改性莫來石陶瓷空氣預(yù)熱器的研發(fā)與應(yīng)用

李國志

（中國石化荊門分公司，湖北荊門 448039）

加熱爐排煙溫度是影響加熱爐熱效率的主要因素之一。加熱爐余熱回收系統(tǒng)能高效、穩(wěn)定、長周期運行是降低排煙溫度的主要措施[1]。目前，困擾加熱爐余熱回收系統(tǒng)的主要問題是含H2S煙氣低溫露點腐蝕，在實際工作中應(yīng)對的方法主要是提高加熱爐的排煙溫度，這樣勢必導(dǎo)致加熱爐效率降低。

為解決煙氣露點腐蝕問題，嘗試了各種材質(zhì)空氣預(yù)熱器，從金屬涂層、玻璃板到鑄鐵板，但要徹底消除露點腐蝕，應(yīng)直接選擇可靠的抗露點腐蝕材料[2]。雖然搪瓷管、鑄鐵板等耐煙氣露點腐蝕能力比普通碳鋼有很大的提高，但不論是普通碳鋼或鑄鐵材料，都會與煙氣中的稀硫酸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，輕者使空氣預(yù)熱器傳熱面發(fā)生粘灰堵塞，嚴(yán)重時，會使空氣預(yù)熱器的傳熱面腐蝕穿孔，使空氣預(yù)熱器失效[3]。為此，中國石化荊門分公司和中國石化洛陽技術(shù)中心共同研發(fā)了改性莫來石陶瓷空氣預(yù)熱器，并在前者加熱爐上進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用。

1 改性莫來石陶瓷空預(yù)器技術(shù)研發(fā)

1.1 改性莫來石陶瓷特性

莫來石陶瓷指主晶相為莫來石的陶瓷。莫來石是A12O3—SiO2系中唯一穩(wěn)定的二元化合物，組成可在3 A12O3·2 SiO2~2 A12O3·SiO2間變化，即A12O3含量可在71.8%~77.3%（w）范圍內(nèi)波動[4]。

普通莫來石陶瓷以鋁硅酸鹽系天然礦物作為主要原料，采用在燒結(jié)過程中使之莫來石化的反應(yīng)燒結(jié)法或先合成莫來石再成型燒結(jié)的方法制成。因原料純度低、雜質(zhì)含量高，制品中有相當(dāng)數(shù)量的玻璃相，致使其力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)較差，使莫來石陶瓷在高溫下的優(yōu)良性能得不到充分發(fā)揮[5]。

實際上，由于莫來石陶瓷的導(dǎo)熱率偏低，用來研發(fā)陶瓷空氣預(yù)熱器還有不足之處，因此在莫來石中添加碳化硅來提高陶瓷的導(dǎo)熱率。碳化硅陶瓷具有強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)大、抗震性好、抗氧化、耐磨損、抗侵蝕等優(yōu)良性能，是一種優(yōu)質(zhì)陶瓷材料[6]。碳化硅陶瓷的缺點是斷裂韌性較低，即脆性較大。因此以莫來石結(jié)合碳化硅制成的陶瓷可改善單體材料的韌性和強(qiáng)度，并提高材料的導(dǎo)熱率。

另外，改性陶瓷屬于無機(jī)材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性（耐腐蝕性）和耐磨性能，是一種超強(qiáng)的抗酸腐蝕材料，是用來研究開發(fā)加熱爐冷凝式空氣預(yù)熱器的理想材料，其物理及耐腐蝕性能見表1，化學(xué)成分見表2。因此從技術(shù)上來說，用改性莫來石陶瓷材料開發(fā)冷凝式空氣預(yù)熱器技術(shù)可行。從制造成本考慮，陶瓷空氣預(yù)熱器成本大約為0.10萬~0.13萬元/m2，是鑄鐵板式空氣預(yù)熱器造價的1/2~2/3，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良。

表1 改性莫來石陶瓷物理及耐腐蝕性能

表2 改性莫來石陶瓷化學(xué)成分

通過研究不同成分莫來石陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)，確定空氣預(yù)熱器陶瓷傳熱芯體的成分為“莫來石＋碳化硅”，其導(dǎo)熱系數(shù)為7.5 W/m·k，是普通莫來石陶瓷（導(dǎo)熱系數(shù)為1.6 W/m·k）的4倍多，更加有利于煙氣和空氣的換熱。

1.2 新型改性莫來石陶瓷空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)及性能

新型改性莫來石陶瓷低溫空氣預(yù)熱器是以改性莫來石陶瓷（莫來石＋碳化硅）材料為傳熱芯體單元研制的新一代抗低溫腐蝕空氣預(yù)熱器。

1.2.1 結(jié)構(gòu)

通過CFX數(shù)值模擬分析計算，優(yōu)化確定改性莫來石陶瓷低溫?fù)Q熱器的結(jié)構(gòu)，然后在試驗裝置上進(jìn)行小型改性陶瓷低溫?fù)Q熱器熱態(tài)試驗，評價其傳熱性能、抗腐蝕性能、密封效果和除垢能力。在試驗分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計出改性莫來石陶瓷低溫?fù)Q熱器。改性莫來石陶瓷低溫?fù)Q熱器屬于間壁傳熱的范疇，采用蜂窩式換熱結(jié)構(gòu)，使陶瓷空氣預(yù)熱器的強(qiáng)度得到很大提高；采用間壁式氣—氣換熱結(jié)構(gòu)，使冷凝式陶瓷空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)大為簡化，操作簡便。換熱芯體由若干塊長方體型改性莫來石陶瓷塊重迭而成，每個改性莫來石陶瓷傳熱單元沿軸向與徑向開有若干排相互垂直的小孔，形成兩種不同流體的通道。每兩塊傳熱單元體之間用高溫膠泥粘接以保證軸向、徑向兩組流道內(nèi)的流體互相不滲漏。兩組流道為簡壁結(jié)構(gòu)。熱煙氣從每一換熱塊的軸向流過，與流過徑向流道的冷空氣進(jìn)行換熱，從而達(dá)到預(yù)熱空氣的目的。兩端管板與改性莫來石陶瓷芯體通過軟性密封材料相連接。工業(yè)應(yīng)用試驗陶瓷空氣預(yù)熱器外形結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 工業(yè)應(yīng)用試驗陶瓷空氣預(yù)熱器

1.2.2 性能

陶瓷空氣預(yù)熱器的各項技術(shù)指標(biāo)：

工作最佳空氣流速為14~18 m/s，煙氣流速為14~18 m/s；換熱系數(shù)K為26~30 W/（m2·K）；空氣側(cè)壓降為400~700 Pa，煙氣側(cè)壓降為250~450 Pa；最低排煙溫度為85℃。

改性陶瓷低溫?fù)Q熱器的換熱性能與流道孔有緊密關(guān)系，換熱系數(shù)隨流道孔流速的增大而增大，壓降也隨之增大。

小型冷凝式陶瓷空氣預(yù)熱器熱態(tài)試驗結(jié)果表明，陶瓷空氣預(yù)熱器的設(shè)計緊湊，密封良好，綜合傳熱系數(shù)高。

由于改性莫來石陶瓷材料具有很強(qiáng)的耐酸腐蝕性能和耐磨性能，適用于低溫?zé)煔馀c空氣的換熱。在避免煙氣露點腐蝕和回收煙氣低溫顯熱的同時，還能部分回收含酸水蒸氣的汽化潛熱，可使加熱爐的熱效率進(jìn)一步提高，達(dá)到深度節(jié)能的目的。由于低溫段已經(jīng)處于煙氣露點腐蝕環(huán)境中，陶瓷傳熱芯體一側(cè)會有酸液凝結(jié)，為了保證設(shè)備可靠、安全運行，需要對陶瓷空氣預(yù)熱器煙氣出口端進(jìn)行防腐蝕處理，并設(shè)有冷凝液排放閥門。

1.2.3 創(chuàng)新性

改性莫來石陶瓷低溫空氣預(yù)熱器創(chuàng)新性體現(xiàn)為：

1）利用非金屬陶瓷材料，采用蜂窩間壁結(jié)構(gòu)，冷凝式空氣預(yù)熱器技術(shù)，回收煙氣中的水蒸汽的汽化潛熱。

2）具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力，可在酸性煙氣和酸性冷凝液環(huán)境中安穩(wěn)運行。

3）非金屬陶瓷材料有成本優(yōu)勢，性價比較高，有利于大批量推廣應(yīng)用。

2 應(yīng)用效果

目前，荊門分公司系統(tǒng)瓦斯H2S含量較高，平均在150 mg/m3。加熱爐余熱回收系統(tǒng)低溫段排煙溫度在130℃左右。若系統(tǒng)瓦斯H2S含量波動頻繁，加熱爐余熱回收系統(tǒng)低溫段運行溫度則在煙氣酸露點臨界點或以下運行。加熱爐余熱回收系統(tǒng)低溫段極易產(chǎn)生露點腐蝕，導(dǎo)致因腐蝕穿孔而失效，造成加熱爐余熱回收系統(tǒng)不能長期、穩(wěn)定運行。同時130℃以下低溫?zé)煔獾挠酂嵋参幢怀浞掷茫瑺t效也不能進(jìn)一步提升。

為此，2017年11月在酮苯裝置聯(lián)合加熱爐煙氣余熱回收系統(tǒng)上應(yīng)用改性莫來石陶瓷低溫空氣預(yù)熱器。酮苯裝置加熱爐余熱回收系統(tǒng)原結(jié)構(gòu)為采用兩段組合式的空氣預(yù)熱器，高溫段為熱管，低溫段為搪瓷管。利用現(xiàn)有余熱回收裝置中的“搪瓷管段”位置安裝“改性陶瓷低溫?fù)Q熱器”，保持高溫段熱管不變，盡量減少改造工程量。2017年12月10日投用，改造后酮苯裝置加熱爐煙氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器的溫度為150℃，經(jīng)過高溫段熱管空預(yù)器，進(jìn)入低溫段陶瓷空預(yù)器的溫度為130℃，在陶瓷空預(yù)器中與常溫空氣進(jìn)行換熱，煙氣溫度由130℃再降至85℃后經(jīng)引風(fēng)機(jī)排至煙囪。空氣溫度由15℃（常溫）升至70℃，在進(jìn)入高溫段預(yù)熱至95℃。煙氣溫度由115.9℃降低至85℃，加熱爐實際熱效率提高2百分點。改造主要設(shè)備投資共計60萬元。表4為酮苯裝置加熱爐空氣預(yù)熱器設(shè)計參數(shù)，表5陶瓷空氣預(yù)熱器性能參數(shù)。

表4 酮苯裝置加熱爐空氣預(yù)熱器設(shè)計參數(shù)

表5 陶瓷空氣預(yù)熱器性能參數(shù)

投用正常后，2017年12月對酮苯裝置加熱爐余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了初步標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見表6。

酮苯裝置加熱爐進(jìn)行節(jié)能改造后，在解決低溫段露點腐蝕問題的同時，爐效提升2.6%，排煙溫度降低40℃，多回收熱量0.586 MW，每年可節(jié)約燃料氣（以年運行8 400 h計）423 t，以燃料氣價格2 162.13元/t計算，每年可增加經(jīng)濟(jì)效益91.458萬元。另外由于減少燃料消耗，酮苯裝置加熱爐每年減少二氧化碳排放量約1 269 t，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分顯著。投資回收期約7.9個月。

表6 酮苯裝置加熱爐余熱回收系統(tǒng)節(jié)能情況

3 結(jié)論

新型改性莫來石陶瓷低溫空氣預(yù)熱器換熱技術(shù)首次在荊門分公司加熱爐空氣預(yù)熱器低溫段使用，使用效果良好。改性莫來石陶瓷低溫空氣預(yù)熱器具有優(yōu)良的傳熱能力和耐酸腐蝕能力，可以在100℃以下甚至更低的排煙溫度下安全運行，解決了困擾加熱爐空氣預(yù)熱器低溫段露點腐蝕問題。