熱管式空氣預熱器的故障分析及解決方案探討

馮愛金（中國石油錦西石化公司）

錦西石化Ⅰ套常減壓裝置加熱爐目前使用的煙氣余熱回收系統(tǒng)是熱管式空氣預熱器，投用以來，一直存在熱管易失效、運行效率不穩(wěn)定、運行周期短、維護成本高等問題?？諝忸A熱器歷次檢修清垢及更換部分熱管后，運行1年左右換熱效率就明顯下降，而運行1年半以后，換熱效果就會差到嚴重影響加熱爐效率達標的程度。

經研究分析得知，其中積灰、露點腐蝕、熱管失效是熱管式空氣預熱器效率下降的主要原因[1]。為了延長空氣預熱器的運行周期，降低維護成本，保證換熱效率，把現有的熱管式空氣預熱器更換為板式空氣預熱器是一個有效的解決辦法。新型板式空氣預熱器具有傳熱性能高，不易積灰、清灰簡單，換熱部件使用壽命長，適應性強、操作彈性大，維護成本低，模塊化、安裝靈活，阻力小等優(yōu)點，也伴隨有換熱板翅化難于清理等缺點，但上述不足可通過設備改造和優(yōu)化設計予以避免。由此可見，新型的板式空氣預熱器非常適合錦西石化Ⅰ套常減壓裝置加熱爐生產的實際情況。

1 故障檢修

錦西石化Ⅰ套常減壓裝置減壓爐為立式圓筒爐，熱負荷為21.648MW，主要燃料以天然氣為主，以裝置內蒸發(fā)塔、常壓塔和減壓塔塔頂的自產瓦斯為輔。其余熱回收系統(tǒng)采用熱管式空氣預熱系統(tǒng)，殼體材質為碳鋼，熱管共832根，熱管材質其中有三分之一為304材質，置于低溫段，其余全部為碳鋼熱管，置于高溫段。

檢修前2個月，減壓爐的空氣預熱器效率已有明顯降低的趨勢。2個月后，已嚴重影響了加熱爐日常的生產操作，排煙溫度在150℃左右且無法通過工藝調節(jié)來降低，這直接導致加熱爐效率不能達標。所以，決定采購25%的熱管，并利用10天時間對減壓爐的空氣預熱器進行檢修，將熱管全部抽出清洗，檢查內部積灰結垢嚴重，通過宏觀鑒定有100根熱管腐蝕泄漏。另外，通過熱水試驗有85根熱管由于內部工質失效導致不傳熱，腐蝕失效的熱管數占總數約12%，工質析氫失效占總數的10%。提前采購的熱管已全部更換，并在相應位置上做了標記和記錄。具體情況如圖1至圖5所示。

該減壓爐空氣預熱器利用10天的檢修工期檢修完成，正常投用，檢修后近期的使用效果尚好。如圖6所示，減壓爐空氣預熱器投用后，煙道排煙溫度暫為130℃左右，下降20℃左右。

在近5年中，減壓爐熱管式空氣預熱器已進行了3次檢修。前2次檢修更換了50%的熱管，采購熱管和修理費每次消耗近20萬元，2次共花費約40萬元。本次檢修采購熱管花費10萬元，檢修施工費用花費5萬元，合計修理費15萬元，且停運10天左右。由此可見，該裝置運行不到2個周期，減壓爐熱管式空氣預熱器所消耗的檢修維護資金總共約為55萬元，幾乎達到了本身購置費。更換熱管只是目前的解決方式，想要更有效地解決上述問題，還需要更深入地進行研究探討。

圖1 低溫段304材質熱管翅片腐蝕嚴重

圖2 304材質熱管本體腐蝕斷裂

圖3 碳鋼熱管腐蝕泄漏

圖4 煙氣側底部積灰至人孔下緣

圖5 熱管積灰結垢嚴重

圖6 減壓爐DCS示意圖

2 故障原因分析

2.1 熱管內積灰結垢嚴重

該減壓爐主要燃料以天然氣為主，但還需要消耗裝置內蒸發(fā)塔、常壓塔和減壓塔塔頂的自產瓦斯。由于裝置內自產瓦斯S含量較高，燃燒后煙氣中灰分較多，煙氣在經過空氣預熱器換熱后溫度降低到接近露點區(qū)域，產生的濕灰不容易被吹灰器吹掉，吹灰后灰不能排入大氣，都沉積下來。目前的熱管式空氣預熱器的結構也不合理，熱管垂直放置，且底部無積灰室，這樣的結構導致煙氣側的灰垢沉積更加嚴重，阻塞煙氣側熱管正常換熱。

2.2 熱管由于露點腐蝕發(fā)生泄漏

雖然熱管式空氣預熱器在石化行業(yè)的加熱爐煙氣余熱回收系統(tǒng)占有非常大的市場份額，且不斷有新的技術出現，但不適合錦西石化Ⅰ套常減壓裝置減壓爐燃燒自產瓦斯的生產特點。主要是因為自產瓦斯S含量較高，較低時在15000mg/m3左右，最高時超過27000mg/m3，將排煙溫度控制在130℃以上也不能保證露點腐蝕不發(fā)生，所以煙氣的露點腐蝕是熱管失效的主要原因。

2.3 熱管內傳熱工質失效

熱管工質與管壁金屬里的鐵發(fā)生析氫反應，導致熱管內真空度下降，熱管受熱后工質氣化率下降，導致熱管失效。發(fā)生析氫反應的原因是鋼鐵中都含有碳元素，在潮濕空氣中，鋼鐵表面會吸附水汽而形成一層薄薄的水膜，水膜中溶有二氧化碳后就變成一種電解質溶液，使水里的氫離子增多，這就構成無數個以鐵為負極、碳為正極、酸性水膜為電解質溶液的微小原電池[2]，屬于電化學腐蝕，反應方程式如下所示。

負極：鐵被氧化Fe-2e-=Fe2+

正極：溶液中的H被還原2H++2e-=H2↑

根據近期的故障檢修情況，并核算熱管的更換數量，按此計算，熱管的年失效率已達到3.4%。

3 解決方案

如上所述，錦西石化Ⅰ套常減壓裝置加熱爐的熱管式空氣預熱器存在故障率高、運行周期短、維護成本高等問題。為了解決這些問題，經過深入的研究探討，可以將原熱管式空氣預熱器改為板式空氣預熱器，這樣所有問題都可以有效緩解。

板式空氣預熱器相對于熱管式空氣預熱器的優(yōu)勢如下：

1）傳熱性能高。經過實驗測試，板式空氣預熱器的傳熱系數為管束式空氣預熱器的1.2～1.5倍，同等熱負荷可節(jié)約換熱面積20%～50%。

具體的實驗是在吸風式傳熱風洞上進行的。在實驗前依次裝有導流板及雙層整流網和穩(wěn)定收縮段，使進入實驗段的空氣流場均勻，空氣經過預熱器后進入測量流量的穩(wěn)定段，流量測量是用畢托管測量的。板式空氣預熱器另一側采用常壓下飽和蒸汽凝結放熱，蒸汽靠硅碳棒加熱爐產生。蒸汽在板式空氣預熱器里冷凝后進入凝結水測量段，最后回到硅碳棒加熱爐里，實驗系統(tǒng)均用玻璃棉保溫，防止熱損失。實驗風速為2～16m/s。在采用同樣的氣體流速和Re時，計算板式與管束式空氣預熱器的傳熱系數。

K1＝23.8kcal/m2·h·℃ （板式）

K2＝19.2kcal/m2·h·℃ （管束式）

從結果看出，板式空氣預熱器傳熱系數為管束式空氣預熱器的1.2～1.5倍[3]。

2）不易積灰，清灰簡單。板式空氣預熱器單位體積內換熱面積大，有寬且直的流道，故積灰速度比熱管式空氣預熱器緩慢。其結構也便于清灰，可以通過水沖洗接口，臨時連接水管清洗換熱板模塊，從而有效清除積灰且大大減少因為清理積灰所必須的停運時間。

3）換熱部件使用壽命長。隨著國內鑄造技術的進步，板式空氣預熱器可選用合金材料鑄造的換熱板來提高抗露點腐蝕的能力，而且板式空氣預熱器板材也可以進行各種處理，采用防腐涂料、滲鋁、搪瓷等措施[4]，增加板材使用壽命。而熱管的表面處理和翅化是沖突的，表面處理就不能翅化，換熱面積就無法擴大，翅化可以保證換熱面積，但表面處理層的壽命卻受到影響。

4）適應性強，操作彈性大。板式空氣預熱器使用安全，無溫度限制，無爆管的問題。而熱管式空氣預熱器使用溫度受到限制，一般采用的是鋼水熱管，一旦裝置運行異常，換熱的煙氣超過300℃，管內的壓力急劇增加，大量的不凝氣體會爆管，造成部分熱管失效。

5）維護成本低。板式空氣預熱器一次性投資費用較熱管式空氣預熱器高，但后續(xù)的維護費用和燃料氣使用費用降低（表1）。熱管式空氣預熱器1次維護成本約15萬元，1年半維護1次，板式空氣預熱器則3年檢修1次，極大地降低了維護成本。

表1 熱管式與板式空氣預熱器經濟性對比

由表1可見，排煙溫度下降了30℃，加熱爐綜合熱效率提高了1.5%。按年加工量240×104t計算，熱負荷為21.648MW，折合1.86×107kcal/h；按熱效率提升1.5%計算，每年可節(jié)約能量2.34×109kcal

以燃料氣燃燒熱量q燃=11663kcal/kg計算，每年可節(jié)省燃料氣201t。按照燃料氣價格1856元/t計算，每年可節(jié)省燃料氣使用費用37.3萬元。

6）模塊化，安裝靈活。每臺單體模塊的換熱面積為50～80m2，對于較大熱負荷的加熱爐可把數個單體模塊進行組合，檢修清垢時也可單獨檢修單體模塊。

7）阻力小。氣流在兩板之間流動，具有暢通無阻的氣體流動通道，同樣的應用場合，板式空氣預熱器的壓降一般僅為熱管式的20%～60%[5]，這有助于減少風機動力消耗、降低電耗。

板式空氣預熱器的缺點：

1）由于環(huán)境因素的影響，特別是在北方，夏天和冬天的溫差較大，冬天會造成排煙溫度過低；所以，在設計時應充分考慮可控制冷源走支路的流量，以保證爐排煙溫度調節(jié)能力。

2）換熱板翅化也容易積灰，難清除。如果板式空氣預熱器需要翅化增加換熱面積時，換熱板的翅片由于間隙小，易造成積灰且難于清理；如果換熱面積滿足則應該避免選擇帶翅片的板式空氣預熱器。

4 結論

通過以上的對比和研究分析，板式空氣預熱器相對適合錦西石化Ⅰ套常減壓裝置加熱爐的余熱回收系統(tǒng)，不但節(jié)省維護成本，有效降低排煙溫度，提高空氣預熱器的運行效率，延長設備運行周期，也在一定程度上更好地解決了露點腐蝕嚴重等問題，而且還達到了節(jié)省燃料、低碳排放的目的，節(jié)能效果突出。由此可以看出，錦西石化Ⅰ套常減壓裝置由熱管式空氣預熱器更換為板式空氣預熱器必將成為發(fā)展趨勢。