組合式FAE換熱器在石化加熱爐節(jié)能改造中的應(yīng)用

郝建峰,薛 飛

(1. 中國(guó)石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司，河北 石家莊 052160； 2. 上海孚旺爐業(yè)有限公司，上海 201824)

中國(guó)石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司S Zorb裝置設(shè)置加熱爐(F-101)1臺(tái)，設(shè)計(jì)負(fù)荷為10.86 MW；設(shè)置落地余熱回收系統(tǒng)1套，預(yù)熱器為熱管式空氣預(yù)熱器，設(shè)計(jì)排煙溫度為120 ℃。該裝置實(shí)際運(yùn)行時(shí)加熱爐排煙溫度為130 ℃，燃料熱效率為91.5%。在正常工況下，加熱爐對(duì)流室出口煙氣溫度在330～340 ℃；短期操作工況下，加熱爐對(duì)流室出口煙氣溫度為400 ℃。熱管式預(yù)熱器設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 熱管式空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)

1 現(xiàn)有余熱回收系統(tǒng)預(yù)熱器問(wèn)題分析

1.1 內(nèi)漏明顯

依據(jù)熱管式空氣預(yù)熱器煙氣出入口的氧含量可推算出熱管式空氣預(yù)熱器存在非常大的內(nèi)漏問(wèn)題，漏風(fēng)率為5%。分析產(chǎn)生內(nèi)漏的原因如下：

1) 中間隔板孔密封不嚴(yán)密產(chǎn)生的泄漏。熱管式空氣預(yù)熱器是靠中間隔板將煙氣和空氣隔開(kāi)的，同時(shí)中間隔板也起到支撐熱管的作用，由于熱管需要穿過(guò)中間隔板，且在隔板處無(wú)法做到完全密封，因此在空氣管程為正壓，煙氣管程為負(fù)壓的情況下，空氣會(huì)向煙氣側(cè)泄漏。

2) 露點(diǎn)腐蝕加劇了泄漏。在環(huán)境溫度較低且燃料含硫的情況下，熱管式空氣預(yù)熱器低溫區(qū)的中間隔板煙氣側(cè)會(huì)由于其壁溫低于煙氣露點(diǎn)溫度而產(chǎn)生低溫露點(diǎn)腐蝕，加劇空氣向煙氣側(cè)泄漏。

1.2 換熱面積不足

從表1中熱管式空氣預(yù)熱器實(shí)際運(yùn)行參數(shù)值不難看出，熱管式空氣預(yù)熱器無(wú)法滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值，換熱面積存在不足。分析原因如下：

1) 爆管造成熱管失效導(dǎo)致?lián)Q熱面積不足。根據(jù)裝置工藝需求，S Zorb加熱爐存在短期排煙溫度(對(duì)流室出口)為400 ℃的工況，而一般鋼-水熱管僅適用于煙氣入口溫度低于340 ℃的換熱設(shè)備，因此在對(duì)流室出口煙氣溫度高于340 ℃ 的工況下，會(huì)造成熱管爆管導(dǎo)致?lián)Q熱面積下降。

2) 露點(diǎn)腐蝕造成熱管失效導(dǎo)致?lián)Q熱面積不足。在環(huán)境溫度較低且燃料含硫的情況下，熱管式空氣預(yù)熱器低溫區(qū)的煙氣側(cè)熱管管壁溫度低于煙氣露點(diǎn)溫度，從而產(chǎn)生低溫露點(diǎn)腐蝕，造成熱管穿孔腐蝕失效導(dǎo)致?lián)Q熱面積下降。

1.3 潛在隱患

在冬季環(huán)境溫度較低的情況下，熱管式空氣預(yù)熱器金屬低溫區(qū)會(huì)低于露點(diǎn)溫度【1】，此時(shí)有含H2SO4和H2SO3的酸性冷凝水凝結(jié)析出，在煙氣引風(fēng)機(jī)抽力的作用下，煙氣中凝結(jié)出含有H2SO4和H2SO3的酸性霧滴會(huì)進(jìn)入到煙氣引風(fēng)機(jī)中，并受風(fēng)機(jī)葉輪離心力的作用被甩到葉輪和殼體上，在長(zhǎng)期操作情況下會(huì)造成風(fēng)機(jī)葉輪和殼體的腐蝕，從而導(dǎo)致煙氣引風(fēng)機(jī)漏風(fēng)、效率降低，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致停車。

2 改造方案

為了解決S Zorb裝置加熱爐余熱回收系統(tǒng)預(yù)熱器存在的問(wèn)題，提高加熱爐熱效率，保證該裝置加熱爐安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，于2017年9月利用裝置大檢修期間，對(duì)S Zorb裝置加熱爐余熱回收系統(tǒng)預(yù)熱器進(jìn)行了改造。

2.1 技術(shù)路線

更換原有熱管式空氣預(yù)熱器為碳鋼板式空氣預(yù)熱器；同時(shí)，在煙氣引風(fēng)機(jī)的下游增設(shè)1臺(tái)低溫FAE煙氣空氣換熱器。將現(xiàn)有的一級(jí)換熱余熱回收系統(tǒng)(系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1)改造為兩級(jí)換熱余熱回收系統(tǒng)。改造后余熱回收系統(tǒng)流程見(jiàn)圖2。

圖1 改造前煙氣余熱回收系統(tǒng)示意

2.2 改造后煙氣余熱回收系統(tǒng)流程簡(jiǎn)述

1) 冷空氣由鼓風(fēng)機(jī)先送入FAE換熱器，經(jīng)過(guò)與煙氣引風(fēng)機(jī)出來(lái)的190 ℃中溫?zé)煔鈸Q熱至120 ℃后，進(jìn)入碳鋼板式預(yù)熱器與從加熱爐對(duì)流室出口煙道來(lái)的330～340 ℃高溫?zé)煔鈸Q熱，最后進(jìn)入爐底燃燒器供燃料燃燒使用。

2) 高溫?zé)煔鈴募訜釥t對(duì)流室出口出來(lái)后先進(jìn)入碳鋼板式預(yù)熱器，與FAE換熱器來(lái)的中溫空氣換熱降到190 ℃，然后通過(guò)煙氣引風(fēng)機(jī)送入FAE換熱器，與由鼓風(fēng)機(jī)來(lái)的冷空氣換熱降到≤100 ℃，最后由FAE換熱器出來(lái)進(jìn)入加熱爐頂部煙囪排入大氣。

圖2 改造后煙氣余熱回收系統(tǒng)布置

3) 設(shè)置空氣旁路。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)空氣旁路，碳鋼板式預(yù)熱器的煙氣出口溫度可控制在190 ℃；而且進(jìn)入碳鋼板式預(yù)熱器的空氣溫度120 ℃，碳鋼預(yù)熱器冷端傳熱元件的壁溫155 ℃，遠(yuǎn)高于煙氣露點(diǎn)溫度，避免了碳鋼板式預(yù)熱器發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。

4) 設(shè)置煙氣旁路。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)打開(kāi)煙氣旁路擋板和FAE換熱器空氣旁路擋板，關(guān)閉FAE換熱器煙氣進(jìn)出口擋板，實(shí)現(xiàn)FAE換熱器從余熱回收系統(tǒng)中切出。

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

1) 采用耐露點(diǎn)腐蝕的低溫FAE煙氣空氣換熱器回收煙氣低溫余熱，避免了低溫露點(diǎn)腐蝕的弊端，有效降低了加熱爐的排煙溫度，提高了加熱爐的熱效率。

2) 采用兩級(jí)換熱余熱回收系統(tǒng)，提高了碳鋼板式空氣預(yù)熱器的煙氣出口溫度和空氣入口溫度，從而使碳鋼板式空氣預(yù)熱器和煙氣引風(fēng)機(jī)避免了低溫露點(diǎn)腐蝕的影響，提高了設(shè)備使用壽命。

3) 加熱爐熱效率的有效提高，在節(jié)省燃料消耗的同時(shí)，減少了排入大氣的煙氣量，從而使排入大氣中的CO2、NOx、SO2和煙塵顆粒物的排放也得到減少。

4) 排煙溫度降低至100 ℃以下后，煙氣中水蒸氣會(huì)有部分冷凝，冷凝成液滴的水蒸氣在低溫FAE煙氣空氣換熱器底部的排凝口排出，對(duì)煙氣產(chǎn)生了一定的凈化作用。

5) 組合式低溫FAE煙氣空氣換熱器的阻力降較原熱管預(yù)熱器低，可在不更換風(fēng)機(jī)的情況下進(jìn)行改造，降低了改造成本。

3 低溫FAE煙氣空氣換熱器的特點(diǎn)

低溫FAE煙氣空氣換熱器是以寬流道板式空氣換熱器【2】為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)對(duì)材料和連接形式等方面進(jìn)行改良和創(chuàng)新而形成的一種新型耐低溫露點(diǎn)腐蝕的煙氣空氣換熱器。因此，低溫FAE煙氣空氣換熱器具有板式空氣預(yù)熱器的所有優(yōu)點(diǎn)，如傳熱性能高、阻力降低、不易積灰、結(jié)構(gòu)緊湊度高等。FAE煙氣空氣換熱器示意見(jiàn)圖3。

圖3 低溫FAE煙氣空氣換熱器

3.1 低溫FAE換熱器主要優(yōu)點(diǎn)

1) 抗露點(diǎn)腐蝕性能好。FAE換熱器的換熱板采用的是復(fù)合板。復(fù)合板的復(fù)合層為非金屬納米材料，其抗煙氣酸露點(diǎn)腐蝕性能可以與玻璃媲美。同時(shí)，與煙氣接觸的金屬內(nèi)表面設(shè)置有防腐層，采用噴涂的方式噴涂于金屬表面，避免煙氣冷凝液對(duì)設(shè)備殼體造成腐蝕。關(guān)于復(fù)合板的幾點(diǎn)說(shuō)明如下：

a) 復(fù)合板基板根據(jù)換熱模塊工作的溫度區(qū)間可選擇為不銹鋼、ND鋼或碳鋼；

b) 露點(diǎn)腐蝕產(chǎn)生在煙氣側(cè)，因此復(fù)合層只需噴涂于煙氣側(cè)；

c) 復(fù)合層材料的主要成分為Al2O3、SiC。

2) 結(jié)構(gòu)緊湊、組合多變，便于運(yùn)輸和安裝。FAE換熱器是由多組換熱板管組成換熱芯體，再由多個(gè)換熱芯體組成整體換熱模塊，可根據(jù)改造現(xiàn)場(chǎng)和運(yùn)輸限制的需求進(jìn)行隨意組合。

3) 密封性能好。換熱模塊采用栓鉚膠的形式進(jìn)行冷態(tài)組裝(鉚膠接形式見(jiàn)圖4)。采用耐高溫耐腐蝕的密封膠(溫度使用范圍-40～280 ℃，長(zhǎng)期使用溫度≯220 ℃)做為密封材料進(jìn)行有效密封，可使FAE換熱器在換熱板間壓差達(dá)到10 kPa 時(shí)的泄漏率小于0.5%。

圖4 復(fù)合板鉚膠接形式

4) 傳熱系數(shù)高。換熱板復(fù)合層材料的導(dǎo)熱系數(shù)高于碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，因此FAE換熱器的傳熱系數(shù)不低于常規(guī)板式預(yù)熱器的的傳熱系數(shù)。

5) 設(shè)置有水沖洗設(shè)備和排凝口，可進(jìn)行在線(系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下)不定期清洗和排放煙氣冷凝液。

6) 使用壽命長(zhǎng)。在設(shè)計(jì)工況下，F(xiàn)AE換熱器的使用壽命不低于6年。

3.2 改造效果

S Zorb裝置加熱爐余熱回收系統(tǒng)改造于2017年9月底完成并投入運(yùn)行，至今已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行約15個(gè)月。期間對(duì)改造后的S Zorb裝置加熱爐余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定測(cè)試。改造后S Zorb加熱爐余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

4 改造后經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

改造后S Zorb裝置加熱爐燃料熱效率由9.15%提高到94.3%，在滿負(fù)荷工況下按年運(yùn)行8 000 h 計(jì)算，每年可節(jié)省燃料276 t，減少煙氣排放4 568 t，減少CO2排放398 t。

經(jīng)核算，每年節(jié)省燃料可產(chǎn)生約82.8萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益，投資回收期不到2年。

表2 改造后S Zorb加熱爐余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

4.2 改造后的不足

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，碳鋼板式預(yù)熱器煙氣出口的溫度為202 ℃，而FAE換熱器煙氣入口溫度為186.5 ℃，溫差約15 ℃，煙道散熱損失較大，加熱爐實(shí)際燃料熱效率約為93.3%。應(yīng)考慮增加保溫層厚度減少該部分的散熱損失。

5 結(jié)語(yǔ)

S Zorb裝置加熱爐余熱回收系統(tǒng)采用組合式FAE煙氣空氣換熱器進(jìn)行改造，解決了原有加熱爐余熱回收系統(tǒng)存在的問(wèn)題，改造后的余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行至今情況良好，且無(wú)內(nèi)漏、腐蝕等問(wèn)題發(fā)生。

改造后的系統(tǒng)不僅提高了加熱爐熱效率，而且產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，減少了煙氣及其所含有的污染物的排放，為國(guó)家環(huán)保新標(biāo)排放要求做出了一定的貢獻(xiàn)。

組合式FAE煙氣空氣換熱器的優(yōu)勢(shì)說(shuō)明其不僅能應(yīng)用于舊爐改造，也可應(yīng)用于新裝置建設(shè)中，為石化加熱爐深度節(jié)能減排提供了參考。