耐腐蝕石墨空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究*

高曉紅,李玖重,孫志欽

(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)

加熱爐是石油化工企業(yè)燃料消耗大戶，最大限度地降低其燃料消耗，對節(jié)約能源有重要意義。燃料燃燒后的煙氣中含有體積分?jǐn)?shù)達(dá)15%～20%的水蒸氣，排煙溫度在煙氣露點(diǎn)(150 ℃)以上時，這部分水蒸氣呈過熱狀態(tài)隨煙氣排出，其汽化潛熱得不到有效利用。隨著節(jié)能減排的不斷發(fā)展，要求加熱爐的排煙溫度越來越低，但過低的排煙溫度，特別是排煙溫度接近或低于煙氣露點(diǎn)時，傳統(tǒng)的金屬材料空氣預(yù)熱器換熱面就會受到煙氣中硫酸的侵蝕，即硫酸露點(diǎn)腐蝕。露點(diǎn)腐蝕產(chǎn)生的影響主要有兩方面：一是在空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)產(chǎn)生積灰堵塞，使煙氣阻力增大，增加了風(fēng)機(jī)電耗；二是會造成換熱面腐蝕穿孔損壞，影響加熱爐的安全運(yùn)行。所以解決空氣預(yù)熱器低溫露點(diǎn)腐蝕問題，就成了提高加熱爐熱效率的關(guān)鍵。

1 空氣預(yù)熱器露點(diǎn)腐蝕

1.1 煙氣冷凝液對材料腐蝕的影響

煉油加熱爐使用的燃料主要是煉油裝置自產(chǎn)副產(chǎn)氣。這些燃料的主要成分是碳?xì)浠衔铮埠辛蚧锖偷?，因此，它們?nèi)紵笊傻臒煔庵芯秃蠬2O,CO2,NOx和SOx等[1]。當(dāng)排煙溫度降到煙氣露點(diǎn)以下時，上述各種化合物在冷凝液中生成的主要化學(xué)物質(zhì)為：硫酸、亞硫酸、亞硝酸、硝酸等。由于硫酸的存在，大大提高了煙氣的露點(diǎn)，空氣預(yù)熱器壁面容易凝結(jié)出硫酸對材料產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。

目前，雖然煉化企業(yè)加熱爐燃料均進(jìn)行了脫硫處理，燃料中的硫含量通常很低，但當(dāng)燃料脫硫系統(tǒng)出現(xiàn)波動時，燃料中的硫含量就會升高[2]，燃料氣系統(tǒng)中H2S質(zhì)量濃度達(dá)到150 mg/m3。燃料中硫含量越高，煙氣冷凝液中硫酸的濃度也越高。當(dāng)冷凝液中硫酸濃度達(dá)到50%時，對金屬材料的腐蝕速率達(dá)到最大值[3]。

1.2 材料溫度對腐蝕速率的影響

換熱面的腐蝕速率與材料的溫度有很大關(guān)系。隨著排煙溫度的降低，空氣預(yù)熱器換熱面金屬材料的壁溫也將隨之下降。當(dāng)材料壁溫降低到煙氣露點(diǎn)及露點(diǎn)以下溫度時，煙氣中含酸水蒸氣遇到空氣預(yù)熱器冷壁面就會開始冷凝，產(chǎn)生的酸性冷凝液會腐蝕金屬換熱面，造成換熱面破壞[4]。

目前為應(yīng)對煙氣露點(diǎn)腐蝕對空氣預(yù)熱器的影響，已經(jīng)采取了提高材料等級等措施，如用ND鋼、鑄鐵板及雙相不銹鋼等作換熱元件，這些材料雖然有一定的耐煙氣露點(diǎn)腐蝕的能力，但腐蝕速率仍然較高，無法真正解決空氣預(yù)熱器煙氣露點(diǎn)腐蝕問題。

2 石墨空氣預(yù)熱器

2.1 石墨材料耐腐蝕性能

石墨是碳的同素異形體，石墨晶體屬六方晶系。在石墨晶體中，碳原子按正六角形排列于各平面上，在每一個平面內(nèi)，每一個碳原子均和其他三個碳原子以共價鍵連接[5]6。這種共價鍵結(jié)合非常牢固，其他化學(xué)基團(tuán)很難取代。這就是石墨材料化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕的根本原因。

石墨燒結(jié)成型后，其組織間還有一定的空隙，加入改性酚醛樹脂作為分散液進(jìn)行浸漬處理，以保證石墨材料的抗?jié)B漏性能。改性酚醛石墨經(jīng)熱處理后，其耐腐蝕性能見表1[5]12。

表1 改性酚醛石墨耐腐蝕性能

由于加熱爐煙氣冷凝液的主要腐蝕物質(zhì)是硫酸，而改性酚醛石墨具有優(yōu)異的抗硫酸腐蝕性能，且石墨還是良好的導(dǎo)熱體，其熱導(dǎo)率最高達(dá)110 W/(m·K)，甚至超過了鋼鐵材料[5]15。選擇改性酚醛石墨材料作為耐露點(diǎn)腐蝕空氣預(yù)熱器的傳熱芯體材料，來解決由于排煙溫度降低帶來的硫酸露點(diǎn)腐蝕問題是非常合適的。

2.2 石墨空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)形式

石墨材料屬于機(jī)械強(qiáng)度和韌性較低的材料。石墨制成的傳熱管抗彎強(qiáng)度不足，易產(chǎn)生應(yīng)力斷裂，因此傳統(tǒng)的管式空氣預(yù)熱器很難用在石墨空氣預(yù)熱器上[6]。根據(jù)石墨材料可以模壓燒結(jié)成型的特點(diǎn)，選擇石墨塊孔式結(jié)構(gòu)作為空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)形式。石墨塊孔式空氣預(yù)熱器是由若干塊長方體型石墨塊經(jīng)浸漬粘結(jié)而成[7]。其傳熱流通面是在石墨傳熱芯體上機(jī)械加工出軸向和徑向交叉的圓形孔道，其中一側(cè)圓形孔道流通煙氣，另一側(cè)圓形孔道則流通空氣，進(jìn)行間壁換熱。從結(jié)構(gòu)形式上來說，石墨塊孔式空氣預(yù)熱器熱強(qiáng)度明顯提高，整體抗壓能力也得到增強(qiáng)，并且這種結(jié)構(gòu)形式也有利于換熱面密封和布置。

3 數(shù)值模擬分析方法

3.1 建立石墨空氣預(yù)熱器模型

根據(jù)石墨材料的特性，空氣預(yù)熱器采取煙氣與空氣間壁換熱的塊孔結(jié)構(gòu)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和熱態(tài)試驗(yàn)，煙氣流程為單回程，空氣流程為雙回程。然后以1∶1的比例，應(yīng)用Solidworks建立出石墨塊孔式空氣預(yù)熱器的模型，如圖1所示。

圖1 石墨塊孔式空氣預(yù)熱器立體模型

由于整體石墨空氣預(yù)熱器模型作CFX模擬分析需數(shù)千萬個網(wǎng)格，為了減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率，實(shí)際計(jì)算分析時，在不影響可靠性的前提下，所采用的模型為一排空氣孔和一排煙氣孔組成的換熱單元。簡化模型如圖2所示。

圖2 CFX計(jì)算簡化模型

3.2 石墨空氣式預(yù)熱器數(shù)值模擬邊界條件

CFX模擬計(jì)算邊界條件設(shè)置如下：

(1)煙氣進(jìn)口面流量0.080 3 kg/s，煙氣進(jìn)口面溫度150 ℃；

(2)空氣進(jìn)口面流量0.066 4 kg/s，空氣進(jìn)口面溫度15 ℃；

(3)石墨摩爾質(zhì)量12 g/mol，密度1 950 kg/m3，比熱容710 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)110 W/(m·K)；

(4)氣固交界面外的壁面設(shè)置為絕熱面。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 空氣預(yù)熱器CFX數(shù)值模擬計(jì)算

為了優(yōu)化出石墨塊孔式預(yù)熱器較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對6種孔徑的石墨空氣預(yù)熱器進(jìn)行了模擬計(jì)算[8]。預(yù)熱器煙氣進(jìn)口截面的質(zhì)量流量為0.080 3 kg/s，空氣進(jìn)口截面的質(zhì)量流量為0.066 4 kg/s，模擬的6種布孔方式見表2。

表2 石墨塊孔式預(yù)熱器模擬計(jì)算的孔徑 mm

4.2 石墨空氣預(yù)熱器云圖分析

不同孔徑石墨空氣預(yù)熱器換熱及阻力的變化規(guī)律基本一致，雙回程是空氣側(cè)云圖分布，單回程是煙氣側(cè)云圖分布。圖3是空氣預(yù)熱器的速度矢量圖，圖4是空氣預(yù)熱器溫度場云圖。從圖3可以看出，石墨塊孔芯體孔內(nèi)流速遠(yuǎn)大于預(yù)熱器進(jìn)出口流速及連通段流速，石墨塊孔芯體部位氣體壓力變化較大，決定了空氣預(yù)熱器的阻力性能。并在傳熱流道進(jìn)出口區(qū)域存在著負(fù)壓回流區(qū)域，一定程度上影響了孔內(nèi)流速的均勻性。從圖4可以看出，隨換熱程度的加深，沿氣體流動方向，煙氣溫度逐漸降低、空氣溫度逐漸升高，特別是在石墨塊孔芯體部位，煙氣和空氣溫度變化劇烈。從圖3和圖4可以看出，石墨塊孔芯體部位是空氣預(yù)熱器換熱的主要區(qū)域，流道孔徑的分布決定了空氣預(yù)熱器的傳熱性能及阻力特性。

圖3 石墨塊孔式空氣預(yù)熱器速度矢量

圖4 石墨塊孔式空氣預(yù)熱器溫度場云

4.3 空氣預(yù)熱器CFX模擬優(yōu)化分析

6種孔徑預(yù)熱器的溫差、孔流速、壓力降及換熱量等模擬結(jié)果見表3。

表3 六種孔徑預(yù)熱器的模擬結(jié)果

從表3中可以看出，在相同的質(zhì)量流量下，一定體積的石墨塊空氣預(yù)熱器，隨著孔徑的增大，煙氣側(cè)和空氣側(cè)的溫差逐漸減小。壓力降的變化與孔流速的大小有關(guān)，一般而言，隨著孔流速的增大，預(yù)熱器壓力降逐漸增大。表3中6號預(yù)熱器的煙氣側(cè)孔流速小于3號預(yù)熱器，而其壓力降卻大于3號預(yù)熱器。這是因?yàn)?號預(yù)熱器孔徑小，孔道多，流通孔道多于3號預(yù)熱器，盡管孔內(nèi)流速較小，但預(yù)熱器整體的壓力降與流通孔道的多少正相關(guān)，故煙氣側(cè)壓力降大于3號預(yù)熱器。

煙氣側(cè)壓力降和流通孔清灰性能是預(yù)熱器煙氣側(cè)孔徑優(yōu)化的關(guān)鍵因素，在6種孔徑下，煙氣側(cè)的壓力降均能滿足運(yùn)行要求。但根據(jù)現(xiàn)有吹灰器的大小，煙氣側(cè)的最小孔徑應(yīng)不小于25 mm。空氣側(cè)能耗則是需要考慮的問題，空氣側(cè)孔徑小于16 mm時，空氣側(cè)的壓力降急劇增大；孔徑為10 mm時，壓力降達(dá)到1 138.1 Pa，此時耗能極大，空氣側(cè)孔徑不小于16 mm是比較合適的。

從傳熱、耗能及吹灰等綜合角度考慮，最佳結(jié)構(gòu)形式空氣預(yù)熱器技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 石墨塊孔式空氣預(yù)熱器技術(shù)參數(shù)

5 結(jié) 論

(1)作為空氣預(yù)熱器的傳熱芯體材料，改性酚醛石墨具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，可在煙氣露點(diǎn)以下溫度長期使用。

(2)石墨空氣預(yù)熱器采用間壁換熱的塊孔結(jié)構(gòu)，增加了空氣預(yù)熱器的強(qiáng)度及換熱能力。

(3)綜合傳熱、阻力以及清灰等因素，煙氣側(cè)孔徑為25 mm，空氣側(cè)孔徑為16 mm的石墨塊孔式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)。