兩段式空氣預(yù)熱器在常減壓蒸餾裝置的應(yīng)用

(中化泉州石化有限公司,福建 泉州 362103)

加熱爐是煉油企業(yè)主要耗能設(shè)備，其燃料消耗約占企業(yè)總能耗的50%～70%。煉油企業(yè)主要通過增設(shè)煙氣余熱回收系統(tǒng)來提高加熱爐熱效率，進(jìn)一步降低燃料消耗?？諝忸A(yù)熱器作為煙氣余熱回收系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要用于加熱爐高溫?zé)煔馀c燃燒所用空氣進(jìn)行熱交換。傳統(tǒng)的空氣預(yù)熱器主要有管式預(yù)熱器、板式預(yù)熱器、熱管式預(yù)熱器和水熱媒預(yù)熱器等型式。其中管式預(yù)熱器維護(hù)成本低，但露點(diǎn)腐蝕問題突出；熱管式預(yù)熱器傳熱效率高，應(yīng)用廣泛，但熱管容易發(fā)生析氫現(xiàn)象，需要定期再生，而且維修耗時(shí)長，成本高；水熱媒預(yù)熱器對煙氣溫度適應(yīng)性強(qiáng)，但流程長，操作復(fù)雜[1]；板式預(yù)熱器傳熱系數(shù)高，占地面積小,而鑄鐵材料的板式預(yù)熱器除了具有抗露點(diǎn)腐蝕性能好優(yōu)點(diǎn)之外，還具有壽命長的優(yōu)點(diǎn)。

近年來，兩段式空氣預(yù)熱器充分利用傳統(tǒng)預(yù)熱器的優(yōu)點(diǎn)，其高溫段選用傳熱效率高的熱管式預(yù)熱器，低溫段選用耐露點(diǎn)腐蝕性能好的鑄鐵板式預(yù)熱器，以降低排煙溫度，提高加熱爐熱效率，逐漸在國內(nèi)各煉油企業(yè)推廣使用。為進(jìn)一步探討兩段式空氣預(yù)熱器的適用性，在某石化公司12.0 Mt/a常減壓蒸餾裝置余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行兩段式空氣預(yù)熱器的應(yīng)用試驗(yàn)，進(jìn)一步考查其使用效果。

1 裝置余熱回收系統(tǒng)

某石化公司12.0 Mt/a常減壓蒸餾裝置3臺加熱爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷高達(dá)107 MW。為充分利用加熱爐煙氣余熱，加熱爐配置余熱回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用兩段式空氣預(yù)熱器，其中一臺高溫段煙氣-空氣熱管預(yù)熱器，借助管內(nèi)介質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝進(jìn)行兩管端外表面?zhèn)鳠?；另一臺低溫段鑄鐵雙向翅片空氣預(yù)熱器，利用雙面帶強(qiáng)化傳熱翅片的鑄鐵板組成傳熱元件進(jìn)行交錯(cuò)間壁式換熱。兩段式空氣預(yù)熱器綜合熱管式和鑄鐵板式空氣預(yù)熱器的優(yōu)點(diǎn)，提高了傳熱效率，并設(shè)有液力耦合器控制的鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)，充分利用了煙氣余熱。

裝置余熱回收系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 余熱回收系統(tǒng)流程

各加熱爐對流段的熱煙氣混合后由下行煙道進(jìn)入高溫?zé)峁芸諝忸A(yù)熱器與空氣換熱后,經(jīng)熱管預(yù)熱器出口熱煙道由煙氣引風(fēng)機(jī)將煙氣引入低溫段鑄鐵預(yù)熱器，與空氣換熱后通過冷煙道進(jìn)入100 m鋼筋混凝土煙囪排放。冷空氣由空氣鼓風(fēng)機(jī)送入鑄鐵式雙向翅片空氣預(yù)熱器與熱煙氣換熱，換熱后的熱空氣進(jìn)入熱管式空氣預(yù)熱器，與熱煙氣換熱后由熱風(fēng)道供3臺加熱爐爐底燃燒器燃燒使用。兩段式空氣預(yù)熱器技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 兩段空氣預(yù)熱器技術(shù)參數(shù)

2 兩段式空氣預(yù)熱器

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高溫段空氣預(yù)熱器換熱管采用鎳基釬焊翅片管，在煙氣最高溫度小于300 ℃的中溫部位熱管，其內(nèi)部介質(zhì)為蒸餾水；煙氣最高溫度高于300 ℃的高溫部位熱管，其內(nèi)部介質(zhì)采用精萘。中間管板與熱管元件連采取了可靠的密封措施，避免空氣泄漏到煙氣中，并且保證了熱管能方便地拆卸及重新安裝,結(jié)構(gòu)見圖2。為了防止管板在長期使用后產(chǎn)生變形，中間管板厚度大于40 mm。

鑄鐵板式空氣預(yù)熱器由多個(gè)換熱單元和支撐鋼構(gòu)件組成，一個(gè)換熱單元由兩塊雙向鑄鐵翅片組合成(見圖3)。換熱單元之間的密封面通過柔性墊片及密封膠固定在預(yù)熱片周邊的密封面上，由螺栓擰緊，避免空氣與煙氣混合，其整體泄漏率小于1%。鑄鐵板片具有較高的耐熱振性，能適應(yīng)加熱爐的各種工況，并通過冷熱交替循環(huán)檢驗(yàn)，保證設(shè)備安全和運(yùn)行穩(wěn)定。換熱單元在鑄造熔煉的過程中，控制鐵水的熔煉，包括測量溫度、爐前分析和金相檢驗(yàn)等。冶煉過程中，充分去除鐵水中夾雜物和氣體，避免鑄件產(chǎn)生超標(biāo)氣孔和夾渣等鑄造缺陷。采用樹脂砂工藝造型，延長鑄件使用壽命。

圖2 熱管式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)

圖3 鑄鐵板式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)

2.2 換熱效率

高溫段的熱管式預(yù)熱器熱管內(nèi)工質(zhì)是在真空狀態(tài)下進(jìn)行相變傳熱，汽化潛熱大，而且實(shí)現(xiàn)空氣側(cè)和煙氣側(cè)的表面翅化，換熱面積高達(dá)15 205 m2，傳熱效率高，傳輸能力大[2]。

低溫段鑄鐵板式預(yù)熱器采用間壁式換熱和立式布置，比表面積大，煙氣自上而下垂直直線流動(dòng)，不易積灰且便于沖洗，空氣水平流動(dòng)，與煙氣流動(dòng)方向垂直，有利于提高換熱效率；翅片結(jié)構(gòu)和排布情況使氣流分布均勻，有利于均勻傳熱。

2.3 安裝及維修

低溫段鑄鐵板式空氣預(yù)熱器的換熱單元采用模塊結(jié)構(gòu)(見圖4)。將多片雙向翅片鑄鐵板密封連接起來形成一個(gè)魔方立體模塊，然后整體組裝成型[3]。結(jié)構(gòu)模塊化，方便運(yùn)輸。

圖4 空氣預(yù)熱器模塊化結(jié)構(gòu)

兩段預(yù)熱器結(jié)構(gòu)上設(shè)置有檢修人孔，以方便檢修和維護(hù)。低溫段鑄鐵板式預(yù)熱器配置水沖洗接口，換熱單元之間具有較大的流動(dòng)空間，煙氣和空氣兩側(cè)的鑄鐵板雙向翅片與氣體流動(dòng)方向一致，在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)，又能有效降低流動(dòng)阻力，便于清洗換熱單元積垢。

對于熱管式預(yù)熱器高效傳熱元件來說,當(dāng)金屬過熱或者低溫腐蝕等原因損壞時(shí)，可打開管箱上部端蓋，通過上部吊環(huán)將損傷熱管抽出，更換新的熱管，且可以單獨(dú)一根根進(jìn)行抽裝，方便檢修。

通過分析預(yù)熱器煙氣側(cè)的壓力降變化，判斷積灰情況，可以將預(yù)熱器抽出來進(jìn)行清洗。低溫段預(yù)熱器在煙氣出口短節(jié)最低點(diǎn)設(shè)置排水結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)排水；內(nèi)保溫襯里設(shè)計(jì)為防沖刷結(jié)構(gòu)；高溫段預(yù)熱器在箱體底部設(shè)置排水法蘭，也便于清洗排污。

2.4 耐腐蝕性能

低溫段空氣預(yù)熱器的換熱元件采用低合金鑄鐵鑄造，為雙面翅片板，翅片基板厚度為6 mm，雙面翅片與基板一次性整體鑄造。鑄鐵含有珠光體組織和游離碳，游離碳耐大部分的腐蝕介質(zhì)[4]，阻止酸對金屬的腐蝕，延緩露點(diǎn)腐蝕進(jìn)程；同時(shí)，添加了微量的合金元素，具有優(yōu)異的耐酸腐蝕、耐磨和耐高溫性能。當(dāng)金屬壁溫度較低時(shí)，可調(diào)節(jié)旁通風(fēng)道擋板，以提高煙氣出低溫段預(yù)熱器溫度及金屬壁溫度，緩解煙氣側(cè)部件發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。

在煙氣流動(dòng)方向末端高溫段空氣預(yù)熱器的熱管采用了耐硫酸低溫露點(diǎn)腐蝕的ND鋼，鋼號為09CrCuSb,成分和性能見表2。熱管金屬的最低溫度大于露點(diǎn)溫度10～15 ℃。高溫段預(yù)熱器中布置了6排ND鋼材質(zhì)的熱管，共320根，約占熱管總數(shù)的14%。

表2 ND鋼管成分及性能

2.5 操 作

預(yù)熱器的空氣側(cè)入口設(shè)置閘板閥,煙氣側(cè)入口設(shè)置兩位式蝶閥，而且冷風(fēng)道上設(shè)有高溫、低溫旁通風(fēng)道和旁通蝶閥。根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷、加熱爐氧含量和排煙溫度情況，通過調(diào)節(jié)風(fēng)道旁通蝶閥的開度來控制通過高溫段和低溫段預(yù)熱器的空氣旁通量，來調(diào)節(jié)煙氣的排煙溫度，使其高于露點(diǎn)溫度，防止空氣預(yù)熱器發(fā)生露點(diǎn)腐蝕，尤其是加熱爐處于低負(fù)荷工況下操作。低溫段空氣預(yù)熱器需要清洗時(shí)，可以單獨(dú)將其從余熱回收系統(tǒng)中旁路掉，而高溫段預(yù)熱器仍在回收煙氣余熱，對生產(chǎn)運(yùn)行不會造成波動(dòng)。如果需要處理余熱回收系統(tǒng)故障，可以通過開啟煙道上的密封擋板同時(shí)旁路掉兩段空氣預(yù)熱器來實(shí)施。

3 應(yīng) 用

3.1 熱效率

加熱爐燃料為煉油廠自產(chǎn)燃料氣和天然氣，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在2%～4%，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0～10 μg/g，以減少不完全燃燒造成的熱損失。正常生產(chǎn)期間可以根據(jù)加熱爐爐膛溫度和氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)靈活地調(diào)節(jié)進(jìn)爐空氣溫度和排煙溫度。加熱爐設(shè)計(jì)的排煙溫度為133 ℃，熱效率設(shè)計(jì)值為92.5%，實(shí)際運(yùn)行過程中排煙溫度可控制在115～120 ℃。空氣預(yù)熱器及風(fēng)道均采用巖棉外加鍍鋁鋅板進(jìn)行外保溫，煙道采用內(nèi)保溫，材料為輕質(zhì)澆注料，容重為900 kg/m3，保證了外壁溫度在環(huán)境溫度27 ℃無風(fēng)的情況下小于60 ℃，以減少表面散熱損失。

利用反平衡法計(jì)算各裝置加熱爐熱效率(熱效率=1-排煙損失-不完全燃燒損失-散熱損失)，計(jì)算結(jié)果見圖5。由圖5可以看出，與煤油加氫裝置和加氫裂化裝置的加熱爐熱效率比，常減壓蒸餾裝置加熱爐平均熱效率分別高出 0.82%和1.61%，這是因?yàn)槊河图託溲b置和加氫裂化裝置的加熱爐均采用一臺空氣預(yù)熱器,其對加熱爐工況適應(yīng)性相對較差，調(diào)節(jié)手段少，加熱爐排煙溫度偏高。其中煤油加氫裝置加熱爐排煙溫度平均為138.3 ℃，加氫裂化裝置加熱爐排煙溫度平均為155.7 ℃，排煙損失較大，從而降低了熱效率。

圖5 2018年度加熱爐熱效率對比

3.2 抗露點(diǎn)腐蝕

低溫段板片采用球墨鑄鐵制造，并添加了合金元素，具有優(yōu)異的耐酸腐蝕性能。高溫段末端約420根熱管采用ND鋼，亦具有耐低溫酸腐蝕性能。裝置運(yùn)行時(shí)的排煙溫度為115 ℃，若低溫段預(yù)熱器的排凝口未見冷凝水，可嘗試進(jìn)一步降低排煙溫度至105 ℃。經(jīng)過裝置一個(gè)運(yùn)行周期，在首次大檢修時(shí),拆檢發(fā)現(xiàn)鑄鐵板片和熱管運(yùn)行狀況良好，見圖6。圖6表明:低溫段板片具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。

3.3 環(huán)保排放

加熱爐煙氣排放情況見表3。從表3中可以看出，加熱爐煙氣中煙塵顆粒物、SO2和NOx等污染物質(zhì)量濃度均低于環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)椴捎昧藘啥问娇諝忸A(yù)熱器。一方面，加熱爐熱效率提高，進(jìn)而燃料消耗量減少，煙氣排放量隨之減少，同時(shí)將燃燒器更換為低NOx燃燒器，從而減少了排入大氣的煙塵顆粒物、SO2和NOx等污染物；另一方面，進(jìn)爐空氣溫度提高，爐膛燃燒狀況改善，進(jìn)而降低了過?？諝庀禂?shù)，從而有效減少NOx生成量。

圖6 大檢修時(shí)鑄鐵板片和熱管整體情況

表3 煙氣環(huán)保排放指標(biāo)mg/m3

3.4 經(jīng)濟(jì)效益

運(yùn)行結(jié)果表明，加熱爐排煙溫度降低至115 ℃時(shí)，進(jìn)加熱爐混合空氣的溫度可超過230 ℃，熱效率可達(dá)93.5%，可節(jié)約燃料1 205 t/a，如果燃料價(jià)格按照3 400元//t計(jì)算，年節(jié)約成本為409.7萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。余熱回收系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)均采用液力耦合器節(jié)能控制，操作費(fèi)用可進(jìn)一步降低。

4 存在問題及應(yīng)對措施

4.1 熱管式預(yù)熱器維修費(fèi)用較高

裝置大檢修期間，熱管式預(yù)熱器的熱管需要進(jìn)行真空度、啟動(dòng)和等溫性能等檢測，并進(jìn)行修復(fù)和更換，材料費(fèi)用高；熱管數(shù)量多，檢修過程需要較多起重機(jī)臺班，檢修費(fèi)用高；維修時(shí)間長，對整個(gè)大檢修的工期造成影響。熱管在高溫狀態(tài)下運(yùn)行，易發(fā)生析氫現(xiàn)象[5]，產(chǎn)生的不凝氣聚集在熱管內(nèi)，影響換熱效果；在修復(fù)切割處理時(shí)也存在爆燃的風(fēng)險(xiǎn)。

建議將高溫段熱管式空氣預(yù)熱器也改為鑄鐵板式空氣預(yù)熱器，而且仍采用兩段式結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低排煙溫度，回收煙氣余熱，運(yùn)行和維修費(fèi)用將大幅度降低。這是因?yàn)椋阂环矫?，高溫段采用鑄鐵板式預(yù)熱器，煙氣出口溫度遠(yuǎn)高于露點(diǎn)溫度，不會發(fā)生酸露點(diǎn)腐蝕，正常工況下可長期使用；另一方面，鑄鐵板式預(yù)熱器有良好的耐磨損和耐高溫性能，因此，裝置大修期間高溫段預(yù)熱器不需要拆卸只需通過沖洗口進(jìn)行水清洗即可，節(jié)省維修成本，縮短檢修工期。

4.2 低溫段末端潛在露點(diǎn)腐蝕

常減壓蒸餾裝置加熱爐的燃料氣是煉油廠干氣和減頂氣，仍含有少量硫(體積分?jǐn)?shù)約為0.21%)。為了提高加熱爐熱效率，不斷降低加熱爐排煙溫度，低溫段預(yù)熱器的末端與冷空氣換熱過程中，煙氣中的水蒸氣在鑄鐵板外壁冷凝成水，排凝口會出現(xiàn)酸性冷凝水，存在露點(diǎn)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。酸性冷凝水的pH值最低為2，排凝閥閥體易發(fā)生腐蝕穿孔。

可以嘗試優(yōu)化工藝流程，采取在空氣側(cè)設(shè)置前置預(yù)熱器的措施，緩解露點(diǎn)腐蝕問題，具體流程見圖7。

圖7 前置預(yù)熱器示意

將煉油廠低溫?zé)崴鳛榍爸妙A(yù)熱器換熱介質(zhì)，將加熱爐燃燒用風(fēng)加熱至50 ℃左右，提高空氣進(jìn)入低溫段空氣預(yù)熱器的溫度，從而提高鑄鐵板外壁溫度，以緩解低溫段鑄鐵預(yù)熱器的煙氣側(cè)末端露點(diǎn)腐蝕問題。

5 結(jié)束語

12.0 Mt/a常減壓蒸餾裝置余熱回收系統(tǒng)采用兩段式空氣預(yù)熱器，運(yùn)行良好，換熱效率高、壓力降小和操作靈活，能充分利用加熱爐煙氣余熱，降低了排煙溫度，提高了加熱爐熱效率，從而降低了燃料消耗?？諝忸A(yù)熱器耐煙氣低溫腐蝕性能好，使用壽命長。兩段式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)合理，檢修和維護(hù)操作簡便。