加熱爐空氣預熱器底部積水原因分析及對策

尹志煒

（中國石化海南煉化公司，海南洋浦578101）

在石油化工裝置中加熱爐的能耗占比最多，所以提高加熱爐熱效率可提高企業(yè)競爭力?？諝忸A熱器的應(yīng)用將有效降低加熱爐的排煙溫度，回收煙氣熱量。但隨著排煙溫度的降低，不僅造成空氣預熱器、風機、煙囪的低溫露點腐蝕，同時其排出的酸性水也將帶來環(huán)保方面的問題。

1 裝置加熱爐系統(tǒng)簡介

國內(nèi)沿海某公司化工裝置加熱爐均采用大型方箱爐設(shè)計。其中2臺加熱爐共用1套余熱回收系統(tǒng)，加熱爐的設(shè)計熱負荷分別為168 MW和12 MW，共設(shè)置72臺低NOx氣體燃燒器，設(shè)計熱效率為94%，設(shè)計排煙溫度不大于95℃。

余熱回收系統(tǒng)的空氣預熱器分為高溫段空氣預熱器和低溫段空氣預熱器，其中高溫段采用板式空氣預熱器，低溫段采用鑄鐵雙向翅片預熱器。鑄鐵雙向翅片空氣預熱器采用特殊鑄鐵材質(zhì)制造，因其板片雙面具有翅片，比表面積大，故該空氣預熱器具有良好的傳熱性能。因其低溫腐蝕速率較小，其抗露點腐蝕能力較好，可進一步降低排煙溫度，提高加熱爐熱效率[1]。

2 空氣預熱器底部積水原因分析

在傳統(tǒng)加熱爐中，為減少露點腐蝕，排煙溫度一般為120℃以上，煙氣中的水基本是以水蒸汽的形式通過煙囪排入大氣。而排煙溫度是影響加熱爐熱效率的主要指標之一，當加熱爐的熱效率在90%左右時，排煙熱損失占總熱損失的70%~80%[2]。較高的排煙溫度必然導致熱效率下降，為提高加熱爐熱效率，充分回收煙氣熱量，該裝置加熱爐設(shè)置了高溫空氣預熱器和低溫空氣預熱器。

因該廠加熱爐燃料氣硫含量較低，經(jīng)測定煙氣露點溫度為85℃以下，日常加熱爐排煙溫度一般控制在95℃左右，故該加熱爐空氣預熱器不應(yīng)該存在嚴重的露點腐蝕，且空氣預熱器底部排水管線的排水量應(yīng)該不大。但隨著加熱爐的運行發(fā)現(xiàn)低溫空氣預熱器底部排水管線的排水量很大，且因為煙道內(nèi)為負壓，壓力大概為-3 000 Pa，而排水口直接排往大氣，故至少有大約300 mm的水柱在排水管內(nèi)無法排除。低溫空氣預熱器底部排水管線管徑為DN40，管徑偏小，在排水口處可觀察到部分鐵銹，可知低溫空氣預熱器底部存在腐蝕，鐵銹造成了排水口部分堵塞，空氣預熱器底部存在積水。

進一步觀察余熱回收系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)引風機入口相鄰的3個煙氣溫度測點的測量值偏差非常大。為消除氣溫影響，取24小時溫度測量值，變化趨勢見圖1。

由圖1可知，引風機入口相鄰的溫度測點A和C的溫度明顯低于溫度測點B的溫度，有40℃左右偏差，但其現(xiàn)場的實際位置很近，經(jīng)確認該溫度測點真實，為找到引風機入口溫度偏差較大的原因，對整個加熱爐余熱回收系統(tǒng)進行分析，加熱爐余熱回收系統(tǒng)流程見圖2。

圖1 引風機入口溫度

由圖2可知，高溫煙氣從加熱爐對流段出口經(jīng)煙道進入高溫空氣預熱器，經(jīng)高溫空氣預熱器換熱后，分左右兩路進入低溫空氣預熱器，而冷風也是分兩路進入低溫空氣預熱器，這樣就將低溫空氣預熱器分成了4個區(qū)域。因1區(qū)和3區(qū)先與冷風換熱，而與2區(qū)和4區(qū)換熱的冷風被1區(qū)和3區(qū)加熱過，故3區(qū)出口的煙氣溫度必然要大幅低于4區(qū)出口的煙氣溫度，且煙氣入引風機的煙道過短，煙氣未充分混合便被送至煙囪。由圖2可知溫度測點A和C更靠近3區(qū)出口的煙氣，而溫度測點B更靠近4區(qū)出口的煙氣，故溫度測點A和C明顯低于溫度測點B的測量值，而95℃的排煙溫度存在失真，并不能反映空氣預熱器的運行情況。為更直觀地觀察3區(qū)和4區(qū)的溫度，查看了位于3區(qū)和4區(qū)內(nèi)壁溫度測點的溫度，見圖3。

圖2 加熱爐余熱回收系統(tǒng)流程

圖3 空氣預熱器內(nèi)壁溫度

由圖3可知，溫度測點A和B的測量溫度明顯低于溫度測點C和D的測量溫度，根據(jù)現(xiàn)場實際位置可以判斷溫度測點A和B處于3區(qū)，C和D處于4區(qū)。因為溫度測點A和B的測量值只有50℃左右，故可以判斷該區(qū)存在低溫露點腐蝕，煙氣中的水蒸汽大量冷凝成水，隨著冷凝水的積累造成了空氣預熱器底部的積水及排水量較大的問題。

3 空氣預熱器底部積水的對策

3.1 低溫空氣預熱器露點腐蝕對策

低溫空氣預熱器因為其結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的問題不可避免的存在不同程度的露點腐蝕，在保留原有金屬空氣預熱器材質(zhì)的前提下，可以通過優(yōu)化低溫空氣預熱器的結(jié)構(gòu)來減少露點腐蝕的發(fā)生。根據(jù)加熱爐送風量的不同有兩種優(yōu)化方案，見圖4和圖5。

圖4 低溫空氣預熱器優(yōu)化方案一

圖5 低溫空氣預熱器優(yōu)化方案二

如圖4所示，當加熱爐的用風量比較大時，可將低溫空氣余熱器分為上下兩個小的空氣預熱器模塊，并使區(qū)域1和區(qū)域2出口的煙氣進行交叉，以此來提高區(qū)域3的換熱溫度，減少區(qū)域3的露點腐蝕，同時降低區(qū)域4的煙氣溫度，以增加該區(qū)域的換熱效果，使整體排煙溫度更均勻，同時避免局部溫度過低的情況。

如圖5所示，當加熱爐用風量比較小時，可采用空氣多管程換熱，圖中為雙管程，也可根據(jù)實際情況調(diào)整為三管程。但要注意采用多管程的空氣預熱器將使風道的橫截面積減小，若風道橫截面積不能滿足加熱爐的用風需求，則不宜采用這種方案。

但無論采用方案一還是方案二，都無法完全避免露點腐蝕，因為在冷風剛進入空氣預熱器與煙氣接觸換熱時，煙氣溫度突然降低，煙氣中的水被冷凝，不可避免的在冷風進入的一側(cè)形成輕微的露點腐蝕。故可采取將空氣預熱器做成模塊化的方式，如將區(qū)域1、2、3、4做成完全一樣的模塊，大檢修時對四個模塊進行檢查，將腐蝕嚴重的模塊與腐蝕程度較輕的模塊進行替換對調(diào)，從而延長整個空氣預熱器的運行周期。

3.2 低溫空氣預熱器底部積水對策

低溫段空氣預熱器的結(jié)構(gòu)無論怎么優(yōu)化，都不可避免的產(chǎn)生一部分水，而這部分水是酸性溶液，其pH值一般為3~5。若是直接將產(chǎn)生的酸性廢水排放，不僅造成地下管線的腐蝕，也將造成環(huán)境的污染。故需要對空氣預熱器產(chǎn)生的廢水進行處理，以達到減緩設(shè)備、管線的腐蝕，保護環(huán)境的目的。酸性水處理流程見圖6。

圖6 酸性水處理工藝流程

設(shè)置集液罐與壓力平衡線，使集液罐內(nèi)的壓力與煙道的壓力平衡，都處于負壓狀態(tài)，酸性水則通過重力作用流入集液罐內(nèi)，同時設(shè)置堿液罐對酸性水進行中和，經(jīng)過中和使低溫空氣預熱器底部產(chǎn)生的水達到排放條件，送至污水處理系統(tǒng)進行統(tǒng)一處理。這樣既能防止空氣預熱器底部產(chǎn)生積水導致引風機和煙囪的腐蝕，又能防止酸性水的排放污染環(huán)境。

3.3 空氣預熱器新材質(zhì)的應(yīng)用

空氣預熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、空氣流體分配等手段只能減少并延緩其腐蝕，并不能徹底解決露點腐蝕問題。為徹底解決空氣預熱器的低溫露點腐蝕問題，可考慮應(yīng)用一些非金屬材料，例如玻璃管、搪瓷、石墨、改性莫來石陶瓷等。玻璃管空氣預熱器成本低廉，耐腐蝕性強，但導熱系數(shù)低、強度較差，同樣的排煙溫度，空氣預熱器的體積比較大[3-4]。搪瓷空氣預熱器導熱系數(shù)與剛管相當，有一定的耐腐蝕性能，但容易發(fā)生管壁腐蝕損壞的情況[4]。石墨空氣預熱器有較強的耐腐蝕能力和導熱系數(shù)，但機械強度較低，在應(yīng)用中容易斷裂[4-6]。改性莫來石陶瓷的導熱系數(shù)優(yōu)良，耐腐蝕能力強，造價較低，目前已有工業(yè)應(yīng)用[7]。

4 結(jié)論

加熱爐低溫空氣預熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與酸性水處理方案可有效延緩露點腐蝕，解決空氣預熱器底部積水問題，杜絕酸性水對環(huán)境的污染。但隨著加熱爐熱效率的提高，較低的排煙溫度已成為大勢所趨。這對加熱爐空氣預熱器的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、流體分配提出更高的要求。在較低的排煙溫度下，所產(chǎn)生的酸性水往往容易被忽視，而引發(fā)環(huán)保問題，如何進一步利用并處理好空氣預熱器底部酸性水是需要進一步探索的問題。