新型石墨空氣預(yù)熱器試驗(yàn)研究*

孫志欽，李玖重，高曉紅

(中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽(yáng) 471003)

新型石墨空氣預(yù)熱器試驗(yàn)研究*

孫志欽，李玖重，高曉紅

(中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽(yáng) 471003)

煉油裝置加熱爐排煙溫度最優(yōu)值在90 ℃左右，由于低溫露點(diǎn)腐蝕的限制，目前加熱爐排煙溫度為120～150 ℃，達(dá)不到最優(yōu)值。不透性石墨具有耐腐蝕性能強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)大、表面不易結(jié)垢等特性，由其制成的空氣預(yù)熱器特別適用于露點(diǎn)溫度以下的煙氣余熱回收。利用不透性石墨自行研制了一臺(tái)熱負(fù)荷為32.8 kW的新型空氣預(yù)熱器，并通過(guò)熱態(tài)試驗(yàn)研究了新型石墨空氣預(yù)熱器的阻力特性、傳熱性能及耐溫密封性能。試驗(yàn)表明，在適宜的流速范圍內(nèi)，新型石墨空氣預(yù)熱器的綜合性能能夠滿(mǎn)足加熱爐跨越低溫腐蝕障礙、回收低溫?zé)煔庥酂帷⑻岣邿嵝实囊蟆?/p>

低溫露點(diǎn)腐蝕 不透性石墨 石墨空氣預(yù)熱器

近年來(lái)，中石化煉化企業(yè)裝置加熱爐燃料的品質(zhì)已大大改善，燃料成本快速增長(zhǎng)，余熱回收設(shè)備成本相對(duì)于燃料成本增幅較小，煙氣余熱回收裝置應(yīng)重新優(yōu)化排煙溫度，實(shí)現(xiàn)煉油加熱爐深度節(jié)能。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，考慮熱量回收、安全長(zhǎng)周期運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等因素，煉油加熱爐排煙溫度最優(yōu)值應(yīng)該在90 ℃左右[1]。

目前煉油企業(yè)加熱爐排煙溫度為120～150 ℃，空氣預(yù)熱器已在煙氣硫酸露點(diǎn)臨界溫度運(yùn)行，進(jìn)一步降低排煙溫度，空氣預(yù)熱器會(huì)產(chǎn)生硫酸露點(diǎn)腐蝕[2]。為了進(jìn)一步降低排煙溫度，深度回收煙氣余熱，從結(jié)構(gòu)及材料方面對(duì)空氣預(yù)熱器的耐腐蝕性能進(jìn)行了改進(jìn)和提升。已經(jīng)開(kāi)發(fā)使用的防露點(diǎn)腐蝕材料主要有：ND鋼、Cast鋼、鑄鐵板[3]和非金屬涂層[4]等，這些材料有一定的抵抗煙氣露點(diǎn)腐蝕的能力，但在使用過(guò)程中都出現(xiàn)了各種問(wèn)題，無(wú)法完全抵抗煙氣低溫腐蝕。因此，開(kāi)發(fā)新型非金屬耐腐蝕空氣預(yù)熱器勢(shì)在必行。

1 新型石墨空氣預(yù)熱器

不透性石墨是一種由人造石墨及合成樹(shù)脂通過(guò)浸漬、壓制和澆鑄等方法制成的新型材料。它具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕性能強(qiáng)。常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為100～110 W/m·K，是普通碳鋼的2.5倍以上。與大多數(shù)介質(zhì)之間的“親和力”極小，表面不易結(jié)垢[5]。并且，不透性石墨制成的換熱器價(jià)格與鑄鐵板式空氣預(yù)熱器相當(dāng)。這些優(yōu)良的性質(zhì)，保證了由其制成的空氣預(yù)熱器可以跨越低溫腐蝕障礙，在露點(diǎn)及更低的溫度運(yùn)行。

石墨制成的新型空氣預(yù)熱器從結(jié)構(gòu)可以采用管式和塊孔式兩種型式。由于石墨材料屬于脆性材料，而空氣預(yù)熱器在使用過(guò)程中由于溫差的變化，易產(chǎn)生應(yīng)力變形。石墨傳熱管一般外徑較小，長(zhǎng)度達(dá)數(shù)米以上，其抗彎強(qiáng)度不足，易發(fā)生應(yīng)力斷裂，影響空氣預(yù)熱器的可靠性。石墨塊孔換熱芯體是由若干長(zhǎng)方體石墨塊堆疊而成，石墨塊孔芯體為整體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度要明顯高于石墨管式空氣預(yù)熱器。從運(yùn)行的可靠性考慮，石墨空氣預(yù)熱器采用承壓能力強(qiáng)、使用溫度高的塊孔結(jié)構(gòu)型式[6]。

石墨空氣預(yù)熱器與煉油企業(yè)的傳統(tǒng)鋼制空氣預(yù)熱器有很大不同，為了研究新型石墨空氣預(yù)熱器氣-氣傳熱的綜合性能，采用模擬軟件對(duì)石墨空氣預(yù)熱器的換熱孔徑進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)模擬優(yōu)化結(jié)果，自行研制了一臺(tái)熱負(fù)荷為32.8 kW空氣預(yù)熱器進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)(見(jiàn)圖1)。

圖1 新型石墨空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)示意注：1-煙氣出口過(guò)渡段；2-連通器；3-空氣進(jìn)口過(guò)渡段；4-空氣出口過(guò)渡段；5-石墨芯體；6-煙氣進(jìn)口過(guò)渡段；7-支座；8-殼體

2 新型石墨空氣預(yù)熱器的熱態(tài)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置采用煙氣單 回程，空氣雙回程的結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)過(guò)程中，改變石墨空氣預(yù)熱器煙氣和空氣進(jìn)口流速，在15種不同工況下測(cè)量石墨空氣預(yù)熱器進(jìn)出口的壓力和溫度，并測(cè)量空氣預(yù)熱器壁面溫度及散熱熱流。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

(1)換熱介質(zhì)：煙氣和空氣；燃料：城市管道天然氣。

(2)新型石墨空預(yù)器設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為32.8 kW；換熱面積為13.18 m2。

(3)鼓風(fēng)機(jī)：全壓3 500～3 700 Pa，流量3 800～4 100 m3/h。

(4)風(fēng)道直徑：300 mm；煙道直徑：300 mm；煙囪高度：10 m。

2.2 熱態(tài)試驗(yàn)工藝流程

石墨空氣預(yù)熱器熱態(tài)試驗(yàn)工藝流程(見(jiàn)圖2)。天然氣在煙氣發(fā)生器內(nèi)與來(lái)自1號(hào)風(fēng)機(jī)的空氣燃燒產(chǎn)生煙氣，煙氣進(jìn)入石墨空氣預(yù)熱器的煙氣流道，與來(lái)自2號(hào)風(fēng)機(jī)的空氣換熱后排向煙囪。來(lái)自2號(hào)風(fēng)機(jī)的空氣進(jìn)入石墨空氣預(yù)熱器與煙氣換熱，溫度升高后排向大氣。來(lái)自1號(hào)風(fēng)機(jī)的空氣通過(guò)熱風(fēng)管道進(jìn)入煙氣發(fā)生器作助燃及冷卻空氣。

熱態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中，改變石墨空氣預(yù)熱器煙氣、空氣進(jìn)口流速，進(jìn)行15種工況的試驗(yàn)及測(cè)試。在每種工況下，石墨空氣預(yù)熱器穩(wěn)定運(yùn)行30 min后，記錄一次介質(zhì)進(jìn)出口的溫度和壓力，每個(gè)工況測(cè)量三次，取平均值作為計(jì)算值。

圖2 石墨空氣預(yù)熱器熱態(tài)試驗(yàn)工藝流程

3 熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 石墨空氣預(yù)熱器的阻力特性

石墨空氣預(yù)熱器的阻力特性主要表現(xiàn)在石墨芯體流道孔流速對(duì)壓力降的影響上，根據(jù)工程應(yīng)用對(duì)空氣預(yù)熱器壓力的限制，結(jié)合空氣預(yù)熱器的阻力特性曲線(xiàn)，考察空氣預(yù)熱器的阻力特性。不同流道孔流速下，煙氣側(cè)和空氣側(cè)壓力降的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，煙氣側(cè)和空氣側(cè)的壓力降都隨氣體流道孔流速的增大而逐漸增大，空氣側(cè)壓力降遠(yuǎn)大于煙氣側(cè)壓力降。這是因?yàn)樽枇Φ拇笮∨c速度的平方成正比，也與流道孔的長(zhǎng)度正相關(guān)。由于空氣的流道孔長(zhǎng)度大于煙氣流道孔，并且空氣流道存在一個(gè)U型拐角，增加了一個(gè)局部阻力，所以空氣側(cè)壓力降遠(yuǎn)大于煙氣側(cè)。

圖3 氣體流道孔流速對(duì)壓力降的影響

工程應(yīng)用中，受限于風(fēng)機(jī)的壓頭，空氣側(cè)壓力降應(yīng)小于1 400 Pa，相應(yīng)流道孔流速小于25 m/s。為了提高空氣預(yù)熱器傳熱能力，根據(jù)煙氣側(cè)和空氣側(cè)的換熱面積，對(duì)煙氣側(cè)和空氣側(cè)的流速進(jìn)行優(yōu)化匹配，煙氣側(cè)流速應(yīng)小于20 m/s，對(duì)應(yīng)壓力降小于350 Pa。

3.2 石墨空氣預(yù)熱器的傳熱性能

石墨空氣預(yù)熱器的傳熱性能主要表現(xiàn)在石墨芯體流道孔流速對(duì)換熱系數(shù)的影響上，根據(jù)空氣預(yù)熱器換熱系數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)合阻力特性曲線(xiàn)考察其傳熱性能(見(jiàn)圖4)。石墨空氣預(yù)熱器的換熱系數(shù)隨著流道孔流速的增大而逐漸增大，這是由于流道孔流速變大，流體湍流強(qiáng)度增加，對(duì)流換熱增強(qiáng)，換熱系數(shù)隨之提高。然而較大的流道孔流速會(huì)產(chǎn)生較大的沿程阻力和局部阻力損失，加大了系統(tǒng)的能耗。因此，換熱系數(shù)的優(yōu)化需考慮到空氣預(yù)熱器的阻力特性。

從圖4看出，當(dāng)流速大于25 m/s時(shí)，空氣預(yù)熱器的換熱系數(shù)曲線(xiàn)漸趨于平緩，隨流速的增大，換熱系數(shù)增加較小，而相應(yīng)的壓力降增加較多。結(jié)合空氣預(yù)熱器的阻力特性，空氣流道孔流速應(yīng)小于25 m/s，煙氣流道孔流速小于20 m/s是比較適宜的，此時(shí)，空氣預(yù)熱器換熱系數(shù)可達(dá)到45 W/(m2·K)左右，傳熱性能優(yōu)于一般的鋼管式空氣預(yù)熱器。

圖4 孔流速對(duì)換熱系數(shù)的影響

3.3 石墨空氣預(yù)熱器的耐溫性和密封性

煙氣余熱深度回收溫度一般不超過(guò)200 ℃，本次熱態(tài)試驗(yàn)歷時(shí)兩個(gè)多月，運(yùn)行的最高溫度達(dá)到250 ℃，煙氣出口最低溫度為80 ℃。試驗(yàn)過(guò)程中石墨空氣預(yù)熱器的耐溫性能良好，抗冷熱伸縮變形及耐腐蝕能力強(qiáng)，沒(méi)有出現(xiàn)破碎、彎曲、變形和腐蝕等現(xiàn)象。

通過(guò)測(cè)量石墨空氣預(yù)熱器在運(yùn)行過(guò)程中的壁面溫度及散熱熱流，計(jì)算出預(yù)熱器的散熱損失僅為煙氣放熱量的1.86%，計(jì)算預(yù)熱器壁面散熱結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)過(guò)程中石墨空氣預(yù)熱器沒(méi)有出現(xiàn)吸風(fēng)、漏氣等現(xiàn)象，密封性能良好。

表1 空氣預(yù)熱器表面散熱損失 J/s

從熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可以得出，考慮實(shí)際耗能及允許壓力降，在適宜的孔內(nèi)流速范圍，新型石墨空氣預(yù)熱器的阻力特性、傳熱性能、耐溫性能及密封性能等均滿(mǎn)足加熱爐跨越低溫腐蝕障礙，深度回收低溫?zé)煔庥酂幔L(zhǎng)期在露點(diǎn)及更低的溫度下運(yùn)行的要求。

4 結(jié) 論

(1)低溫露點(diǎn)腐蝕已成為降低排煙溫度和提高加熱爐熱效率的主要障礙?，F(xiàn)有空氣預(yù)熱器只能在煙氣露點(diǎn)溫度附近運(yùn)行，無(wú)法跨越低溫腐蝕的障礙。

(2)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)熱性能優(yōu)良和不宜結(jié)垢的不透性石墨材料可以從根本上解決空氣預(yù)熱器低溫腐蝕的問(wèn)題。

(3)熱態(tài)試驗(yàn)表明，新型石墨空氣預(yù)熱器可以滿(mǎn)足加熱爐跨越低溫腐蝕障礙，深度回收煙氣余熱，長(zhǎng)期在露點(diǎn)溫度以下工作的要求。

[1] 李文輝. 煉油裝置加熱爐節(jié)能途徑與制約因素[J]. 中外能源，2009,14(10):85-91.

[2] 錢(qián)家麟. 管式加熱爐[M]. 北京：中國(guó)石化出版社，2005:524-525.

[3] 錢(qián)余海，李自剛，楊阿娜. 低合金耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼的性能和應(yīng)用[J]. 特殊鋼，2005,26(5)：30-34.

[4] 杜洪建. 耐硫酸露點(diǎn)腐蝕搪瓷空氣預(yù)熱器[J]. 石油化工腐蝕與防護(hù)，2007,24(4):38-40.

[5] 宋建波，殷志軍. 新型列管式石墨空氣預(yù)熱器在合成氨生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 氮肥技術(shù)，2006(27):24-25.

[6] 梁若清，馮勇祥，陸木林. 國(guó)內(nèi)外石墨換熱器的發(fā)展與應(yīng)用研究[J]. 化工生產(chǎn)與技術(shù)，1995(4):24-30.

(編輯 王菁輝)

Experimental Study on a New Type Graphite Air Preheater

SunZhiqin,LiJiuchong,GaoXiaohong
(SEGLuoyangR&DCenterofTechnology,Luoyang471003，China)

The optimum flue gas emission temperature of furnaces in the refinery units is about 90 ℃ now,gas emission temperature of farnaces is at 120～150 ℃ and under the optimum. due to the limit of low-temperature dew-point corrosion. The impervious graphite, which has strong corrosion resistance, high thermal conductivity and non-fouling on the surfaces, is especially suitable for the manufacturing of air preheaters for recovering the flue gas heat below dew point temperature. A new type of graphite air preheater with a thermal duty of 32.8kW has been developed by using the impervious graphite material, and the resistance characteristics, heat transfer performance and temperature sealing performance of the air preheater are studied by hot-run test. The results of tests show that the comprehensive performances of the new type air preheater can meet the requirements of spanning low temperature corrosion barrier, recovering the waste heat from low-temperature flue gas and improving the thermal efficiency of the furnaces.

low-temperature dew point corrosion, impervious graphite, graphite air preheater

2016-08-21；修改稿收到日期：2016-09-12。

孫志欽(1963-)，高級(jí)工程師，本科，從事節(jié)能與燃燒方面工作。E-mail：sunzq.lpec@sinopec.com

中國(guó)石油化工股份有限公司科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,煉油加熱爐深度節(jié)能技術(shù)開(kāi)發(fā)研究(313041)。