相變換熱技術(shù)在石油化工加熱爐中的應(yīng)用研究

張明，方俊明

（山東濟煉石化工程有限公司，山東 濟南 250100）

復合相變換熱技術(shù)作為一種成熟的低溫煙氣余熱回收利用技術(shù)，由于其在充分降低煙氣溫度且可避免煙氣露點腐蝕的優(yōu)勢，在熱電廠、冶金及石油化工行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。雖然在應(yīng)用相變換熱技術(shù)時基本原理相同，但不同的行業(yè)，根據(jù)排煙溫度和被加熱介質(zhì)的不同，應(yīng)用起來會有較大差異。煙氣露點溫度是決定煙氣最低排煙溫度的關(guān)鍵因素，電廠鍋爐和冶金用加熱爐，一般以煤炭作為主要燃料，煤炭中含有一定量的硫分，所以其露點溫度較高，一般在125℃左右，排煙溫度受此限制，不會低于這個值；而石油化工加熱爐，燃料以天然氣為主，天然氣中含硫量極低，故煙氣的露點溫度相對較低，一般排煙溫度可降至100℃以下，可以充分回收煙氣中的熱量。電廠鍋爐和冶金用加熱爐，被加熱介質(zhì)一般為循環(huán)水，而石油化工加熱爐被加熱介質(zhì)一般為空氣。

1 相變換熱技術(shù)簡介

應(yīng)用相變換熱技術(shù)的換熱器（以下簡稱相變換熱器）的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。相變換熱器一般分為上下兩部分，上部為放熱段，用于加熱空氣，下部為吸熱段，用于給煙氣降溫，兩段之間有一定的高差，為管內(nèi)相變介質(zhì)的循環(huán)提供動力。放熱段和吸熱段內(nèi)都有若干排平行排列的換熱管，換熱管的排數(shù)和每一排的換熱管根數(shù)通過計算確定，每一排換熱管通過集合管連接起來，若干根集合管并入聯(lián)箱中。換熱管內(nèi)加入適量的相變介質(zhì)（如軟化水），吸熱段和放熱段通過軟化水的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量。吸熱段的軟化水通過吸收煙氣熱量汽化為飽和蒸汽，飽和蒸汽通過集合管和聯(lián)箱匯集起來并在一定的壓差作用下上升到冷凝段，加熱空氣后凝結(jié)為飽和水，飽和水在重力的作用下回流到吸熱段繼續(xù)吸收煙氣熱量，完成了空氣和煙氣的熱量交換。

圖1

水蒸氣的飽和蒸汽溫度和飽和蒸氣壓一一對應(yīng)，因此，當換熱管內(nèi)飽和蒸氣壓穩(wěn)定時，飽和蒸汽溫度可維持在一個固定的數(shù)值，換熱管的金屬壁溫則可以保持不變。煙氣的露點腐蝕發(fā)生在換熱管上，通過控制管內(nèi)的飽和蒸汽溫度即可保持受熱面壁溫穩(wěn)定并可控可調(diào)。當加熱爐運行工況、燃料或傳熱負荷有所變化時，通過局部設(shè)置即可使排煙溫度和管壁溫度保持相對穩(wěn)定。

當吸熱段的吸熱量大于放熱段的放熱量，會導致飽和蒸汽的蒸發(fā)和凝結(jié)失去平衡，換熱管內(nèi)飽和蒸汽逐漸積聚，導致管內(nèi)壓力升高，從而使換熱管金屬壁面溫度升高；當吸熱段的吸熱量小于放熱段的放熱量，同樣會導致飽和蒸汽的蒸發(fā)和凝結(jié)失去平衡，換熱器內(nèi)飽和蒸汽相對變少，則換熱器內(nèi)飽和蒸汽壓力相對降低，換熱管金屬壁面溫度下降。為了維持換熱器金屬壁溫的穩(wěn)定，防止低溫露點腐蝕，一是可通過調(diào)節(jié)換熱器內(nèi)飽和工質(zhì)循環(huán)量來保證換熱器吸熱量和放熱量處于平衡狀態(tài)，二是可以通過調(diào)節(jié)被加熱介質(zhì)（空氣）的流量，從而調(diào)整換熱器的放熱量，也可使換熱器吸熱量和放熱量處于平衡狀態(tài)，最終實現(xiàn)換熱器內(nèi)的工質(zhì)飽和壓力不變。

2 相變換熱技術(shù)應(yīng)用實例

2.1 項目簡介

中石化股份公司某分公司塑料廠6萬噸/年苯乙烯裝置于1988年建成投產(chǎn)，該裝置采用美國Lummus/UOP專利技術(shù)，苯乙烯裝置中的蒸汽過熱爐，經(jīng)過幾十年的運行和多次改造，排煙溫度正常運行狀態(tài)在189℃左右，爐子的熱量未得到充分利用，熱效率87%左右，熱效率低，為充分回收煙氣中的可用熱量，通過在蒸汽過熱爐對流室出口煙道處加裝一臺相變換熱器吸熱段，回收煙氣熱量，用于加熱管內(nèi)軟化水，軟化水汽化為蒸汽進入冷凝段預熱空氣。通過相變換熱，排煙溫度可以從現(xiàn)在運行的189℃降到90℃左右，同時，進入燃燒器的空氣可從20℃的加熱至140℃。換熱器吸熱段受熱面的最低設(shè)計壁面溫度在80℃左右，高于煙氣酸露點溫度，且還有一定調(diào)節(jié)余量，保證換熱器不結(jié)露、不腐蝕。

通過采用相變換熱技術(shù)的換熱器，可以更大幅度降低排煙溫度，充分回收低溫熱能，節(jié)能效果好；通過控制飽和蒸汽溫度，使金屬受熱面壁面溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)，遠離酸露點的腐蝕，降低設(shè)備的維護成本；

通過應(yīng)用相變換熱器，使排煙溫度降至100℃以下，既可以達到節(jié)能降耗的目的，也可以通過減少燃料氣消耗，減少二氧化碳的排放，符合我國的低碳發(fā)展戰(zhàn)略。

2.2 項目內(nèi)容

本項目的設(shè)計參數(shù)如表1。

表1

本項目的設(shè)計方案如圖2所示。

圖2

冷空氣與熱煙氣的熱量交換通過管內(nèi)的飽和蒸氣實現(xiàn)。本項目的相變換熱技術(shù)應(yīng)用有以下兩個特點，一是空氣溫度變化區(qū)間大且出口溫度高，為將空氣加熱至140℃，需要的換熱管內(nèi)飽和蒸汽溫度高于常壓下的飽和蒸汽溫度；二是煙氣出口溫度低，為達到將煙氣降至90℃的的目標，出口處飽和蒸汽溫度應(yīng)低于常壓下的飽和蒸汽溫度。因此，在空氣出口處，換熱管內(nèi)飽和蒸汽為正壓運行，空氣入口處，換熱管內(nèi)飽和蒸汽為負壓運行。本項目通過設(shè)置分級加熱段，每一段對應(yīng)不同的飽和蒸汽溫度，高溫段（空氣出口位置）的飽和蒸氣溫度大于150℃，低溫段（空氣入口位置）的飽和蒸氣溫度小于80℃，通過分級加熱，可以最大化提升空氣出口溫度以及降低煙氣排煙溫度。

2.3 節(jié)能效益計算

（1）回收熱量Q計算：

式中，Vg為煙氣流量，取值11770Nm3/h；ρg為煙氣密度，取值1.295kg/Nm3；Cpg為煙氣比熱，取值1.12kJ/(kg℃)；ΔT為煙氣入口和出口的溫度差值，取值189～90℃；Φ為設(shè)備換熱效率，取值0.95。

（2）節(jié)約燃料氣Gc：

式中，Q為回收熱量值，取值446kW；Qp為燃料氣的發(fā)熱量，取值9700kCal/kg；ηk為加熱爐效率，取值90%；HR為設(shè)備年運行時數(shù)，取值8400h；860為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位：大卡/(千瓦時)。

（3）本項目年節(jié)約效益Gz：

式中，GR為燃料氣價格，取值2800元/噸。

通過以上計算，本項目年節(jié)約效益為103.33萬元，本項目的投資為280萬元，投資回收期約為2.7年。

2.4 運行狀況分析

換熱器自2020年投入運行以來，運行狀況良好，運行數(shù)據(jù)基本達標，但由于加熱爐運行過程中，熱負荷、煙氣量、空氣量是變化的，因此，對換熱器的調(diào)整提出了很高的要求。本項目的排煙溫度在100℃以下，管內(nèi)飽和蒸汽應(yīng)處于負壓運行，當加熱爐運行狀況發(fā)生變化時，管內(nèi)壓力會有波動，為維持管內(nèi)負壓，可通過增加抽汽裝置維持管內(nèi)壓力。空氣出口溫度140℃，管內(nèi)飽和蒸汽溫度為150℃左右，對應(yīng)的飽和蒸氣壓為0.4MPaG，為正壓運行狀態(tài)；若煙氣入口溫度高，在300℃左右時，空氣出口溫度也會被加熱至200℃以上，此時，對應(yīng)的飽和蒸氣壓大于1.5MPaG，蒸汽壓力較高，對設(shè)備也提出了更高的要求，若遇到此類情況，為減少制造難度和維護成本，推薦采用擾流子空氣預熱器+換熱器組合的型式，這樣既可以使煙氣和空氣在高溫狀態(tài)下高效換熱，也可以充分發(fā)揮相變換熱器在低溫余熱回收的優(yōu)勢，最大幅度地降低排煙溫度且避免露點腐蝕。

3 結(jié)語

相變換熱技術(shù)在石油化工加熱爐應(yīng)用時，可獲取更低的排煙溫度，對煙氣中的余熱挖潛更充分，具有很高的節(jié)能效益，對低碳排放也有很好的促進效果。當排煙溫度低于100℃時，應(yīng)注意保證管內(nèi)蒸汽壓力負壓狀態(tài)運行；當入口煙氣溫度過高時，可以考慮采用擾流子空氣預熱器+換熱器等類似組合型式。