玻璃板式空氣預熱器在熔鹽爐上的應用

劉明國 尹建新 王希華

摘 要：本文介紹了一種新型的玻璃式空氣預熱器，闡述了在濱化集團股份有限公司裝置內(nèi)的應用情況，達到了降低排煙溫度、提高熔鹽爐效率的效果，為下一步節(jié)能減排及安全環(huán)保運行提供了經(jīng)驗。新型玻璃板式換熱器的投用可獲得可觀的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，具有十分廣闊的應用前景。

關鍵詞：熔鹽爐效率；玻璃板式空氣預熱器；節(jié)能減排

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.024

1 引言

濱化集團股份有限公司（以下簡稱“濱化集團”）位于黃河三角洲腹地的濱州市，為主業(yè)突出、產(chǎn)業(yè)鏈完整的綜合型化工企業(yè)集團，產(chǎn)業(yè)涵蓋石油化工、鹽化工、精細化工、熱電、口岸倉儲、金融等領域，具有40多年豐富的燒堿生產(chǎn)經(jīng)驗，是我國重要的燒堿產(chǎn)品供應商，是國內(nèi)氯堿行業(yè)具有較大影響力的企業(yè)。目前濱化集團具有固堿裝置的生產(chǎn)能力40萬噸/年，在運行的熔鹽爐4臺。

1.1 熔鹽爐空氣預熱器的現(xiàn)狀

熔鹽爐空氣預熱器原設計為熱管式空氣預熱器，選用抗露點腐蝕的ND鋼材質(zhì)，避免煙氣溫度過低造成露點腐蝕。裝置自2012年投產(chǎn)以來，因全公司各裝置依據(jù)市場行情優(yōu)化調(diào)整生產(chǎn)能力，導致固堿裝置生產(chǎn)能力未能高負荷運轉(zhuǎn)，甚至有時一段時間內(nèi)半負荷的情況，因此造成熔鹽爐運行負荷變化大，空氣預熱器溫度調(diào)節(jié)難度大，造成露點腐蝕泄漏，五年間已經(jīng)更換3次，對裝置的安全經(jīng)濟運行造成很大影響。固堿裝置中熔鹽爐是加熱裝置中的主要耗能設備，其耗能約占所有裝置的50～80%。為避免露點腐蝕，只能通過提高排煙溫度的方式，但排煙溫度越高，熔鹽爐熱損失越大，熱效率也就越低。

同時，為提高熔鹽爐熱效率，關鍵在于降低排煙的熱損失，降低排煙溫度，需要充分回收加熱爐煙氣中的熱量。正常情況下，排煙溫度越低，即空氣預熱器回收的熱量越多，加熱爐熱效率越高。并且預熱器換熱原件的表面溫度介于煙氣溫度與空氣溫度之間，當煙氣溫度降低至100℃以下時，換熱原件表面溫度遠低于煙氣溫度，其表面會有冷凝現(xiàn)象發(fā)生，冷凝過程中會釋放大量的氣化潛熱，這部分氣化潛熱則會顯著的提高余熱回收的效率，進一步增加空氣預熱器回收的熱量，顯著的提高加熱爐熱效率。因此為了獲得較高的加熱爐效率，降低排煙溫度是最直接最有效的方式。

但是，原設計空氣預熱器雖然為抗露點腐蝕的ND鋼材質(zhì)，但是天然氣等化石燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中，或多或少的會存在部分硫氧化物，這部分硫氧化物受自身濃度的影響，會在150-100℃的溫度區(qū)間內(nèi)逐漸冷凝形成酸液腐蝕換熱設備，即酸露點腐蝕。熔鹽爐空氣預熱器的設計排煙溫度在120-150℃左右，但是這樣的排煙溫度并不能完全避免酸露點腐蝕情況的發(fā)生。因為生產(chǎn)負荷的變動，排煙溫度進一步降低，冷凝情況會逐漸加劇，冷凝液量逐漸增加，腐蝕情況加劇。

盡管熱管式空氣預熱器在使用過程中也采取了一些防腐措施，如使用ND鋼材質(zhì)、增加防腐涂層、控制排煙溫度，確保其高于露點溫度等，但空氣預熱器還是存在著不同程度的低溫露點腐蝕現(xiàn)象，導致空氣預熱器腐蝕報廢。

1.2 選用新技術路線的分析

1.2.1 采用新型空氣預熱器

（1）采用防腐非金屬材質(zhì)作為空氣預熱器低溫段主要換熱材質(zhì)。目前已開發(fā)出來的產(chǎn)品包括玻璃換熱器、石墨換熱器、碳化硅材質(zhì)換熱器、四氟材料換熱器等。其中，玻璃這種材質(zhì)在耐酸露點腐蝕方面有著天然的優(yōu)勢，基本上除了HF酸，玻璃不懼其它所有的酸腐蝕；此外玻璃相較于其他幾種材質(zhì)來說，國內(nèi)的加工技術更為成熟，玻璃板/管材質(zhì)量更有保證，且供應商眾多，價格適中，便于大量使用。

（2）采用非直接換熱形式換熱器，如水熱媒形式換熱器。這類型的換熱器系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)動設備，操作和維護比傳統(tǒng)直接換熱的預熱器更為復雜。此外為保證使用壽命，也需要在煙氣放熱端換熱表面進行防腐處理。

（3）搪瓷式換熱器，目前國內(nèi)已開發(fā)出搪瓷板式換熱器，較傳統(tǒng)的搪瓷管式換熱器的來說，其結構更緊湊，傳熱效率更高。搪瓷工藝水平的高低是該類型換熱器能否大規(guī)模推廣使用的關鍵。

1.2.2 新型加熱爐熱效率提升工藝路線概述

（1）為追求更高的加熱爐效率，最有效的且比較成熟的技術路線是采用防腐材質(zhì)玻璃或其他非金屬材質(zhì)換熱器做空氣預熱器的低溫段，大幅度降低排煙溫度。

（2）硫化物蒸汽與水蒸氣冷凝過程中，蒸汽首先變成粒徑在200μm左右的小液滴，液滴會吸附煙氣中的粉塵顆粒作為凝結核，逐漸團聚成為大液滴后落下。這個團聚吸附的過程會自發(fā)的吸收煙氣中大量的粉塵和二氧化硫，因此經(jīng)過深度降溫冷凝后的煙氣中的固體顆粒物會大量減少，煙氣潔凈程度會大幅度提升。

（3）為確保冷凝液的腐蝕不會對整個加熱爐尾氣排放系統(tǒng)造成損害，需要對煙道、引風機及煙囪進行必要的防腐處理和改進。

綜上所述，采用玻璃材質(zhì)空氣預熱器可以在有效降低排煙溫度的同時，避免露點腐蝕問題，同時玻璃材質(zhì)的價格適中，適合工業(yè)化推廣使用。

2 玻璃板式空氣預熱器的技術性能

2.1 玻璃在工業(yè)換熱上的應用

近些年，隨著工藝及技術的進步，一種新型板式結構，不易積灰，結構緊湊，易清洗的玻璃板式換熱器逐步應用。

玻璃板式換熱器采用平板玻璃作為主要換熱板片，非焊接形式組裝，其內(nèi)部所有支撐和密封材料也都采用玻璃或聚四氟乙烯等非金屬材料，既克服了管式換熱器結構不緊湊，易積灰，不易清洗的缺陷，同時完全保留了玻璃完全防腐的性能優(yōu)勢。

2.2 玻璃板式空氣預熱器在熔鹽爐上應用的優(yōu)勢

2.2.1 耐腐蝕性能優(yōu)良

除氫氟酸和強堿外，玻璃幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生反應，而目前我公司熔鹽爐煙氣中主要的酸性物質(zhì)是含硫及含氮化合物，玻璃板式換熱器可完全抵抗該類型物質(zhì)的酸性腐蝕。

2.2.2 流動阻力低

在管式換熱器（管束式和熱管式）內(nèi)部，煙氣垂直流過各換熱管，繞過管道后會形成窩街，造成流場紊亂。流場的紊亂會增大傳熱系數(shù)，但同時會加劇阻力損失。當氣流從管道上脫出的頻率與管道聲學駐波頻率近似時，還會引起震動。

而平板式換熱器內(nèi)部流動相對均勻，雖然相對于紊流，均勻的層流換熱系數(shù)相對較低，但板式換熱器結構更為緊湊，正常情況下，同樣體積的板式換熱器因換熱面積更大，其總傳熱負荷高于管式換熱器。

2.2.3 不易積灰堵塞

煙氣垂直流過換熱管束時，管子迎風面會發(fā)生截流作用，背風面會產(chǎn)生窩街，這兩種流體力學現(xiàn)象會加劇灰塵在管壁某些區(qū)域上堆積。而平板式換熱器因避免了大面積的截流和窩街現(xiàn)象，因此從結構上大大降低了積灰情況的發(fā)生。

除了結構外，另外一個影響表面積灰的因素是材料表面粗糙度。鏡面平板玻璃表面粗糙度極小，只有2-10μm，遠遠小于灰塵顆粒直徑（50-200μm），也就是說灰塵顆粒直徑遠大于玻璃表面的“縫隙和凹槽”，所以灰塵很難在玻璃表面“生根”，因而最大程度上避免了表面積灰極灰堆的生長。

2.2.4 熱變形量小

玻璃板式換熱器采用的特種耐熱玻璃，其本身的熱漲率很低，通過試驗實測，溫度每變換150℃，其形變量約3‰左右，加熱爐工況變換對其尺寸變形的影響很小。

3 改造應用

3.1 改造方案介紹

該裝置原采用熱管式換熱器作為空氣預熱器，年平均排煙溫度大約125℃。加熱爐效率大約92.5%左右。每個運行周期末端，因腐蝕導致部分換熱管失效，預熱器總體傳熱效率下降，壓降上升。需投入大量費用進行檢修更換。

鑒于這種情況，對該熱管式預熱器進行更換，改用玻璃板式換熱器設備改造，降低維修工作量，提升加熱爐效率。

3.2 運行情況介紹

（1）該裝置自2017年4月改造運行以來，煙氣進口溫度一直控制在140-170℃左右，預熱器平均排煙溫度在100℃左右，排煙溫度降低約25℃，熔鹽爐熱效率由原92%提升到93.5%。

（2）現(xiàn)場依照實際操作需求，將排煙溫度控制在100℃左右，提高熔鹽爐綜合熱效率。

（3）相較于傳統(tǒng)金屬預熱器（排煙溫度為120-150℃），玻璃板式換熱器通過深度降低排煙溫度（平均100℃左右，冬季時可到80℃），大量回收煙氣顯熱及部分汽化潛熱，因而極大的提高了加熱爐熱效率。

（4）預熱器2017年至今的排煙溫度一直控制在80-110℃，在投用近一年后，預熱器換熱板及框架狀態(tài)良好，完全沒有出現(xiàn)腐蝕情況。同時預熱器板間通道通暢，表面幾乎無灰塵，抗積灰堵塞性能優(yōu)良，使用至今無需另外維護。

3.3 試驗結論

該技術方案可有效降低排煙溫度，提高加熱爐熱效率。自投用以來，有效應對了生產(chǎn)負荷變化導致的熔鹽爐負荷調(diào)整，在保證熔鹽爐安全穩(wěn)定運行的基礎上，降低出口溫度25℃，每臺爐年節(jié)約燃料成本達92萬元。

依據(jù)目前使用情況來看，該裝置檢修周期可減免大量維護成本，今年的大修檢修計劃中僅需要對該空氣預熱器檢查即可，可節(jié)省大量人力物力以及設備更換的費用，約計35萬元。

空氣預熱器的主要失效損壞原因是腐蝕和堵塞，但玻璃板式空氣預熱器可完全抵抗腐蝕并極大程度上減緩積灰，因而其可預期的使用壽命會很長。

4 結語

通過對熔鹽爐空氣預熱器改造，深度降低加熱爐排煙溫度，提高加熱爐熱效率。同時煙氣中的酸性蒸汽與水蒸氣發(fā)生冷凝時，可以吸附大量粉塵和酸根離子，可以很大程度上提高煙氣潔凈度，減少污染物排放。采用玻璃板式換熱器可以有效抵抗露點腐蝕，抵抗換熱器積灰堵塞，同時實現(xiàn)超低溫排煙和煙氣冷凝除塵，具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

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作者簡介：劉明國（1967-），男，本科，設備動力部副經(jīng)理，從事設備管理及招標工作。