熱管式空氣預熱器及其在煉廠加熱爐中的應用

(中國石化洛陽石油化工工程公司，河南洛陽 471003)

隨著目前國內的煉油裝置愈來愈大型化，對節(jié)能減排的要求也越來越高，而煉廠裝置中加熱爐的能耗一般要占整套裝置能耗的一半以上，因此在加熱爐的設計中如何合理的選擇空氣預熱器以穩(wěn)定有效的提高加熱爐熱效率顯得日趨重要。目前煉廠加熱爐中常用的空氣預熱器主要有管束式、熱管式、板式和鑄鐵式等，近幾年隨著熱管技術的不斷發(fā)展及加熱爐設計水平的提高，熱管式空氣預熱器已經憑借其換熱系數高、體積小、維修方便等優(yōu)勢在煉廠加熱爐上得到了越來越廣泛的應用。本文通過對熱管式空氣預熱器的結構及工作原理的介紹，及其在煉廠加熱爐的應用中所出現的一些常見問題的分析，希望能對以后加熱爐的設計中合理的選用熱管式空氣預熱器起到一定的指導作用。

1 熱管式空氣預熱器的工作原理及結構

1.1 熱管式空氣預熱器的工作原理

要了解熱管式空氣預熱器的工作原理就必須先了解熱管的工作原理。熱管是熱管式空氣預熱器的核心部分，它是一種利用密閉在管內的工質的相變來傳遞熱量的高效傳熱元件，其結構非常簡單:在抽成真空的金屬或由其它材質制成的管中注入適量的液體(工質)，兩端密封起來，就是一支熱管。其工作原理就是工質在高溫段吸收熱量，由液態(tài)轉化為氣態(tài)，上升至上部壓力較低的低溫段，釋放熱量后又由氣態(tài)轉化為液態(tài)，在重力作用下返回高溫段，如此循環(huán)往復，將熱量不斷的傳遞(見圖1)。由于熱管的熱量傳遞主要是依靠工質的蒸發(fā)和凝結進行的，因此可以在較低的溫差下，傳遞大量熱量而且傳遞強度很高。

圖1 熱管

熱管式空氣預熱器就是利用熱管原理而設計的空氣預熱器，其在煉廠加熱爐中的換熱過程是:熱管中的工質吸收加熱爐所排放的高溫煙氣的熱量，由液態(tài)轉化為氣態(tài)，再到空氣側將熱量釋放給助燃空氣，由氣態(tài)轉化為液態(tài)，同時靠自身重力回流到煙氣側，如此循環(huán)往復，達到回收煙氣余熱，提高加熱爐熱效率的目的。

1.2 熱管式預熱器的結構特點及應用

熱管式空氣預熱器一般由熱管管束、隔板和殼體三部分組成(見下頁圖2)。熱管根據需要按照順排或錯排布置(見下頁圖3)，就構成了熱管管束;隔板是用來隔離煙氣和空氣的，同時能對熱管管束起到一定的支撐作用，殼體用來封閉煙氣和空氣，同時支撐熱管管束。目前煉廠加熱爐中常用的熱管一般都是密閉的無縫鋼管，內部充以水等工質，管外徑一般為25～60 mm，壁厚為2.5～4.0 mm，為了增加傳熱系數，一般熱管都采用擴面管，且為了防止磨損和積灰，煙氣側大都采用比空氣側更大的擴面間距。

圖2 熱管式空氣預熱器

圖3 熱管布置圖

熱管式空氣預熱器與一般的管束式空氣預熱器相比，不僅換熱原理先進，換熱效率高，而且可以方便的在空氣和煙氣側同時增加擴面，大大增加了有效傳熱面積;其次，它將傳統的空氣—煙氣交叉流型改為純逆流型，提高了傳熱的對數平均溫差，所以熱管式空氣預熱器的傳熱系數比普通管束式預熱器的傳熱系數要高的得多，體積更為緊湊。由于在熱管式空氣預熱器中空氣是走殼程，所以阻力降小，鼓風機能耗小。此外，熱管式空氣預熱器中的熱管都是獨立的，在單根熱管出現爆裂或破損等情況時，不會影響其它熱管的工作，不會導致空氣向煙氣側泄漏，對整臺熱管式空氣預熱器的操作影響很小，在裝置停工維修時，只須根據需要更換已經破裂或者磨損嚴重的部分熱管，維修費用較低。

目前在煉廠加熱爐中使用的熱管式空氣預熱器有立式和臥式，其中臥式使用較為廣泛。在臥式熱管式空氣預熱器中，熱管管束水平布置，但需要與水平方向有一定夾角，使得在空氣側冷卻的工質能靠自身重力回流，夾角一般取10°～15°。熱管式預熱器即可以安裝在爐頂，也可以放置在地面，視預熱器大小及現場情況而定。

2 應用常見問題及解決方法

熱管式空氣預熱器在煉廠加熱爐上投用初期，都具有良好的換熱效果，但在經過一段時間的使用以后，有些熱管式空氣預熱器會出現低溫腐蝕、積灰甚至爆管問題，這些問題相輔相成，互相作用，嚴重影響了熱管式換熱器的換熱效率及使用壽命，因此，如何合理的分析和解決這些問題，是熱管式空氣預熱器在煉廠加熱爐上得到更廣泛利用的關鍵。

2.1 低溫腐蝕

低溫腐蝕也叫露點腐蝕，它是在煙氣溫度低于露點溫度時，凝結在熱管上的硫酸對金屬熱管的一種腐蝕現象。含有硫的燃料燃燒后生成SO2，其中一部分SO2又進一步氧化成SO3，SO3與煙氣中的H2O結合生成H2SO4。含有硫酸蒸氣的煙氣露點溫度會升高，當煙氣溫度低于露點溫度時，硫酸蒸氣就會在熱管管壁上凝結，并腐蝕管壁金屬。

露點溫度的高低與燃料中的含硫量有很大關系(見圖4)，煉廠加熱爐所燒的燃料一般為渣油或裝置自產燃料氣，都含有一定比例的硫成分，尤其是煉廠渣油，含硫量都在2% ～4%，露點溫度在130℃左右，所以目前煉廠加熱爐的排煙溫度在設計階段都要求控制在150℃以上，但由于加熱爐操作時的彈性較大，在低負荷操作時很容易導致排煙溫度低于露點溫度，所以仍需要在加熱爐的設計和操作中采取其他的措施來盡可能的避免露點腐蝕。

圖4 露點溫度與燃料油含硫量的關系

在加熱爐的設計階段可以采取的避免熱管式空氣預熱器露點腐蝕的途徑有很多，如利用暖風器或者裝置中的高溫蒸汽來提前預熱進入熱管式空氣預熱器的冷空氣、采用熱風循環(huán)的方式用一部分與煙氣換熱后的高溫空氣來預熱冷空氣，或是增加一冷空氣旁路，通過調節(jié)冷空氣旁路的空氣量來控制排煙溫度等，采用何種方法應根據加熱爐負荷、裝置能耗、總投資等各方面因素綜合考慮。

在加熱爐的操作過程中，合理的控制好“三門一板”，減少過?？諝庀禂担捎玫脱跞紵韧緩揭部梢杂行У乇苊釮2SO4的生成，降低露點溫度。根據國外的經驗，如果把空氣的過剩系數控制在1.05%以下，就能將露點溫度降到70℃左右;但這就要求加熱爐具有完善的燃燒設備和燃燒檢測儀表，并且要求操作人員有較高的技術水平，否則將直接影響到燃料的燃燒效果。

露點腐蝕的根本就是硫酸對熱管材質的腐蝕，因此，提高熱管材質的抗腐蝕性是最直接根本的解決露點腐蝕的方法。搪瓷管不存在露點腐蝕的問題，在一些小的熱管式空氣預熱器中也都有應用，但是搪瓷管的傳熱系數很低 ，且由于不能直接焊接，密封不好是其主要問題。ND鋼(09CuWSn)是我國自行研制的抗低溫腐蝕的一種金屬材料，ND鋼在含硫酸5%的硫酸液中浸泡6h，其腐蝕速率僅為7.3 mg/(cm2·h)，遠遠低于碳鋼的腐蝕速率，用ND鋼作為熱管的熱管式空氣預熱器目前已經在國內的很多裝置中投入使用，取得了一定的效果。有時為了節(jié)省投資，可以只在熱管式空氣預熱器的低溫腐蝕區(qū)(參見圖2)采用價格昂貴的搪瓷管或者ND鋼，煙氣高溫段仍采用價格便宜的碳鋼管，這樣既經濟又能在一定程度上有效地避免露點腐蝕。

2.2 積灰

積灰是影響熱管式空氣預熱器操作性能及使用壽命的另一大主要問題，尤其是在燒渣油的煉廠加熱爐中，積灰現象尤其明顯。積灰是由于目前煉廠所燒的燃料中含有Na、Ca、Mg等的金屬氧化物雜質，燃燒后形成微小的金屬顆粒，一部分金屬顆粒和未燃盡的碳粒與煙氣中的水分混合后很容易在熱管的表面沉積下來，形成灰垢，這些灰垢如果不能及時清除，將會越積越多。由于灰垢的傳熱系數僅為碳鋼的0.2%，將大大降低熱管的傳熱效率，同時也增加了煙氣側的阻力降。

避免積灰的方法有很多，一般在燒油的加熱爐中熱管式空氣預熱器都裝配有吹灰器，定期的對積灰進行吹掃。在一些小的預熱器中由于投資小，也可以通過改變預熱器結構，提高冷煙氣流速的方式來減少灰垢的沉積，如圖5所示，通過收縮煙氣出口端煙氣的流通面積，增大了煙氣的流速，使灰粒不容易附著在熱管上。此外，一些化學方法也可以有效地清除灰垢，比如在操作過程中在爐膛里加入清灰劑，清灰劑在爐膛內受熱分解，分解物與灰垢發(fā)生氧化反應，可以使灰垢變得疏松，易于粉化脫落。

圖5 小預熱除灰方式

2.3 爆管

爆管是熱管式空氣預熱器在使用過程中經常出現的一種熱管破損現象。爆管的原因很多，超溫、磨損、腐蝕及操作不當等都可能引起爆管。爆管一般發(fā)生在煙氣側的入口，是由于此處的煙氣溫度過高，導致熱管中的工質壓力過高，當壓力超過管子的承壓能力時，就會發(fā)生爆管。在煙氣低溫段工質壓力雖不高，但由于露點腐蝕，管子承壓能力降低，也會發(fā)生爆管。目前煉廠加熱爐常用的熱管都是鋼—水熱管，工質是水，由于水的飽和蒸氣壓較大，當煙氣溫度高于300℃時，很容易發(fā)生爆管，而煉廠加熱爐的排煙溫度大部分都在250～350℃，高的在400℃以上，因此在設計和操作中如何防止爆管是必須要考慮的。一般當煙氣溫度高于350℃時，就要在高溫段使用中溫熱管，用其他物質取代水作為工質，目前用萘作為工質的中溫熱管可以在煙氣溫度450℃以下安全運行;此外，還可以采用管束—熱管組合式空氣預熱器，讓高溫煙氣先經過管束結構的部分換熱到300℃以下再進入熱管部分換熱，可以有效地避免由于超溫導致的熱管爆管。

3 結束語

熱管式空氣預熱器由于其獨特的熱交換原理和結構，相對于其他類型的空氣預熱器來說有著換熱效率高、壓力損失小、體積緊湊、質量輕及拆換方便靈活等優(yōu)勢，但也存在著空氣預熱器在煉廠加熱爐上應用時常見的露點腐蝕、積灰等通用問題，以及其特有的爆管問題，不過相信隨著熱管技術和煉油工藝的不斷發(fā)展，這些問題都將會得到逐步的解決，熱管式空氣預熱器也將在煉廠加熱爐上得到越來越廣泛合理的應用。