yù)熱器的低溫段涂上搪瓷、陶瓷、塑料等。盡管非金屬材料的耐低溫腐蝕性能好，但材料與金屬管材的膨脹系數(shù)存在差異，易出現(xiàn)開裂剝落，而且整個(gè)低溫段尤其是細(xì)密的部分容易有微小部位沒有覆蓋上涂層，易失去抵抗低溫露點(diǎn)腐蝕的能力[7]。

3 新型石墨空氣預(yù)熱器

3.1 不透性石墨

不透性石墨是一種由人造石墨及合成樹脂通過浸漬、壓制、澆鑄等方法制成的新型材料。它具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)大部分化學(xué)介質(zhì)耐腐蝕,常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為100～110 W/(m·K)，與銅、鋁相仿，是普通碳鋼2.5倍以上;機(jī)械強(qiáng)度高，能夠承受2 MPa以上的壓力;與大多數(shù)介質(zhì)之間的“親和力”極小，表面不易結(jié)垢[8]。這些優(yōu)良的特性，保證了由其制成的空氣預(yù)熱器可以跨越煙氣低溫腐蝕的障礙，在露點(diǎn)及更低的溫度下工作。

3.2 新型石墨空氣預(yù)熱器的研究

石墨制成的新型空氣預(yù)熱器與煉油企業(yè)的傳統(tǒng)鋼制空氣預(yù)熱器有很大不同，并與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿行業(yè)處理氣-液、液-液換熱的石墨換熱器不同。借鑒石墨換熱器在其他行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選取了承壓能力強(qiáng)、使用溫度高的塊孔式作為新型石墨空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)型式[9]。在研制階段利用CFX(一個(gè)內(nèi)部流動(dòng)分析的數(shù)值模擬軟件)對(duì)石墨空氣預(yù)熱器的換熱流道直徑、長(zhǎng)度、排列方式、數(shù)量等進(jìn)行了優(yōu)化，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度選出石墨空氣預(yù)熱器的最優(yōu)結(jié)構(gòu).

根據(jù)CFX優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)了一臺(tái)熱負(fù)荷為32.8 kW空氣預(yù)熱器進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn),對(duì)新型石墨空氣預(yù)熱器的阻力特性、傳熱性能、耐溫性能及密封性能進(jìn)行了研究.熱態(tài)試驗(yàn)研究表明，在適宜的孔內(nèi)流速范圍，空氣預(yù)熱器的傳熱性能優(yōu)于一般的鋼管式空氣預(yù)熱器。石墨空氣預(yù)熱器的綜合性能可以滿足加熱爐跨越低溫腐蝕障礙，深度回收低溫?zé)煔庥酂岬囊蟆?/p>

4 新型石墨空氣預(yù)熱器的工業(yè)試驗(yàn)

通過數(shù)值模擬優(yōu)化、熱態(tài)試驗(yàn)研究掌握了新型石墨空氣預(yù)熱器的傳熱、阻力和耐溫等性能，研制了一臺(tái)工業(yè)用的石墨空氣預(yù)熱器，在中石化某分公司600 kt/a連續(xù)重整裝置3臺(tái)圓筒爐聯(lián)合余熱回收系統(tǒng)上進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。連續(xù)重整裝置的空氣預(yù)熱器采用兩段組合式，高溫段為熱管，低溫段為搪瓷列管。由于燃料氣硫含量較高，低溫段搪瓷管腐蝕較為嚴(yán)重，出現(xiàn)腐蝕穿孔，空氣串入煙氣，空氣預(yù)熱器處于帶病運(yùn)行，實(shí)際熱效率只有91%左右。工業(yè)試驗(yàn)為了減少改造工程量，保持高溫段熱管不變，利用現(xiàn)有余熱回收裝置中的搪瓷管段位置安裝新型石墨空氣預(yù)熱器試驗(yàn)裝置。

4.1 石墨空氣預(yù)熱器工業(yè)試驗(yàn)流程

石墨空氣預(yù)熱器工業(yè)試驗(yàn)流程見圖1。重整加熱爐煙氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器的溫度為300 ℃，經(jīng)過高溫段熱管空氣預(yù)熱器與空氣換熱后，溫度降低到150 ℃左右進(jìn)入低溫段石墨空氣預(yù)熱器試驗(yàn)，在石墨空預(yù)器中與常溫空氣進(jìn)行換熱，煙氣溫度由150 ℃再降至95 ℃左右后排至煙囪。來自鼓風(fēng)機(jī)的常溫空氣在石墨空氣預(yù)熱器中被加熱至70 ℃左右，再進(jìn)入空氣預(yù)熱器高溫段被繼續(xù)加熱至220 ℃，最后進(jìn)入加熱爐熱風(fēng)系統(tǒng)。

圖1 石墨空氣預(yù)熱器工業(yè)試驗(yàn)流程

4.2 工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)

工業(yè)試驗(yàn)前，對(duì)進(jìn)出600 kt/a連續(xù)重整裝置加熱爐原余熱回收系統(tǒng)的物流參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。新型石墨空氣預(yù)熱器替換原搪瓷管空氣預(yù)熱器，加熱爐正常運(yùn)行半年后，對(duì)該裝置預(yù)熱回收系統(tǒng)的進(jìn)出口物流參數(shù)又進(jìn)行了測(cè)量。通過與工業(yè)試驗(yàn)前的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，研究新型石墨空氣預(yù)熱器的性能。工業(yè)試驗(yàn)前后，加熱爐測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 工業(yè)試驗(yàn)前后加熱爐測(cè)試數(shù)據(jù)

4.3 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果分析

新型石墨空氣預(yù)熱器在600 kt/a連續(xù)重整裝置加熱爐裝置上已平穩(wěn)運(yùn)行一年有余，未出現(xiàn)任何腐蝕、彎曲、破碎、變形等現(xiàn)象，空氣預(yù)熱器的耐腐蝕和耐溫性能良好。經(jīng)計(jì)算，石墨空氣預(yù)熱器的散熱損失僅為傳熱量的0.13%，運(yùn)行過程中沒有吸風(fēng)和漏氣等現(xiàn)象，密封性能良好。傳熱性能優(yōu)于一般鋼管式空氣預(yù)熱器。

重整加熱爐應(yīng)用新型石墨空氣預(yù)熱器后排煙溫度降低為93.0 ℃，熱效率從91.13%提高到了94.02%，多回收熱量0.672 MW。以煉油廠燃料氣熱值42 555 kJ/m3計(jì)算，每小時(shí)節(jié)約燃料氣56.8 m3，每年可節(jié)約燃料氣45.45×104m3(以年運(yùn)行8 000 h計(jì)算)，投資回收期6.2個(gè)月。

新型石墨空氣預(yù)熱器具有優(yōu)良的傳熱能力和耐酸腐蝕性能，能夠跨越煙氣低溫腐蝕障礙，可以在露點(diǎn)溫度甚至更低的溫度下安全運(yùn)行，具有良好的應(yīng)用前景。

5 結(jié) 論

空氣預(yù)熱器的低溫露點(diǎn)腐蝕問題已成為進(jìn)一步降低排煙溫度，提高加熱爐熱效率的主要障礙，盡管現(xiàn)有的空氣預(yù)熱器能在一定程度上解決低溫腐蝕的問題，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，會(huì)出現(xiàn)各種問題，尤其在露點(diǎn)溫度以下失效更快。

不透性石墨制成的新型空氣預(yù)熱器具有良好的傳熱、耐溫、防腐等性能，可以提高加熱爐熱效率兩個(gè)百分點(diǎn)，并能在露點(diǎn)溫度甚至更低的溫度下安全運(yùn)行。解決了低溫腐蝕的問題，投資回收期6.2個(gè)月，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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(編輯 王菁輝)

Development and Application of a New Type of Graphite Air Preheater

SunZhiqin,LiJiuchong,GaoXiaohong

(SEGLuoyangR&DCenterofTechnology,Luoyang471003,China)

Low-temperature dew point corrosion has become the main obstacle to reduce the exhaust gas temperature and increase the heat efficiency of the heating furnace. The existing air preheaters in the petroleum refineries will fail under the operation at dew point temperature, which makes it impossible to recover the waste heat from flue gas. Impervious graphite has strong corrosion resistance, high thermal conductivity and non-fouling performance, which is especially suitable for recovering the waste heat from the flue gas below dew point temperature. A new type graphite air preheater has been successfully developed by software analysis, tests and optimization, whose performances are superior to those of steel heat exchangers. In the commercial test in a 600,000 TPY catalytic reforming unit, the new graphite air preheater has been running safely and stably for one year without low-temperature corrosion. The flue gas emission temperature of the heater is reduced to 93 ℃ from 138.9 ℃, and thermal efficiency of the heater is raised by 2.0%, which is over 94.2%. The return of investment is only 6.2 months.

low temperature dew point corrosion, flue gas waste heat, Impervious graphite，a new type graphite air preheater

2016-04-25；修改稿收到日期：2016-05-26。

孫志欽(1963—)，高級(jí)工程師，本科，從事節(jié)能與燃燒方面研究工作。E-mail:sunzq.lpec@sinopec.com

中國(guó)石油化工集團(tuán)公司科研項(xiàng)目(313041)。