常壓蒸餾裝置加熱爐板式空氣預(yù)熱器的改造及應(yīng)用

王 靜，郭 陽，馮蕾博

（陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）延安煉油廠，陜西 延安 727406）

引言

延安煉油廠260 萬t/a 常壓蒸餾裝置建于1998 年，原設(shè)計(jì)加工能力為150 萬t/a，后經(jīng)過擴(kuò)能改造加工量到260 萬t/a。為節(jié)約能源，該裝置加熱爐余熱回收系統(tǒng)采用熱管式空氣預(yù)熱器，空氣在進(jìn)入爐膛前通過預(yù)熱器與爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱，從而達(dá)到提高空氣溫度，節(jié)約燃料的目的。

該裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，逐漸出現(xiàn)空氣預(yù)熱器了換熱效果降低、熱量損失大的問題，經(jīng)過熱器的加熱的空氣溫度為150 ℃，而排煙溫度為177 ℃，引起加熱爐熱效率下降，燃料消耗量增加、能耗增大。伴隨著我國能源行業(yè)的發(fā)展需求以及“雙碳”政策的管控，原空氣預(yù)熱器效率已不能滿足生產(chǎn)需求。為有效解決該問題，就需要對(duì)熱管式空氣預(yù)熱器的優(yōu)缺點(diǎn)以及工作原理進(jìn)行分析。

1 熱管式空氣預(yù)熱器特征分析

雖然熱管式空氣預(yù)熱器傳熱效率高，熱管的冷、熱側(cè)均可根據(jù)需要采用纏繞翅片來增加傳熱面積，但受其結(jié)構(gòu)上局限，在我國西北地區(qū)，尤其對(duì)于使用燃料油或燃料含硫量大的加熱爐，近些年不能滿足長(zhǎng)周期、高效率運(yùn)行的要求，主要存在以下不足：

1）受溫度影響較大：熱管式空氣預(yù)熱器采用鋼質(zhì)熱管，煙氣溫度一旦超過300 ℃時(shí)，會(huì)使管內(nèi)壓力增高，容易發(fā)生爆管事故，造成部分熱管失效。

2）換熱面積不足：裝置經(jīng)過擴(kuò)能改造后，空氣使用量和煙氣排放量增加，在換熱面積不變的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了空氣進(jìn)爐溫度降低、排煙溫度升高，造成熱效率損失較大。

3）阻力較大：擴(kuò)能改造之后空氣使用量增加，為滿足工藝需求，鼓風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于滿負(fù)荷狀態(tài)，為裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行造成安全隱患。

4）易結(jié)灰積垢：為了提高熱管式空氣預(yù)熱器的提高傳熱系數(shù)，在換熱管上設(shè)有間距為2 mm～3 mm 的翅片，這樣就導(dǎo)致?lián)Q熱管上容易積灰。同時(shí)煙氣在經(jīng)過空氣預(yù)熱器換熱溫度降低容易冷凝，使得煙灰粘在換熱管上而且不容易被吹灰器吹掉，導(dǎo)致?lián)Q熱管的傳熱系數(shù)降低，造成加熱爐效率降低[1]。

5）檢修費(fèi)用高：熱管式空氣預(yù)熱器在每三年一次檢修期間都需要對(duì)熱管進(jìn)行更換，以確保下個(gè)生產(chǎn)周期平穩(wěn)運(yùn)行。

2019 年與洛陽森德石化工程有限公司溝通討論之后，根據(jù)260 萬t/a 常壓裝置現(xiàn)場(chǎng)布局及工藝參數(shù)組織相關(guān)專家進(jìn)行空氣預(yù)熱器進(jìn)行重新選型，參考我國相關(guān)行業(yè)常壓加熱爐余熱回收系統(tǒng)最終決定采用板式空氣預(yù)熱器，同時(shí)于2020 年5 月進(jìn)行項(xiàng)目改造實(shí)施。

2 板式空預(yù)器與熱管式空預(yù)器對(duì)比分析

板式空氣預(yù)熱器具有換熱面積大及熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前，大型熱交換器為方便運(yùn)輸和零件更換多采用模塊設(shè)計(jì)和分模塊制造[2]。同時(shí)，板式空氣預(yù)熱器可以根據(jù)煙氣流動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)錯(cuò)流和逆流的單流程和多流程組合安裝，并且根據(jù)煙氣溫度選擇合適的材料，實(shí)現(xiàn)高溫預(yù)熱和低溫預(yù)熱的多組合布置。

2.1 傳熱系數(shù)大

板式空氣預(yù)熱器在設(shè)計(jì)制造過程中多采用鋼板作為傳熱元件，與熱管式空氣預(yù)熱器比起來更容易兩側(cè)氣流的傳熱系數(shù)，而且不需要像熱管式空氣預(yù)熱器那樣借助中間工質(zhì)進(jìn)行傳熱。板式空氣預(yù)熱器之間通常設(shè)有加強(qiáng)筋，這樣既起到了加固板面的作用同時(shí)又可以強(qiáng)化兩側(cè)氣流的傳熱系數(shù)。因?yàn)樵诩訌?qiáng)筋的作用下，兩側(cè)氣流可以在低速狀態(tài)下達(dá)到湍流，由于湍動(dòng)程度提高，因此傳熱系數(shù)增加。西安交通大學(xué)曾對(duì)板式空氣預(yù)熱器進(jìn)行傳熱系數(shù)測(cè)試[3]。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氣流速度和Re相同時(shí)，板式空氣預(yù)熱器和熱管束式空氣預(yù)熱器的傳熱系數(shù)分別為27.5 W/（m2·K）、22.3 W/（m2·K）。

試驗(yàn)結(jié)果表明，板式空氣預(yù)熱器傳熱系數(shù)通常為管束式空氣預(yù)熱器傳熱系數(shù)的1.2 倍～1.5 倍[1]。

2.2 換熱面積結(jié)構(gòu)緊度高

當(dāng)氣流流動(dòng)面積相同時(shí)，圓形通道面積占比最小，由于結(jié)構(gòu)限制，熱管式空氣預(yù)熱器換熱管不可能緊密排列，因此大部分空間都不能被利用起來。同時(shí)與板式空氣預(yù)熱器相比，熱管式空氣預(yù)熱器單位體積下提供的換熱面積較小，而且制造成本相對(duì)較高。

例如，單位體積的空氣預(yù)熱器：采用熱管式空氣預(yù)熱器：Φ30 mm 的管子，管心距60 mm，排心距60 mm，每排可放16 根管子，共16 排，全部換熱面積為：16×16×0.03×π×1=24.12 m2。采用板式空氣預(yù)熱器：1×1 m 的鋼板，20 mm 的板間距，可排鋼板50 張，換熱面積50 m2，是管式空氣預(yù)熱器的2.07 倍。

2.3 阻力小

由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同，氣流在板式空氣預(yù)熱器流動(dòng)時(shí)幾乎暢通無阻，因此與熱管式空氣預(yù)熱器相比，氣流在板式空氣預(yù)熱器中壓降要小很多。同時(shí)，熱管式空預(yù)器中管內(nèi)氣體在經(jīng)過換熱管進(jìn)口時(shí)流通面積變化較大，使得局部阻力損失較大。板式空氣預(yù)熱器氣流通道進(jìn)出口截面變化率較小，而且可以使氣流呈線性狀態(tài)，這樣就極大地降低了局部阻力損失。熱管式空氣預(yù)熱器管外側(cè)氣體在經(jīng)過換熱管時(shí)由于翅片存在容易產(chǎn)生邊界脫體現(xiàn)象，因此產(chǎn)生阻力也相對(duì)較大。板式空氣預(yù)熱器由于是直板通道，因此不存在這種邊界層脫體現(xiàn)象，所以阻力損失也就相對(duì)較小[4]。

綜上所述，氣流在經(jīng)過板式空氣預(yù)熱器時(shí)阻力較小，這樣就可以減少對(duì)風(fēng)機(jī)的動(dòng)能消耗，降低風(fēng)機(jī)負(fù)荷。

2.4 污垢系數(shù)小

由于煙氣在板式空氣預(yù)熱器內(nèi)部流動(dòng)擾動(dòng)較大，因此污垢不容易沉積，同時(shí)在板材材質(zhì)選用時(shí)靈活性更高，可以根據(jù)介質(zhì)腐蝕強(qiáng)度選用不同材質(zhì)。

2.5 壽命長(zhǎng)，方便檢維修

由于板式空氣預(yù)熱器不存在煙氣真空度下降問題，因此不存在熱管失效或者爆管現(xiàn)象，同時(shí)即使兩側(cè)介質(zhì)互竄對(duì)裝置影響也比較小。

3 板式空氣預(yù)熱器應(yīng)用效果

2020 年5 月完成設(shè)備改造，截至2021 年12 月，260 萬t/a 常壓裝置已平穩(wěn)運(yùn)行20 個(gè)月，在此期間，新型板式空氣預(yù)熱的使用取得了良好的效果。改造前后的加熱爐運(yùn)行參數(shù)如表1 所示。

表1 加熱爐余熱回收系統(tǒng)改造前后參數(shù)對(duì)比

1）由于板式空氣預(yù)熱器阻力小，使得鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)負(fù)荷降低，降低設(shè)備操作費(fèi)用。

2）由于進(jìn)加熱爐的空氣溫度升高，這樣就使得燃料燃燒更加充分，而且煙氣中的氧含量也明顯降低，這樣加熱爐效率就會(huì)提高，同時(shí)煙氣中的CO 和NOx含量降低，更加有利于環(huán)保。

從2020 年5 月開工對(duì)加熱爐余熱回收系統(tǒng)觀察發(fā)現(xiàn)，這次改造基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)想，并且對(duì)提高加熱爐熱效率有直接意義。

經(jīng)標(biāo)定常壓裝置在年加工量255 萬t 時(shí)，可節(jié)省燃料氣299.166 萬m3，按燃料氣1.202 元/m3，每年可節(jié)省費(fèi)用359 萬元。

4 結(jié)語

通過長(zhǎng)期使用證明，板式空氣預(yù)熱器更加適用于260 萬t/a 常壓裝置，相對(duì)于熱管式空氣預(yù)熱器，能顯著降低常壓加熱爐排煙溫度，提高加熱爐熱效率，經(jīng)濟(jì)效益明顯提升，確保裝置安全運(yùn)行。與此同時(shí)，為防止空氣預(yù)熱器在運(yùn)行過程中壓差過大，專門設(shè)置水沖洗口，最大化地提高加熱爐效率。