空氣預熱器在煉油生產中的應用

空氣預熱器是重要的工廠加熱設備之一，用于將熱量和爐內使用的空氣交換至熱交換，以提高工作效率，減少燃料消耗，減少有害氣體（如二氧化硫和氮）的排放。但過低的排煙溫度會引起設備露點腐蝕,降低空氣預熱器的使用壽命。為此,以避開煙氣露點腐蝕,提升熱效率為動力,推動了各種類型空氣預熱器功能的不斷提升和完善,使得各種類型的空氣預熱器在煉油化工行業得到應用,帶動了空氣預熱器行業的發展。1預熱器的作用空氣預熱器工作原理:受熱面的一側通過煙氣、另一側通過空氣進行熱交換,即是空氣吸熱和煙氣放熱的一個熱交換過程,由此達到提高煙氣余熱利用率的目的［１］。經過多年來的發展,空氣預熱器的結構變得復雜多樣。就位置而言,有放置在爐頂上,也有安放在地面上;就結構而言,有回轉、列管、板式、熱管之分?？傮w而言,熱交換是在煙氣側進行,原理示意圖見圖1?？諝忸A熱器在節能降耗中的作用［２］:1改善并強化燃燒。經過預熱器后的熱空氣進入爐內后,加速了燃料的干燥、著火和燃燒過程,保證爐內穩定燃燒,起著改善、強化燃燒的作用。2強化傳熱。由于爐內燃燒得到改善和強化,加上進入爐內的熱風溫度提高,爐內平均溫度水平也有提高,從而可強化爐內輻射傳熱。3減小爐內損失,降低排煙溫度,提高鍋爐熱效率。由于爐內燃燒穩定,輻射熱交換的強化可以降低化學不完全燃燒損失。另一方面,空氣預熱器利用煙氣余熱,進一步降低了排煙損失,提高了鍋爐熱效率。根據經驗,當空氣在預熱器中溫度升高1.5℃時,排煙溫度可降低1℃。在鍋爐煙道中安裝空氣預熱器后,如果能把空氣預熱150~160℃,就可以降低排煙溫度110~120℃,可將鍋爐熱效率提高7%~7.5%,節約燃料11%~12%。2空氣預熱器分類［３］2.1空氣-空氣預熱器按加熱方式不同,空氣預熱器分為煙氣間接加熱空氣的空氣預熱器和煙氣直接加熱空氣的空氣預熱器。煙氣間接加熱空氣的空氣預熱器主要有早期的工藝分支物流預熱空氣、冷進料-熱油預熱空氣及熱載體預熱空氣,這些方案在20世紀80年代在常減壓蒸餾裝置得到應用,并取得了很好的經濟效益。現在由于優化換熱流程技術的完善,將爐子和空氣預熱器加入,反而使工藝控制復雜化,較少使用。煙氣直接加熱空氣的空氣預熱器就是直接將熱量傳遞給空氣,它雖然有氣-氣傳熱效果差的弱點,但自成系統,與其它工藝過程無關,當空氣預熱器出現故障時,不會影響整個工藝過程。因此,在煉油加熱爐上得到了廣泛的應用。2.2空氣預熱器應用從換熱特性上分,空氣預熱器分為管式(鋼管、鑄鐵管、玻璃管、搪瓷管)空氣預熱器、熱管式空氣預熱器、板式空氣預熱器、水熱媒空氣預熱器及回轉式空氣預熱器等。各式各樣的空氣預熱器的結構、工作原理、設計計算方法各不相同,適用范圍也不相同。但就石油化工行業而言,歐洲國家大多使用鋼管-鑄鐵管-玻璃管3段組合式空氣預熱器,美國用回轉式空氣預熱器較多［４］,國內則是熱管式空氣預熱器應用的最為普遍。(1)管式空氣預熱器管式空氣預熱器是最早使用的空氣預熱器,為氣-氣換熱,制造簡單、維護成本低,但傳熱效率率低、質量大［５］,存在嚴重的露點腐蝕問題,目前應用的搪瓷管、玻璃管預熱器都是管式空氣預熱器的升級換代產品。(2)熱管式空氣預熱器熱管式空氣預熱器開發于20世紀60年代,利用水的相變進行熱交換,傳熱效率高,安裝方便,性價比較高,是目前國內應用最多的一種空氣預熱器［６］。(3)板式空氣預熱器采用波紋板片作為傳熱元件,一定數量的波紋板片疊合成板束,煙氣-空氣通過板片直接換熱,目前在用的都是單程強制換熱,換熱面積大、熱效率高［７］。(4)水熱媒空氣預熱器利用除氧水或除鹽水作熱媒,建立一個閉路循環系統。熱媒水通過放置在加熱爐對流室出口的煙氣熱交換器吸收煙氣的熱量,再通過布置在鼓風機出口的空氣預熱器放出熱量,加熱空氣,如此循環將煙氣熱量傳遞給加熱爐所需的空氣［８］。(5)回轉式空氣預熱器回轉式空氣預熱器內置蓄熱元件,放置在扇形隔倉內,交替與煙氣和空氣進行換熱,是一種動設備,擁有控制系統［９］。3空氣預熱器的開發為了降低露點腐蝕,提高熱效率,人們對各種空氣預熱器進行了改進,甚至跨類別進行復合,以適應煉油行業的發展。3.1擄蝕帶空氣預熱器鋼管空氣預熱器+養殖瓷器含調整透射式空氣預熱器如圖2近40a來,國內外對鋼管熱交換器進行了大量的強化傳熱研究,取得了豐碩的成果。目前已有的強化傳熱管技術不下百余種,通過強化傳熱能提高換熱效率超過50%,但抗露點腐蝕能力差,冷風端管壁金屬溫度低,存在典型的三角形區域腐蝕［１０］,由此演變出玻璃管或搪瓷管空氣預熱器,它是鋼管空氣預熱器的升級產品。搪瓷管空氣預熱器是通過在低溫段鋼管外表面燒鍍搪瓷來防止低溫露點的腐蝕,即在普通碳鋼管外涂一層耐酸搪瓷。與碳鋼管相比,搪瓷管傳熱系數相對降低率小于5%,搪瓷表面光滑,不易結垢和積灰,又耐磨損、抗腐蝕。但缺點也是明顯的,一次投資過大,且制造工藝有待規范,搪瓷管如果存在針眼、掉瓷等缺陷,腐蝕依然不可避免。如果克服搪瓷管的制造、運輸、安裝方面存在的問題,應該有較大的發展空間。3.2高溫高溫煙氣中不凝氣的應用熱管空氣預熱器是20世紀60年代出現的一種空氣預熱器,熱管一般由管殼和內部工作液體(工質)組成。石化行業中常用的熱管為常溫熱管,換熱效果好,工作溫度一般為0~250℃,在高于300℃的煙氣中應用效果較差［１１］,易出現爆管和產生不凝氣。近幾年,高溫熱管已經開始使用,另外根據熱管和管式空氣預熱器的綜合特性開發出復合式熱管空氣預熱器,其工作原理是在高溫部位用管式空氣預熱器進行熱交換,在低溫部位用熱管進行熱交換,有效避開煙氣的露點腐蝕,已經得到廣泛應用,可以在露點的臨界點工作。其發展方向應是傳質方面,并解決熱管的不凝氣集聚及熱管容易失效的問題［１２］。3.3熱交換器設備特點板式空氣預熱器具有單程強制換熱、換熱面積大及熱效率高等特點。目前,大型熱交換器多采用模塊設計、分模塊制造,以便于運輸、現場組裝及模塊的單獨更換。此類熱交換器可根據流體特點實現十字流、錯流、逆流、錯流和逆流以及單流程與多流程組合布置［１３］。根據煙氣溫度及選用材料的特點,可實現高溫預熱與低溫預熱多級組合布置。設備采用全焊式結構,密封性能好,可很好地避免介質泄漏,板片焊接采用自動輪焊技術,并及時在焊接中進行跟蹤定位、壓緊以及檢驗,保證了板片的焊接質量［１４］。其缺點是易積灰、不易清洗,只適合在潔凈的燃燒環境下工作,不能用于燃油加熱爐。3.4煙氣熱交換器最低壁溫利用除氧水或除鹽水作熱媒,建立一個閉路循環系統。為防止煙氣熱交換器發生低溫露點腐蝕在水熱媒空氣預熱器進口和循環水泵入口之間設置旁路調節閥,控制空氣預熱器的換熱量,保證進煙氣熱交換器熱媒水的溫度高于露點溫度,即煙氣熱交換器的最低壁溫高于露點(一般設計值)為130~150℃［１５］。水熱媒空氣預熱器需要與裝置外(或內)的水系統相連,因此流程長,在加熱爐區要增加熱水泵、旁路調節系統及安全閥等設備,增加了操作的復雜性。由于工質水的沸點只有100℃,加熱后的空氣溫度不高,能量等級(火用值)低,今后的發展方向是繼續改進熱媒介質,目前發現有將水熱媒空氣預熱器和管式空氣預熱器進行組合的實例,和熱管空氣預熱器類似［１６］。3.5空氣側放熱系統預熱器轉子部件由數萬計的傳熱元件組成,當空氣預熱器緩慢旋轉時,煙氣和空氣逆向交替流經空氣預熱器。蓄熱元件在煙氣側吸熱,在空氣側放熱,從而達到降低排煙溫度、提高熱風溫度的預熱作用。其優點是傳熱系數大,缺點是漏風不可避免,安裝制造較為復雜,與之配套的有潤滑油系統、密封系統、漏風控制系統等輔助系統。針對電力鍋爐技術的發展,由原來的二分倉發展成三分倉、四分倉［１７］作為電廠大型機組配套的主流產品,目前仍是電力行業大容量機組采用的主要形式［１８］。短期內看不到重回煉油行業的跡象。4比較和開發空氣預熱器的新方向4.1抗露點腐蝕空氣預熱器各種空氣預熱器性能比較結果見表1。從表1中可以看出,各種空氣預熱器均有自己獨特的一面,沒有絕對的優勢,故造成在行業內不能一統天下的局面,針對此現象,日本公司開發出抗露點腐蝕空氣預熱器,能將排煙溫度控制在露點溫度以下,免維護,可長周期高效運行并得到應用［１９］。國內剛進入起步階段,已經申請了發明專利［２０］,并在某公司試運行。4.2空氣預熱器錫基復合鋼管抗露點腐蝕空氣預熱器是對現有加熱爐空氣預熱器的一次突破,換熱管材質為錫基復合材料,可有效避開煙氣露點腐蝕,并采用內部加設擾流子、外部增加翅片的方法來強化傳熱?？筛鶕訜釥t的承載情況將空氣預熱器置于加熱爐頂部或底部。錫基復合鋼管具有鋼材的強度和錫的抗腐蝕性,使用溫度在280℃以下。與現有技術相比,抗露點腐蝕空氣預熱器熱傳導效率高,結構簡單,制造方便。由于解決了露點腐蝕的難題,將排煙溫度降低到100℃以下［２１］,故可達到提高加熱爐熱效率、減少碳排放的要求,其結構示意圖見圖2。5空氣預熱器露點腐蝕問題的解決方案長期的實踐表明,空氣預熱器的發展進步就是圍