板管式空氣預(yù)熱器在柴油加氫加熱爐中的應(yīng)用

摘 要 論述某項(xiàng)目中采用的板管式金屬-玻璃空氣預(yù)熱器技術(shù)原理、設(shè)計(jì)計(jì)算和運(yùn)行分析，從理論和實(shí)踐兩方面論證該新型空氣預(yù)熱器工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)備性能表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 加熱爐 空氣預(yù)熱器 板管 玻璃

中圖分類號(hào) TQ054 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A " 文章編號(hào) 0254?6094（2024）04?0596?05

空氣預(yù)熱器是石化裝置中加熱爐余熱回收系統(tǒng)的主要設(shè)備，該設(shè)備利用加熱爐煙氣的余熱加熱助燃空氣，通過(guò)低溫空氣回收加熱爐外排煙氣的熱量，降低最終的排煙溫度，減少排煙損失，從而提高加熱爐的效率［1］。理論上，排煙溫度越低即回收煙氣余熱越多，加熱爐的熱效率就越高，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，加熱爐排煙溫度受到多種因素的限制，并不能隨意降低，且由于煙氣中含有硫氧化物，煙氣溫度低于其酸露點(diǎn)時(shí)，極易發(fā)生腐蝕，影響設(shè)備的使用壽命。目前常見(jiàn)的空氣預(yù)熱器包括列管式、熱管式、鑄鐵式及薄板式等，由于所用金屬材料性能的限制，它們都無(wú)法徹底解決煙氣酸露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題。

某項(xiàng)目新建的100萬(wàn)噸/年催化柴油加氫裝置中采用了新型的板管式金屬-玻璃組合空氣預(yù)熱器，通過(guò)煙氣高溫段金屬板管與煙氣低溫段玻璃板管結(jié)合的方式，有效地解決了低溫下的酸露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題，筆者從理論和實(shí)踐兩方面論證該新型空氣預(yù)熱器工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)備性能表現(xiàn)。

1 板管式空氣預(yù)熱器簡(jiǎn)介

1.1 板管式空氣預(yù)熱器的基本原理

板管式空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)原理是結(jié)合板式空氣預(yù)熱器壓力降低、結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高以及管式空氣預(yù)熱器換熱元件獨(dú)立、易更換、易維護(hù)的特點(diǎn)，將特殊的扁管式結(jié)構(gòu)換熱元件組成管束式整體設(shè)備，使之兼具二者的優(yōu)點(diǎn)［2，3］。板管式空氣預(yù)熱器抗腐蝕的原理是根據(jù)煙氣溫位差異，結(jié)合金屬板管與玻璃板管的材料性能特點(diǎn)，在煙氣高溫段設(shè)置金屬板管、在煙氣低溫段設(shè)置玻璃板管，實(shí)現(xiàn)全溫度段差異化的換熱、防腐蝕需求。在具體設(shè)計(jì)方案中，高溫段采用金屬材質(zhì)，提高傳熱效率，低溫段可能出現(xiàn)酸露凝結(jié)的部分則采用抗腐蝕的玻璃材質(zhì)以抵抗低溫酸腐蝕。

1.2 板管式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

板管式空氣預(yù)熱器集中了管式與板式空氣預(yù)熱器的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)備層面上板管呈現(xiàn)類似于管式預(yù)熱器的矩陣式排列，元件層面上板管具有板式預(yù)熱器的層板結(jié)構(gòu)（圖1）。在高溫段的金屬換熱模塊中，每一個(gè)板管兩端焊接在管板上，使每一個(gè)板管構(gòu)成獨(dú)立的換熱單元。檢修維護(hù)時(shí)只需對(duì)單個(gè)有問(wèn)題的換熱板管進(jìn)行更換或封堵，無(wú)需拆除整個(gè)換熱模塊，檢修維護(hù)方便，利于裝置長(zhǎng)周期高效運(yùn)行。

煙氣低溫段換熱模塊所用的換熱元件結(jié)構(gòu)形式與高溫段的相同，區(qū)別在于換熱元件采用玻璃材質(zhì)，除了發(fā)揮其優(yōu)異的抗腐蝕特性外，玻璃表面光滑、不易附著灰塵，還可避免表面積灰結(jié)垢。

1.3 板管式空氣預(yù)熱器工藝性能

在層流流動(dòng)條件下，邊界層內(nèi)流體流動(dòng)方向與熱流方向幾乎垂直，此時(shí)流動(dòng)不能起到強(qiáng)化傳熱的作用，邊界層成為熱阻的主要來(lái)源［4］。因此，需要控制換熱元件截面長(zhǎng)寬比，使板管內(nèi)流體邊界層盡量薄，同時(shí)滿足構(gòu)造要求。板管式空氣預(yù)熱器的換熱元件截面長(zhǎng)寬比設(shè)定在15～40范圍內(nèi)，板管平直側(cè)壁面面積占整支板管換熱面積的90%～95%。每個(gè)流道截面與板式空氣預(yù)熱器的流道形狀基本相同，通過(guò)密集布置板管，增大傳熱面積，實(shí)現(xiàn)與板式空氣預(yù)熱器接近的換熱面積體積比。當(dāng)板管式空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為純逆流形式時(shí)，其換熱元件的換熱系數(shù)高于交錯(cuò)流板式空氣預(yù)熱器，壓力降則更低。此結(jié)構(gòu)還可以減少空氣預(yù)熱器彎頭箱的數(shù)量，減少空氣擾流，使氣流在板管平直側(cè)壁面之間流動(dòng)，呈活塞流，流動(dòng)阻力小，壓力降低。

2 板管式空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)

2.1 裝置概況

某項(xiàng)目中新建的100萬(wàn)噸/年催化柴油加氫裝置現(xiàn)場(chǎng)空氣濕度大、燃料硫含量高，對(duì)室外運(yùn)行設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性、耐酸露點(diǎn)腐蝕性要求較高。

設(shè)計(jì)空氣預(yù)熱器如圖2所示?？諝忸A(yù)熱器設(shè)置了3個(gè)碳鋼高溫模塊和1個(gè)玻璃低溫模塊，設(shè)計(jì)使得空氣預(yù)熱器高溫段換熱元件壁溫遠(yuǎn)高于煙氣酸露點(diǎn)溫度，確保預(yù)熱器高溫段不發(fā)生露點(diǎn)腐蝕?？諝忸A(yù)熱器低溫段選用抗露點(diǎn)腐蝕的耐熱玻璃制成換熱元件，以解決煙氣低溫酸露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題。在預(yù)熱器底端設(shè)計(jì)了冷凝水排放口，可以及時(shí)將產(chǎn)生的酸性冷凝液排出預(yù)熱器。

2.2 工藝核算數(shù)據(jù)

2.2.1 板管式空氣預(yù)熱器的換熱系數(shù)

板管是板管式空氣預(yù)熱器的關(guān)鍵元件，其結(jié)構(gòu)形式是影響綜合傳熱系數(shù)和換熱效率的關(guān)鍵因素。由于換熱元件兩側(cè)均是微正壓氣相介質(zhì)，管內(nèi)外的換熱系數(shù)應(yīng)該均衡設(shè)計(jì)，如果一側(cè)換熱系數(shù)的增強(qiáng)，削弱了另一側(cè)換熱系數(shù)，增加了阻力損失，反而對(duì)傳熱和阻力損失有不利影響［5］。

板管式空氣預(yù)熱器的總傳熱系數(shù)K描述如下：

K=1/（1/h+δ/λ+1/h） （1）

式中 h、h——板管內(nèi)、外側(cè)表面熱交換系數(shù)，

W/（m2·℃）；

δ——管壁厚度，m；

λ——管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

計(jì)算板管式空氣預(yù)熱器總傳熱系數(shù)需要用到對(duì)流換熱系數(shù)h、h。對(duì)流換熱系數(shù)需要實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其測(cè)定可以采用壁面溫度測(cè)定法、分離法、等雷諾數(shù)法及瞬態(tài)法等。對(duì)于板管式空氣預(yù)熱器，同組換熱單元換熱面兩側(cè)流體通道幾何相似，兩側(cè)流體的流動(dòng)雷諾數(shù)范圍相同或相近，滿足等雷諾法的基本條件，冷、熱通道流體的對(duì)流換熱系數(shù)可用同一準(zhǔn)則方程式描述，如下［6］：

" " " " Nu=CRemPrm （2）

分別用下標(biāo)1和2表示熱流體和冷流體，可得板管式空氣預(yù)熱器的對(duì)流換熱系數(shù)如下：

" " "h=CRemPr0.3（λ/d） （3）

" " "h=CRemPr0.4（λ/d） （4）

2.2.2 板管式空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目空氣預(yù)熱器工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中包括額定工況、正常工況和設(shè)計(jì)工況，并分別給出了煙氣數(shù)據(jù)和空氣數(shù)據(jù)，空氣側(cè)進(jìn)口溫度為環(huán)境溫度，本項(xiàng)目平均環(huán)境溫度為17.9 ℃，采用能量守恒原理進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

空氣預(yù)熱器的有效換熱面積A計(jì)算公式：

A=Q/（K×K×Δtm） （5）

Δt=（ΔT-ΔT）/ln（ΔT/ΔT）

式中 K——傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

K——污垢系數(shù)，一般取0.8～0.9；

Q——總換熱量，W；

Δt——對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

3 板管式空氣預(yù)熱器運(yùn)行分析

3.1 空氣預(yù)熱器投用

某項(xiàng)目新建的100萬(wàn)噸/年催化柴油加氫裝置加熱爐空氣預(yù)熱器采用的板管式空氣預(yù)熱器含有玻璃板管式空氣預(yù)熱器。玻璃板管空氣預(yù)熱器開(kāi)工方法不同于常規(guī)金屬材質(zhì)空氣預(yù)熱器的方法，加熱爐運(yùn)行正常后，打開(kāi)空氣路鼓風(fēng)機(jī)，引導(dǎo)空氣進(jìn)入預(yù)熱器，空氣正常通入后，打開(kāi)煙氣路引風(fēng)機(jī)，引導(dǎo)煙氣進(jìn)入預(yù)熱器，檢測(cè)煙氣進(jìn)口溫度、出口溫度和空氣進(jìn)口溫度、出口溫度，運(yùn)行正常后緩慢打開(kāi)溢流口閥門(mén)，根據(jù)溢流口出水量大小來(lái)調(diào)整溢流口閥門(mén)的開(kāi)度。

空氣預(yù)熱器投用并運(yùn)行平穩(wěn)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，匯總數(shù)據(jù)列于表2，加熱爐實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)有較大差異，從運(yùn)行情況看，煙氣出口溫度132.9 ℃，沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱平衡核算，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致上述問(wèn)題可能是由于空氣旁路漏風(fēng)所致，計(jì)劃在裝置停爐檢修時(shí)更換密封性能更好的空氣旁路密封擋板。

3.2 長(zhǎng)周期運(yùn)行能力驗(yàn)證

裝置運(yùn)行一周期后，停爐檢修，進(jìn)入預(yù)熱器內(nèi)部可見(jiàn)空氣預(yù)熱器低溫段如圖3所示，空氣預(yù)熱器內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)玻璃換熱元件破損、玻璃換熱元件煙氣側(cè)未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，僅在煙氣側(cè)有少量浮灰，但基于煙氣側(cè)壓力降在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)沒(méi)有明顯變化的事實(shí)，判斷煙氣側(cè)浮灰對(duì)空氣預(yù)熱器運(yùn)行沒(méi)有影響。檢修時(shí)更換了風(fēng)道旁路擋板。

裝置檢修完畢后，投用空氣預(yù)熱器，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次采集列于表3，可以看到，煙氣出口溫度為103.6 ℃，經(jīng)過(guò)熱平衡核算，空氣預(yù)熱器運(yùn)行數(shù)據(jù)達(dá)到并超過(guò)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了良好的節(jié)能效果，加熱爐效率為93.6 %。其中空氣預(yù)熱器煙氣進(jìn)口氧含量為3.5vol.%，煙氣出口氧含量仍然為3.5vol.%，表明空氣預(yù)熱器密封良好，實(shí)現(xiàn)了零泄漏。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某項(xiàng)目中新建的100萬(wàn)噸/年催化柴油加氫裝置中加熱爐使用的板管式金屬-玻璃組合空氣預(yù)熱器應(yīng)用情況的分析研究，表明新型板管式空氣預(yù)熱器有效解決了低溫露點(diǎn)腐蝕難題，空氣與煙氣之間無(wú)泄漏，換熱效率高，檢修維護(hù)方便，較好地實(shí)現(xiàn)了裝置長(zhǎng)周期安全高效運(yùn)行的要求。加熱爐空氣預(yù)熱器采用金屬和非金屬材質(zhì)組合的設(shè)計(jì)思路，為加熱爐節(jié)能增效提供了借鑒，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-12-18，修回日期：2024-07-14）

Application of Tube?Sheet Air Preheater in Diesel Hydrogenation Furnace

YUAN Cheng?zhi1， LU Juan2

（1. Sinopec Engineering Incorporation； 2. China Special Equipment Inspection amp; Research Institute）

Abstract " In this paper， the technical principle， design calculation and operation analysis of the tube?sheet metal?glass air preheater applied were discussed and its structure characteristics and performance were analyzed theoretically and practically.

Key words " " air preheater， heating furnace， tube?sheet， glass

作者簡(jiǎn)介：袁成志（1984-），高級(jí)工程師，從事石油化工工業(yè)爐設(shè)計(jì)工作。

通訊作者：盧娟（1984-），工程師，從事壓力容器設(shè)計(jì)與制造工作，juanalu@vip.sina.com。

引用本文：袁成志，盧娟.板管式空氣預(yù)熱器在柴油加氫加熱爐中的應(yīng)用［J］.化工機(jī)械，2024，51（4）：596-599；654.