空氣預(yù)熱器在煉油生產(chǎn)中的應(yīng)用

空氣預(yù)熱器在煉油生產(chǎn)中的應(yīng)用

空氣預(yù)熱器是重要的工廠加熱設(shè)備之一，用于將熱量和爐內(nèi)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(shè)備露點腐蝕,降低空氣預(yù)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(yù)熱器功能的不斷提升和完善,使得各種類型的空氣預(yù)熱器在煉油化工行業(yè)得到應(yīng)用,帶動了空氣預(yù)熱器行業(yè)的發(fā)展。1預(yù)熱器的作用空氣預(yù)熱器工作原理:受熱面的一側(cè)通過煙氣、另一側(cè)通過空氣進(jìn)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(dá)到提高煙氣余熱利用率的目的［１］。經(jīng)過多年來的發(fā)展,空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)變得復(fù)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(jié)構(gòu)而言,有回轉(zhuǎn)、列管、板式、熱管之分。總體而言,熱交換是在煙氣側(cè)進(jìn)行,原理示意圖見圖1。空氣預(yù)熱器在節(jié)能降耗中的作用［２］:1改善并強(qiáng)化燃燒。經(jīng)過預(yù)熱器后的熱空氣進(jìn)入爐內(nèi)后,加速了燃料的干燥、著火和燃燒過程,保證爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒,起著改善、強(qiáng)化燃燒的作用。2強(qiáng)化傳熱。由于爐內(nèi)燃燒得到改善和強(qiáng)化,加上進(jìn)入爐內(nèi)的熱風(fēng)溫度提高,爐內(nèi)平均溫度水平也有提高,從而可強(qiáng)化爐內(nèi)輻射傳熱。3減小爐內(nèi)損失,降低排煙溫度,提高鍋爐熱效率。由于爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定,輻射熱交換的強(qiáng)化可以降低化學(xué)不完全燃燒損失。另一方面,空氣預(yù)熱器利用煙氣余熱,進(jìn)一步降低了排煙損失,提高了鍋爐熱效率。根據(jù)經(jīng)驗,當(dāng)空氣在預(yù)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(yù)熱器后,如果能把空氣預(yù)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(jié)約燃料11%~12%。2空氣預(yù)熱器分類［３］2.1空氣-空氣預(yù)熱器按加熱方式不同,空氣預(yù)熱器分為煙氣間接加熱空氣的空氣預(yù)熱器和煙氣直接加熱空氣的空氣預(yù)熱器。煙氣間接加熱空氣的空氣預(yù)熱器主要有早期的工藝分支物流預(yù)熱空氣、冷進(jìn)料-熱油預(yù)熱空氣及熱載體預(yù)熱空氣,這些方案在20世紀(jì)80年代在常減壓蒸餾裝置得到應(yīng)用,并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。現(xiàn)在由于優(yōu)化換熱流程技術(shù)的完善,將爐子和空氣預(yù)熱器加入,反而使工藝控制復(fù)雜化,較少使用。煙氣直接加熱空氣的空氣預(yù)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(tǒng),與其它工藝過程無關(guān),當(dāng)空氣預(yù)熱器出現(xiàn)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(yīng)用。2.2空氣預(yù)熱器應(yīng)用從換熱特性上分,空氣預(yù)熱器分為管式(鋼管、鑄鐵管、玻璃管、搪瓷管)空氣預(yù)熱器、熱管式空氣預(yù)熱器、板式空氣預(yù)熱器、水熱媒空氣預(yù)熱器及回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器等。各式各樣的空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)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(yè)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(yù)熱器,美國用回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器較多［４］,國內(nèi)則是熱管式空氣預(yù)熱器應(yīng)用的最為普遍。(1)管式空氣預(yù)熱器管式空氣預(yù)熱器是最早使用的空氣預(yù)熱器,為氣-氣換熱,制造簡單、維護(hù)成本低,但傳熱效率率低、質(zhì)量大［５］,存在嚴(yán)重的露點腐蝕問題,目前應(yīng)用的搪瓷管、玻璃管預(yù)熱器都是管式空氣預(yù)熱器的升級換代產(chǎn)品。(2)熱管式空氣預(yù)熱器熱管式空氣預(yù)熱器開發(fā)于20世紀(jì)60年代,利用水的相變進(jìn)行熱交換,傳熱效率高,安裝方便,性價比較高,是目前國內(nèi)應(yīng)用最多的一種空氣預(yù)熱器［６］。(3)板式空氣預(yù)熱器采用波紋板片作為傳熱元件,一定數(shù)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(qiáng)制換熱,換熱面積大、熱效率高［７］。(4)水熱媒空氣預(yù)熱器利用除氧水或除鹽水作熱媒,建立一個閉路循環(huán)系統(tǒng)。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(fēng)機(jī)出口的空氣預(yù)熱器放出熱量,加熱空氣,如此循環(huán)將煙氣熱量傳遞給加熱爐所需的空氣［８］。(5)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器內(nèi)置蓄熱元件,放置在扇形隔倉內(nèi),交替與煙氣和空氣進(jìn)行換熱,是一種動設(shè)備,擁有控制系統(tǒng)［９］。3空氣預(yù)熱器的開發(fā)為了降低露點腐蝕,提高熱效率,人們對各種空氣預(yù)熱器進(jìn)行了改進(jìn),甚至跨類別進(jìn)行復(fù)合,以適應(yīng)煉油行業(yè)的發(fā)展。3.1擄蝕帶空氣預(yù)熱器鋼管空氣預(yù)熱器+養(yǎng)殖瓷器含調(diào)整透射式空氣預(yù)熱器如圖2近40a來,國內(nèi)外對鋼管熱交換器進(jìn)行了大量的強(qiáng)化傳熱研究,取得了豐碩的成果。目前已有的強(qiáng)化傳熱管技術(shù)不下百余種,通過強(qiáng)化傳熱能提高換熱效率超過50%,但抗露點腐蝕能力差,冷風(fēng)端管壁金屬溫度低,存在典型的三角形區(qū)域腐蝕［１０］,由此演變出玻璃管或搪瓷管空氣預(yù)熱器,它是鋼管空氣預(yù)熱器的升級產(chǎn)品。搪瓷管空氣預(yù)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(shù)相對降低率小于5%,搪瓷表面光滑,不易結(jié)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(guī)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(yùn)輸、安裝方面存在的問題,應(yīng)該有較大的發(fā)展空間。3.2高溫高溫?zé)煔庵胁荒龤獾膽?yīng)用熱管空氣預(yù)熱器是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種空氣預(yù)熱器,熱管一般由管殼和內(nèi)部工作液體(工質(zhì))組成。石化行業(yè)中常用的熱管為常溫?zé)峁?換熱效果好,工作溫度一般為0~250℃,在高于300℃的煙氣中應(yīng)用效果較差［１１］,易出現(xiàn)爆管和產(chǎn)生不凝氣。近幾年,高溫?zé)峁芤呀?jīng)開始使用,另外根據(jù)熱管和管式空氣預(yù)熱器的綜合特性開發(fā)出復(fù)合式熱管空氣預(yù)熱器,其工作原理是在高溫部位用管式空氣預(yù)熱器進(jìn)行熱交換,在低溫部位用熱管進(jìn)行熱交換,有效避開煙氣的露點腐蝕,已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,可以在露點的臨界點工作。其發(fā)展方向應(yīng)是傳質(zhì)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(shè)備特點板式空氣預(yù)熱器具有單程強(qiáng)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(shè)計、分模塊制造,以便于運(yùn)輸、現(xiàn)場組裝及模塊的單獨更換。此類熱交換器可根據(jù)流體特點實現(xiàn)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(jù)煙氣溫度及選用材料的特點,可實現(xiàn)高溫預(yù)熱與低溫預(yù)熱多級組合布置。設(shè)備采用全焊式結(jié)構(gòu),密封性能好,可很好地避免介質(zhì)泄漏,板片焊接采用自動輪焊技術(shù),并及時在焊接中進(jìn)行跟蹤定位、壓緊以及檢驗,保證了板片的焊接質(zhì)量［１４］。其缺點是易積灰、不易清洗,只適合在潔凈的燃燒環(huán)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(huán)系統(tǒng)。為防止煙氣熱交換器發(fā)生低溫露點腐蝕在水熱媒空氣預(yù)熱器進(jìn)口和循環(huán)水泵入口之間設(shè)置旁路調(diào)節(jié)閥,控制空氣預(yù)熱器的換熱量,保證進(jìn)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(shè)計值)為130~150℃［１５］。水熱媒空氣預(yù)熱器需要與裝置外(或內(nèi))的水系統(tǒng)相連,因此流程長,在加熱爐區(qū)要增加熱水泵、旁路調(diào)節(jié)系統(tǒng)及安全閥等設(shè)備,增加了操作的復(fù)雜性。由于工質(zhì)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(fā)展方向是繼續(xù)改進(jìn)熱媒介質(zhì),目前發(fā)現(xiàn)有將水熱媒空氣預(yù)熱器和管式空氣預(yù)熱器進(jìn)行組合的實例,和熱管空氣預(yù)熱器類似［１６］。3.5空氣側(cè)放熱系統(tǒng)預(yù)熱器轉(zhuǎn)子部件由數(shù)萬計的傳熱元件組成,當(dāng)空氣預(yù)熱器緩慢旋轉(zhuǎn)時,煙氣和空氣逆向交替流經(jīng)空氣預(yù)熱器。蓄熱元件在煙氣側(cè)吸熱,在空氣側(cè)放熱,從而達(dá)到降低排煙溫度、提高熱風(fēng)溫度的預(yù)熱作用。其優(yōu)點是傳熱系數(shù)大,缺點是漏風(fēng)不可避免,安裝制造較為復(fù)雜,與之配套的有潤滑油系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、漏風(fēng)控制系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)。針對電力鍋爐技術(shù)的發(fā)展,由原來的二分倉發(fā)展成三分倉、四分倉［１７］作為電廠大型機(jī)組配套的主流產(chǎn)品,目前仍是電力行業(yè)大容量機(jī)組采用的主要形式［１８］。短期內(nèi)看不到重回?zé)捰托袠I(yè)的跡象。4比較和開發(fā)空氣預(yù)熱器的新方向4.1抗露點腐蝕空氣預(yù)熱器各種空氣預(yù)熱器性能比較結(jié)果見表1。從表1中可以看出,各種空氣預(yù)熱器均有自己獨特的一面,沒有絕對的優(yōu)勢,故造成在行業(yè)內(nèi)不能一統(tǒng)天下的局面,針對此現(xiàn)象,日本公司開發(fā)出抗露點腐蝕空氣預(yù)熱器,能將排煙溫度控制在露點溫度以下,免維護(hù),可長周期高效運(yùn)行并得到應(yīng)用［１９］。國內(nèi)剛進(jìn)入起步階段,已經(jīng)申請了發(fā)明專利［２０］,并在某公司試運(yùn)行。4.2空氣預(yù)熱器錫基復(fù)合鋼管抗露點腐蝕空氣預(yù)熱器是對現(xiàn)有加熱爐空氣預(yù)熱器的一次突破,換熱管材質(zhì)為錫基復(fù)合材料,可有效避開煙氣露點腐蝕,并采用內(nèi)部加設(shè)擾流子、外部增加翅片的方法來強(qiáng)化傳熱?？筛鶕?jù)加熱爐的承載情況將空氣預(yù)熱器置于加熱爐頂部或底部。錫基復(fù)合鋼管具有鋼材的強(qiáng)度和錫的抗腐蝕性,使用溫度在280℃以下。與現(xiàn)有技術(shù)相比,抗露點腐蝕空氣預(yù)熱器熱傳導(dǎo)效率高,結(jié)構(gòu)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(dá)到提高加熱爐熱效率、減少碳排放的要求,其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。5空氣預(yù)熱器露點腐蝕問題的解決方案長期的實踐表明,空氣預(yù)熱器的發(fā)展進(jìn)步就是圍