熱管空預(yù)器延壽技術(shù)開發(fā)及工業(yè)應(yīng)用

侯 杰 周麗純 汪李勝

（岳陽長嶺設(shè)備研究所有限公司 湖南岳陽）

熱管空預(yù)器作為一種高效節(jié)能設(shè)備在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。但（鋼、水）不相容性使熱管使用壽命受到限制，使用在線氧化除氫技術(shù)后，熱管正常使用壽命提高兩倍以上，較好的滿足了生產(chǎn)周期要求。然而在生產(chǎn)過程中，因設(shè)計不合理或生產(chǎn)異常致使熱管超溫或在低溫露點下使用的現(xiàn)象時有發(fā)生，導(dǎo)致熱管有效使用壽命大幅降低，爐子熱效率下降，嚴(yán)重影響余熱回收系統(tǒng)的長周期高效運(yùn)行。

一、問題

（1）對在線除氫熱管跟蹤考察過程中發(fā)現(xiàn)，熱管空預(yù)器使用溫度在280℃以下時，預(yù)熱器運(yùn)行良好，當(dāng)溫度超過300℃時，熱管不凝氣增長速度成倍增加，氧化除氫劑大量消耗，直至除氫作用完全消失。隨后產(chǎn)生的不凝氣體不斷積聚在熱管中，引起熱管失效。對超溫失效熱管檢查時發(fā)現(xiàn)除氫劑已全部耗盡，僅剩下白色粘結(jié)劑，切管檢查時產(chǎn)生爆燃情況，個別管子燃燒時間可持續(xù)1min，說明管內(nèi)存在有大量的不凝氣體。

（2）對熱管在超溫狀態(tài)下使用情況進(jìn)行的調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)均產(chǎn)生大量的黑色污垢，污垢中鐵含量高達(dá)59.82%，且管子在腐蝕和高速氣流沖刷的雙重作用下，出現(xiàn)了明顯的管壁減薄甚至穿孔（圖 1、圖 2）。

（3）除了超溫引起的高溫腐蝕，低溫露點腐蝕引起的失效也是一個不可忽視的問題。由于節(jié)能減排工作的不斷深入，排煙溫度不斷降低已形成趨勢。新型預(yù)熱器設(shè)計排煙溫度已在 120℃以下，在燃料含硫的情況下，煙氣出口處熱管的壁溫很容易低于露點溫度，因此腐蝕往往不可避免。生產(chǎn)中因此引起的翅片、基管壁腐蝕減薄直至穿孔時有發(fā)生（圖3）。

圖1 石化蒸餾裝置超溫后熱管內(nèi)的結(jié)垢

二、解決方法

1.高溫段采用擾流子空氣預(yù)熱器

圖2 超溫?zé)峁芄鼙跍p薄及穿孔

在線除氫（鋼、水）熱管空氣預(yù)熱器的安全使用溫度上限為250℃（管內(nèi)工質(zhì)溫度），而石化加熱爐煙氣從對流室出來的溫度大部分≥300℃，此時熱管管內(nèi)工質(zhì)溫度將＞250℃，單獨使用（鋼、水）熱管空氣預(yù)熱器常出現(xiàn)熱管爆管或快速失效現(xiàn)象。常用的解決方法是將煙氣溫度＞300℃的部位采用有機(jī)熱管，熱管管內(nèi)的傳熱工質(zhì)改為飽和蒸汽壓較低的有機(jī)工質(zhì)（石化工業(yè)中常用的有：N-甲基和荼），這樣基本上可以解決熱管爆管的問題。但這樣做仍存在以下不足：①生產(chǎn)過程中有機(jī)工質(zhì)的揮發(fā)，污染環(huán)境損害健康；②有機(jī)物的傳熱效率不如水，即熱管的傳熱效率不可避免的下降；③有機(jī)工質(zhì)長期在高溫下工作容易碳化失效，不便于修復(fù)（圖 4）。

圖3 低溫露點腐蝕

圖4 有機(jī)熱管工質(zhì)碳化

克服高溫部位使用有機(jī)熱管的弊端，采用擾流子高效空氣預(yù)熱器替代高溫有機(jī)熱管。擾流子空氣預(yù)熱器就是在普通管式空氣預(yù)熱器列管內(nèi)增設(shè)了擾流片，管外纏繞高頻翅片，增加管內(nèi)、外流體的擾動，提高管內(nèi)、外換熱系數(shù)，其傳熱系數(shù)K值比一般的列管式空氣預(yù)熱器增加50%左右。擾流子預(yù)熱器在較高煙氣溫度下使用，不存在露點腐蝕及大量結(jié)垢問題，因此不會發(fā)生堵塞或泄漏問題。其不適合在低溫?zé)煔鈼l件下使用的原因是：①擾流子預(yù)熱器的傳熱效率不如熱管預(yù)熱器；②擾流子預(yù)熱器抗低溫腐蝕性不如熱管預(yù)熱器；③擾流子預(yù)熱器的煙氣側(cè)與空氣側(cè)沒有中間管板隔開，一旦有換熱管腐蝕穿孔即產(chǎn)生泄漏；④擾流子管與管板焊為一體組成管束，不方便單管進(jìn)行更換，一旦產(chǎn)生泄漏，一般要更換整個管束。因此，擾流子空預(yù)器適用于高溫?zé)煔獠课?。常見的擾流子翅片管（圖5）。

2.提高熱管內(nèi)表面鈍化質(zhì)量，延長熱管使用壽命

在線除氫熱管只能消除掉已產(chǎn)生的不凝氣，并不能阻止不凝氣的產(chǎn)生。要減少不凝氣的產(chǎn)生，需從管內(nèi)表面的鈍化質(zhì)量著手。原有的熱管鈍化工藝采用的配方是在氧化性酸濃度下進(jìn)行的，鈍化膜形成后，必須對殘留酸和反應(yīng)物進(jìn)行清洗，在清洗的過程中，清洗工具易對表面鈍化膜造成損傷。再有殘余酸及反應(yīng)物不清洗干凈帶入熱管內(nèi)又將加劇熱管不凝氣產(chǎn)生引起失效。另外，含有重金屬及殘酸的鈍化廢液后續(xù)處理成本非常高，隨意排放將嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，對現(xiàn)有的鈍化工藝改進(jìn)既是提高熱管使用壽命的需要，也是環(huán)境保護(hù)的需要。改進(jìn)后的工藝，除在配方上進(jìn)行了優(yōu)化，去除了氧化性酸，還采用了塔式自循環(huán)系統(tǒng)鈍化，將雙管流動鈍化改為32管流動鈍化，不僅提高了鈍化質(zhì)量也提高了鈍化效率，并實現(xiàn)了零排放。鈍化后的鈍化膜采用酸性CuSO4溶液點滴法進(jìn)行檢驗，根據(jù)鈍化膜變色時間的長短，判斷鈍化質(zhì)量的好壞及何時需要補(bǔ)充鈍化劑，改進(jìn)后鈍化效果對比見表1。

通過試驗室性能評價試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈍化膜變色時間＞30s時，鈍化效果可以滿足熱管正常使用要求。因此，在過程檢驗中只要保證每根管子的鈍化膜點滴變色時間＞30s，就可保證熱管鈍化質(zhì)量，確保熱管長周期高效運(yùn)行。

圖5 擾流子翅片管

3.低肋大螺距搪瓷熱管的使用

現(xiàn)有的搪瓷熱管因制作工藝的原因，翅片與基管的連接處由于焊接不實或不平整很容易形成針孔，針孔的存在給搪瓷熱管的使用帶來很大的危害。在煙氣出口端，由于腐蝕介質(zhì)的存在及潮濕狀態(tài)下，每一個針孔就相當(dāng)于一個原電池，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕相對于均勻腐蝕，它的危害性要嚴(yán)重的多，可能數(shù)月就可導(dǎo)致局部腐蝕穿孔，而使熱管失效。因此將常用的翅片管進(jìn)行搪瓷處理是無法滿足搪瓷工藝要求的。

表1 鈍化工藝改進(jìn)前后鈍化效果對比表

目前翅片管涂搪有兩種工藝，一是澆注法，二是浸泡法。無論哪種方法，都需將搪瓷均勻涂到翅片管上。普通的翅片管翅高約為管徑的一半，螺距8mm、翅片厚度1～1.2mm。由于翅片間距較小，涂搪過程很不容易將翅片與基管連接處涂勻涂滿，燒制時非常容易產(chǎn)生針孔。另外，翅片較薄，搪瓷也不容易掛住，翅片頂部也容易出現(xiàn)缺瓷現(xiàn)象。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，采用低肋大螺距翅片搪瓷熱管，即翅高為管徑四分之一以下，螺距12mm以上，翅片厚度1.5mm以上，搪瓷熱管時出現(xiàn)針孔的概率大幅降低。

4.提供準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)

目前熱管空預(yù)器失效模式有兩種，一是設(shè)計參數(shù)提供不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的入預(yù)熱器溫度過高，超過（鋼-水）熱管的正常使用溫度，導(dǎo)致熱管內(nèi)產(chǎn)生大量不凝氣體引起的失效；二是排煙溫度設(shè)計過低，產(chǎn)生低溫露點腐蝕，管子腐蝕穿孔引起的失效。目前較好的解決辦法是：①燃料脫硫；②定期進(jìn)行露點檢測，根據(jù)露點溫度，確定適宜的排煙溫度；③增設(shè)空氣旁路，在不同的環(huán)境溫度下（冬夏季節(jié)溫差較大），通過調(diào)節(jié)空氣旁通量，有效控制排煙溫度。

三、應(yīng)用實例

某公司對焦化裝置余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)原有熱管預(yù)熱器設(shè)計，新增一臺擾流子空氣預(yù)熱器，改進(jìn)后余熱系統(tǒng)為擾流子+熱管組合式預(yù)熱器，煙氣出口熱管采用低肋搪瓷翅片管，改進(jìn)前后測試數(shù)據(jù)見表2。

從測試數(shù)據(jù)可得出，在煙氣入口溫度不變的情況下，排煙溫度較改進(jìn)前降低 67℃，熱效率提高3.06%。

表2 改進(jìn)前后預(yù)熱器標(biāo)定測試數(shù)據(jù)對比