新型耐露點(diǎn)腐蝕陶瓷空氣預(yù)熱器的試驗(yàn)研究*

(中石化煉化工程集團(tuán)洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003)

管式加熱爐是煉油裝置的主要設(shè)備之一，又是耗能大戶和大氣污染源，其燃料消耗一般占煉油廠能耗的50%左右。提高管式加熱爐熱效率，既能減少煉油生產(chǎn)裝置加熱爐燃料消耗，又能降低有害氣體排放，對煉化企業(yè)節(jié)能減排有重要意義[1]。回收煙氣余熱，降低加熱爐排煙溫度是提高加熱爐熱效率的主要手段，目前中石化煉化企業(yè)管式加熱爐排煙溫度為120～150 ℃，對應(yīng)的熱效率為90%～92%，煙氣余熱回收系統(tǒng)已在煙氣酸露點(diǎn)附近運(yùn)行。如果進(jìn)一步降低排煙溫度，空氣預(yù)熱器就會發(fā)生露點(diǎn)腐蝕，易出現(xiàn)積灰結(jié)垢和腐蝕穿孔等問題[2]。跨越低溫露點(diǎn)腐蝕的障礙，開發(fā)耐低溫露點(diǎn)腐蝕的空氣預(yù)熱器，已成為加熱爐節(jié)能減排的一個(gè)重要研究方向。

1 空氣預(yù)熱器現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)煉油裝置加熱爐煙氣余熱回收系統(tǒng)中使用的空氣預(yù)熱器主要有直接換熱和間接換熱兩種形式。直接換熱是煙氣和空氣通過空氣預(yù)熱器換熱面直接進(jìn)行熱量交換，如板式空氣預(yù)熱器、管束式空氣預(yù)熱器;間接換熱是利用中間載體的吸熱和放熱，完成煙氣和空氣的熱量交換，如熱管式空氣預(yù)熱器、水熱媒空氣預(yù)熱器[3]。

為避免空氣預(yù)熱器發(fā)生低溫露點(diǎn)腐蝕，工程技術(shù)人員主要從控制空氣預(yù)熱器壁面溫度和增強(qiáng)空氣預(yù)熱器耐腐蝕性能兩個(gè)方面入手，進(jìn)行了大量的探索和研究。為了控制空氣預(yù)熱器壁面溫度，需要在設(shè)計(jì)階段直接提高空氣預(yù)熱器排煙溫度，或是運(yùn)行中通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制煙氣溫度，使空氣預(yù)熱器壁面最低溫度比煙氣露點(diǎn)高5～10 ℃，進(jìn)而避免露點(diǎn)腐蝕的發(fā)生[4]。但這種方法使煙氣低溫余熱無法被回收利用，限制了加熱爐熱效率的進(jìn)一步提高。在增強(qiáng)空氣預(yù)熱器耐腐蝕性能方面，已開發(fā)有耐腐蝕鋼制空氣預(yù)熱器、非金屬涂層空氣預(yù)熱器、玻璃空氣預(yù)熱器和石墨空氣預(yù)熱器等，但這些空氣預(yù)熱器在應(yīng)用中都存在一定的問題。耐腐蝕鋼制空氣預(yù)熱器在低于煙氣露點(diǎn)的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，仍然難以抵御煙氣的低溫露點(diǎn)腐蝕[5]。非金屬涂層易出現(xiàn)孔隙及剝落現(xiàn)象，運(yùn)行較短時(shí)間就會失去抵抗低溫露點(diǎn)腐蝕的能力[6]。由于玻璃空氣預(yù)熱器存在強(qiáng)度低、耐熱沖擊性能差等缺點(diǎn)，運(yùn)行過程中極易出現(xiàn)漏風(fēng)和破碎，在工業(yè)上少有應(yīng)用[7]。石墨空氣預(yù)熱器具有良好的防腐蝕、耐高溫性能，但由于其價(jià)格比較高，在工業(yè)上難以推廣應(yīng)用[8]。因此，開發(fā)一種價(jià)格適宜、能夠長周期運(yùn)行的耐低溫露點(diǎn)腐蝕空氣預(yù)熱器，用于深度回收煙氣余熱，進(jìn)一步提高加熱爐熱效率，具有十分重要的意義。

2 新型陶瓷空氣預(yù)熱器

2.1 改性莫來石陶瓷

莫來石是一種穩(wěn)定的二元化合物，其結(jié)構(gòu)呈鏈狀排列，屬斜方晶體，晶粒尺寸較小，活性較低，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。莫來石陶瓷能耐大部分化學(xué)品侵蝕，在硫化物、碘化物、硫酸、硝酸和氫氟酸中均具有極強(qiáng)的抗腐蝕性，可以長期耐質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～90%的H2SO4腐蝕，并且具有高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、高抗蠕變性、高抗熱震性及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)[9]。該材質(zhì)的空氣預(yù)熱器特別適用于露點(diǎn)及以下溫度的煙氣余熱回收。但莫來石陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)較低，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為1.0～1.5 W/(m·K)。為了提高莫來石陶瓷材料的導(dǎo)熱性能，在陶瓷燒結(jié)過程中向其中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%～50%的碳化硅粉體。碳化硅具有強(qiáng)度高、抗氧化、耐磨損、抗腐蝕及摩擦系數(shù)低等優(yōu)良性能，并且其導(dǎo)熱性能較好，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為120～180 W/(m·K)[10]。添加碳化硅后的改性莫來石陶瓷導(dǎo)熱性能大幅提升，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)由1.0～1.5 W/(m·K)提高至7～8 W/(m·K)，并且陶瓷材料機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)一步提高，摩擦系數(shù)有所降低。因此，新型陶瓷空氣預(yù)熱器的制作材料選用改性莫來石陶瓷材料。

2.2 蜂窩間壁式結(jié)構(gòu)

陶瓷材料是一種韌性較差的脆性材料，其脆性由物質(zhì)的化學(xué)鍵合作用和顯微結(jié)構(gòu)所決定，受到外加負(fù)荷作用極易產(chǎn)生裂縫、斷裂和破碎現(xiàn)象[9]。從結(jié)構(gòu)形式上看，陶瓷制成的新型空氣預(yù)熱器可以采用管式和蜂窩間壁式。管式空氣預(yù)熱器的換熱管長度較長(可達(dá)數(shù)米以上)，管徑較小(只有幾十毫米)，陶瓷制成的換熱管抗彎強(qiáng)度不足，由于溫差的變化，在使用過程中易產(chǎn)生應(yīng)力變形而發(fā)生斷裂，進(jìn)而影響空氣預(yù)熱器的長周期運(yùn)行。蜂窩間壁式換熱芯體由若干塊長方體形陶瓷塊堆疊而成，陶瓷塊沿縱向與橫向加工出若干排相互垂直的孔道作為流體的流道，煙氣和空氣通過不同的流體流道進(jìn)行熱量交換。陶瓷塊通過特制粘結(jié)劑組成整體的蜂窩間壁式陶瓷芯體結(jié)構(gòu)，其熱強(qiáng)度要明顯高于陶瓷管式空氣預(yù)熱器[11]。從運(yùn)行的可靠性考慮，陶瓷空氣預(yù)熱器應(yīng)采用承壓能力強(qiáng)、耐溫性高的蜂窩間壁式結(jié)構(gòu)。

在陶瓷空氣預(yù)熱器研制階段，利用CFX模擬軟件對陶瓷空氣預(yù)熱器的換熱流道直徑、排列方式等進(jìn)行了模擬優(yōu)化，從中優(yōu)選出結(jié)構(gòu)更好的空氣預(yù)熱器。根據(jù)模擬優(yōu)化結(jié)果，研制了一臺熱負(fù)荷為30 kW的陶瓷空氣預(yù)熱器進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)。陶瓷空氣預(yù)熱器采用煙氣單回程、空氣雙回程的結(jié)構(gòu)形式，見圖1。

圖1 陶瓷空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)示意

3 熱態(tài)試驗(yàn)

進(jìn)行了多種工況的熱態(tài)試驗(yàn)及測試，每種工況下空氣預(yù)熱器運(yùn)行穩(wěn)定后，每隔10 min記錄測試數(shù)據(jù)1次，每個(gè)工況測量3次，取平均值作為計(jì)算數(shù)據(jù)。

3.1 試驗(yàn)條件

(1)換熱介質(zhì)：煙氣、空氣；燃料：城市管道天然氣。

(2)陶瓷空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)熱負(fù)荷Q：30 kW；換熱面積：16.5 m2。

(3)高溫?zé)煔鉁囟龋?20～300 ℃；低溫?zé)煔鉁囟龋?0～200 ℃；熱空氣溫度：50～150 ℃。

(4)陶瓷芯體尺寸：950 mm×800 mm×770 mm。

(5)離心風(fēng)機(jī)參數(shù)：全壓3 500～3 700 Pa，流量3 800～4 000 m3/h。

(6)風(fēng)道直徑：DN300；煙囪高度：10 m。

3.2 熱態(tài)試驗(yàn)工藝流程

陶瓷空氣預(yù)熱器熱態(tài)試驗(yàn)工藝流程如圖2所示。常溫空氣從1號風(fēng)機(jī)進(jìn)入煙氣發(fā)生器，一部分作為助燃風(fēng)從煙氣發(fā)生器前端進(jìn)入，與進(jìn)入煙氣發(fā)生器的天然氣混合燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?；另一部分空氣作為冷卻用風(fēng)，從煙氣發(fā)生器中部進(jìn)入冷卻高溫?zé)煔?，使煙氣發(fā)生器出口煙氣溫度保持在試驗(yàn)所需的范圍。煙氣發(fā)生器產(chǎn)生的120～300 ℃的煙氣從陶瓷空氣預(yù)熱器的煙氣流道進(jìn)入，與進(jìn)入空氣預(yù)熱器空氣流道的空氣換熱，溫度降低后由煙囪排出。常溫空氣從2號風(fēng)機(jī)進(jìn)入空氣預(yù)熱器與煙氣換熱，溫度升高后排向大氣。

圖2 陶瓷空氣預(yù)熱器熱態(tài)試驗(yàn)流程示意

3.3 熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 傳熱特性及阻力特性分析

(1)煙氣側(cè)孔流速對空氣預(yù)熱器的影響

圖3是空氣側(cè)孔流速一定時(shí)，空氣預(yù)熱器換熱系數(shù)及煙氣側(cè)壓力降隨煙氣側(cè)孔流速變化的曲線。隨著煙氣側(cè)孔流速的增大，換熱系數(shù)及煙氣側(cè)壓力降隨之增大，這是因?yàn)闊煔鈧?cè)孔流速增大，流體的湍流強(qiáng)度和換熱能力隨之增強(qiáng)，煙氣側(cè)內(nèi)膜傳熱系數(shù)隨之增大，空氣預(yù)熱器換熱系數(shù)就隨之增大。由于流體的阻力與孔內(nèi)流速的平方成正比，因此煙氣側(cè)壓力降隨孔流速增大呈指數(shù)的關(guān)系增大。

圖3 煙氣側(cè)孔流速對空氣預(yù)熱器的影響

從圖3可以看出，煙氣側(cè)孔流速小于13.5 m/s時(shí)，換熱系數(shù)增大趨勢較大，此區(qū)域空氣預(yù)熱器的換熱系數(shù)較低，換熱能力不足,并且流速越低，煙氣側(cè)孔道易出現(xiàn)積灰結(jié)垢現(xiàn)象。因此，從空氣預(yù)熱器傳熱和積灰的角度考慮，煙氣側(cè)孔流速應(yīng)大于13.5 m/s。當(dāng)煙氣側(cè)孔流速大于16 m/s時(shí)，空氣預(yù)熱器換熱系數(shù)增大趨勢較為平緩，此時(shí)煙氣側(cè)壓力降為450 Pa，壓力降較大。繼續(xù)增大孔流速，壓力降增加較多，而換熱系數(shù)增加較小，空氣預(yù)熱器運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低，同時(shí)，工業(yè)應(yīng)用中，受限于風(fēng)機(jī)全壓的制約，煙氣側(cè)壓力降不應(yīng)過高。綜合耗能、磨損及工業(yè)實(shí)際，空氣預(yù)熱器不宜選擇較高的孔流速，煙氣側(cè)孔流速不大于16 m/s較為適宜。綜上所述，煙氣側(cè)孔流速選為13.5～16 m/s，此時(shí)空氣預(yù)熱器的壓力降為250～450 Pa，換熱系數(shù)為27～31 W/(m2·K)。

(2)空氣側(cè)孔流速對空氣預(yù)熱器的影響

煙氣側(cè)孔流速一定時(shí)，空氣預(yù)熱器換熱系數(shù)及空氣側(cè)壓力降隨空氣側(cè)孔流速的變化曲線如圖4所示。隨著空氣側(cè)孔流速的增大，換熱系數(shù)和空氣側(cè)壓力降都隨之增大。從圖4可以看出，空氣側(cè)孔流速小于15 m/s時(shí)，換熱系數(shù)增大趨勢較快，空氣預(yù)熱器換熱系數(shù)較低，為提高空氣預(yù)熱器換熱能力，空氣側(cè)孔流速應(yīng)大于15 m/s。當(dāng)空氣側(cè)孔流速大于18 m/s時(shí)，換熱系數(shù)增大趨勢平緩，空氣側(cè)壓力降增大趨勢明顯；繼續(xù)增大流速會產(chǎn)生較大的阻力，而換熱系數(shù)增加較小，空氣預(yù)熱器經(jīng)濟(jì)性降低。為提高空氣預(yù)熱器整體換熱性能，根據(jù)煙氣側(cè)及空氣側(cè)的換熱面積，對煙氣側(cè)和空氣側(cè)的流速進(jìn)行優(yōu)化匹配，要求空氣流速不大于18 m/s。綜上所述，空氣側(cè)孔流速選為15～18 m/s時(shí)，空氣側(cè)壓力降為400～710 Pa，空氣預(yù)熱器換熱系數(shù)為27～31W/(m2·K)。

圖4 空氣側(cè)孔流速對空氣預(yù)熱器的影響

3.3.2 空氣預(yù)熱器的耐溫性和密封性

陶瓷空氣預(yù)熱器熱態(tài)試驗(yàn)總共進(jìn)行了4個(gè)多月，煙氣入口溫度為120～300 ℃，煙氣出口溫度為70～200 ℃。試驗(yàn)過程中空氣預(yù)熱器無腐蝕、破碎、彎曲及變形等現(xiàn)象，說明陶瓷空氣預(yù)熱器具有良好的耐蝕性能、耐溫性能和抗冷熱伸縮變形能力，能夠滿足深度回收煙氣余熱的要求。

試驗(yàn)過程中，對陶瓷空氣預(yù)熱器殼體外壁的散熱損失、進(jìn)出口煙氣流量和氧含量進(jìn)行了測試，結(jié)果見表1。從表1可以看出，空氣預(yù)熱器表面散熱損失較小，僅為煙氣傳熱量的2.78%。運(yùn)行過程中空氣預(yù)熱器煙氣進(jìn)出口的質(zhì)量流量及氧含量未發(fā)生變化，也沒有出現(xiàn)吸氣、漏風(fēng)等現(xiàn)象，表明陶瓷空氣預(yù)熱器的密封性能良好。

表1 陶瓷空氣預(yù)熱器表面散熱損失

4 結(jié) 論

(1)改性莫來石陶瓷具有良好的耐腐蝕性能、較好的導(dǎo)熱性能且價(jià)格低廉。由其制成的蜂窩間壁式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，可以抵御煙氣低溫露點(diǎn)腐蝕，適用于深度回收加熱爐煙氣低溫余熱。

(2)熱態(tài)試驗(yàn)表明，陶瓷空氣預(yù)熱器具有良好的傳熱性能和阻力特性。在適宜孔流速下，空氣預(yù)熱器壓力降能夠滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，換熱系數(shù)為27～31 W/(m2·K)，能夠有效回收煙氣低溫余熱。

(3)熱態(tài)試驗(yàn)表明，陶瓷空氣預(yù)熱器具有良好的耐溫性能和密封性能，運(yùn)行過程中沒有出現(xiàn)破碎、變形、吸氣及漏風(fēng)等現(xiàn)象，可安全穩(wěn)定運(yùn)行在煙氣露點(diǎn)以下。