(中國石化洛陽石油化工工程公司，河南洛陽 471003)

隨著目前國內(nèi)的煉油裝置愈來愈大型化，對節(jié)能減排的要求也越來越高，而煉廠裝置中加熱爐的能耗一般要占整套裝置能耗的一半以上，因此在加熱爐的設(shè)計(jì)中如何合理的選擇空氣預(yù)熱器以穩(wěn)定有效的提高加熱爐熱效率顯得日趨重要。目前煉廠加熱爐中常用的空氣預(yù)熱器主要有管束式、熱管式、板式和鑄鐵式等，近幾年隨著熱管技術(shù)的不斷發(fā)展及加熱爐設(shè)計(jì)水平的提高，熱管式空氣預(yù)熱器已經(jīng)憑借其換熱系數(shù)高、體積小、維修方便等優(yōu)勢在煉廠加熱爐上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文通過對熱管式空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)及工作原理的介紹，及其在煉廠加熱爐的應(yīng)用中所出現(xiàn)的一些常見問題的分析，希望能對以后加熱爐的設(shè)計(jì)中合理的選用熱管式空氣預(yù)熱器起到一定的指導(dǎo)作用。

1 熱管式空氣預(yù)熱器的工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 熱管式空氣預(yù)熱器的工作原理

要了解熱管式空氣預(yù)熱器的工作原理就必須先了解熱管的工作原理。熱管是熱管式空氣預(yù)熱器的核心部分，它是一種利用密閉在管內(nèi)的工質(zhì)的相變來傳遞熱量的高效傳熱元件，其結(jié)構(gòu)非常簡單:在抽成真空的金屬或由其它材質(zhì)制成的管中注入適量的液體(工質(zhì))，兩端密封起來，就是一支熱管。其工作原理就是工質(zhì)在高溫段吸收熱量，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，上升至上部壓力較低的低溫段，釋放熱量后又由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，在重力作用下返回高溫段，如此循環(huán)往復(fù)，將熱量不斷的傳遞(見圖1)。由于熱管的熱量傳遞主要是依靠工質(zhì)的蒸發(fā)和凝結(jié)進(jìn)行的，因此可以在較低的溫差下，傳遞大量熱量而且傳遞強(qiáng)度很高。

圖1 熱管

熱管式空氣預(yù)熱器就是利用熱管原理而設(shè)計(jì)的空氣預(yù)熱器，其在煉廠加熱爐中的換熱過程是:熱管中的工質(zhì)吸收加熱爐所排放的高溫?zé)煔獾臒崃浚梢簯B(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，再到空氣側(cè)將熱量釋放給助燃空氣，由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，同時(shí)靠自身重力回流到煙氣側(cè)，如此循環(huán)往復(fù)，達(dá)到回收煙氣余熱，提高加熱爐熱效率的目的。

1.2 熱管式預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用

熱管式空氣預(yù)熱器一般由熱管管束、隔板和殼體三部分組成(見下頁圖2)。熱管根據(jù)需要按照順排或錯(cuò)排布置(見下頁圖3)，就構(gòu)成了熱管管束;隔板是用來隔離煙氣和空氣的，同時(shí)能對熱管管束起到一定的支撐作用，殼體用來封閉煙氣和空氣，同時(shí)支撐熱管管束。目前煉廠加熱爐中常用的熱管一般都是密閉的無縫鋼管，內(nèi)部充以水等工質(zhì)，管外徑一般為25～60 mm，壁厚為2.5～4.0 mm，為了增加傳熱系數(shù)，一般熱管都采用擴(kuò)面管，且為了防止磨損和積灰，煙氣側(cè)大都采用比空氣側(cè)更大的擴(kuò)面間距。

圖2 熱管式空氣預(yù)熱器

圖3 熱管布置圖

熱管式空氣預(yù)熱器與一般的管束式空氣預(yù)熱器相比，不僅換熱原理先進(jìn)，換熱效率高，而且可以方便的在空氣和煙氣側(cè)同時(shí)增加擴(kuò)面，大大增加了有效傳熱面積;其次，它將傳統(tǒng)的空氣—煙氣交叉流型改為純逆流型，提高了傳熱的對數(shù)平均溫差，所以熱管式空氣預(yù)熱器的傳熱系數(shù)比普通管束式預(yù)熱器的傳熱系數(shù)要高的得多，體積更為緊湊。由于在熱管式空氣預(yù)熱器中空氣是走殼程，所以阻力降小，鼓風(fēng)機(jī)能耗小。此外，熱管式空氣預(yù)熱器中的熱管都是獨(dú)立的，在單根熱管出現(xiàn)爆裂或破損等情況時(shí)，不會影響其它熱管的工作，不會導(dǎo)致空氣向煙氣側(cè)泄漏，對整臺熱管式空氣預(yù)熱器的操作影響很小，在裝置停工維修時(shí)，只須根據(jù)需要更換已經(jīng)破裂或者磨損嚴(yán)重的部分熱管，維修費(fèi)用較低。

目前在煉廠加熱爐中使用的熱管式空氣預(yù)熱器有立式和臥式，其中臥式使用較為廣泛。在臥式熱管式空氣預(yù)熱器中，熱管管束水平布置，但需要與水平方向有一定夾角，使得在空氣側(cè)冷卻的工質(zhì)能靠自身重力回流，夾角一般取10°～15°。熱管式預(yù)熱器即可以安裝在爐頂，也可以放置在地面，視預(yù)熱器大小及現(xiàn)場情況而定。

2 應(yīng)用常見問題及解決方法

熱管式空氣預(yù)熱器在煉廠加熱爐上投用初期，都具有良好的換熱效果，但在經(jīng)過一段時(shí)間的使用以后，有些熱管式空氣預(yù)熱器會出現(xiàn)低溫腐蝕、積灰甚至爆管問題，這些問題相輔相成，互相作用，嚴(yán)重影響了熱管式換熱器的換熱效率及使用壽命，因此，如何合理的分析和解決這些問題，是熱管式空氣預(yù)熱器在煉廠加熱爐上得到更廣泛利用的關(guān)鍵。

2.1 低溫腐蝕

低溫腐蝕也叫露點(diǎn)腐蝕，它是在煙氣溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，凝結(jié)在熱管上的硫酸對金屬熱管的一種腐蝕現(xiàn)象。含有硫的燃料燃燒后生成SO2，其中一部分SO2又進(jìn)一步氧化成SO3，SO3與煙氣中的H2O結(jié)合生成H2SO4。含有硫酸蒸氣的煙氣露點(diǎn)溫度會升高，當(dāng)煙氣溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，硫酸蒸氣就會在熱管管壁上凝結(jié)，并腐蝕管壁金屬。

露點(diǎn)溫度的高低與燃料中的含硫量有很大關(guān)系(見圖4)，煉廠加熱爐所燒的燃料一般為渣油或裝置自產(chǎn)燃料氣，都含有一定比例的硫成分，尤其是煉廠渣油，含硫量都在2% ～4%，露點(diǎn)溫度在130℃左右，所以目前煉廠加熱爐的排煙溫度在設(shè)計(jì)階段都要求控制在150℃以上，但由于加熱爐操作時(shí)的彈性較大，在低負(fù)荷操作時(shí)很容易導(dǎo)致排煙溫度低于露點(diǎn)溫度，所以仍需要在加熱爐的設(shè)計(jì)和操作中采取其他的措施來盡可能的避免露點(diǎn)腐蝕。

圖4 露點(diǎn)溫度與燃料油含硫量的關(guān)系

在加熱爐的設(shè)計(jì)階段可以采取的避免熱管式空氣預(yù)熱器露點(diǎn)腐蝕的途徑有很多，如利用暖風(fēng)器或者裝置中的高溫蒸汽來提前預(yù)熱進(jìn)入熱管式空氣預(yù)熱器的冷空氣、采用熱風(fēng)循環(huán)的方式用一部分與煙氣換熱后的高溫空氣來預(yù)熱冷空氣，或是增加一冷空氣旁路，通過調(diào)節(jié)冷空氣旁路的空氣量來控制排煙溫度等，采用何種方法應(yīng)根據(jù)加熱爐負(fù)荷、裝置能耗、總投資等各方面因素綜合考慮。

在加熱爐的操作過程中，合理的控制好“三門一板”，減少過?？諝庀禂?shù)，采用低氧燃燒等途徑也可以有效地避免H2SO4的生成，降低露點(diǎn)溫度。根據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn)，如果把空氣的過剩系數(shù)控制在1.05%以下，就能將露點(diǎn)溫度降到70℃左右;但這就要求加熱爐具有完善的燃燒設(shè)備和燃燒檢測儀表，并且要求操作人員有較高的技術(shù)水平，否則將直接影響到燃料的燃燒效果。

露點(diǎn)腐蝕的根本就是硫酸對熱管材質(zhì)的腐蝕，因此，提高熱管材質(zhì)的抗腐蝕性是最直接根本的解決露點(diǎn)腐蝕的方法。搪瓷管不存在露點(diǎn)腐蝕的問題，在一些小的熱管式空氣預(yù)熱器中也都有應(yīng)用，但是搪瓷管的傳熱系數(shù)很低 ，且由于不能直接焊接，密封不好是其主要問題。ND鋼(09CuWSn)是我國自行研制的抗低溫腐蝕的一種金屬材料，ND鋼在含硫酸5%的硫酸液中浸泡6h，其腐蝕速率僅為7.3 mg/(cm2·h)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳鋼的腐蝕速率，用ND鋼作為熱管的熱管式空氣預(yù)熱器目前已經(jīng)在國內(nèi)的很多裝置中投入使用，取得了一定的效果。有時(shí)為了節(jié)省投資，可以只在熱管式空氣預(yù)熱器的低溫腐蝕區(qū)(參見圖2)采用價(jià)格昂貴的搪瓷管或者ND鋼，煙氣高溫段仍采用價(jià)格便宜的碳鋼管，這樣既經(jīng)濟(jì)又能在一定程度上有效地避免露點(diǎn)腐蝕。

2.2 積灰

積灰是影響熱管式空氣預(yù)熱器操作性能及使用壽命的另一大主要問題，尤其是在燒渣油的煉廠加熱爐中，積灰現(xiàn)象尤其明顯。積灰是由于目前煉廠所燒的燃料中含有Na、Ca、Mg等的金屬氧化物雜質(zhì)，燃燒后形成微小的金屬顆粒，一部分金屬顆粒和未燃盡的碳粒與煙氣中的水分混合后很容易在熱管的表面沉積下來，形成灰垢，這些灰垢如果不能及時(shí)清除，將會越積越多。由于灰垢的傳熱系數(shù)僅為碳鋼的0.2%，將大大降低熱管的傳熱效率，同時(shí)也增加了煙氣側(cè)的阻力降。

避免積灰的方法有很多，一般在燒油的加熱爐中熱管式空氣預(yù)熱器都裝配有吹灰器，定期的對積灰進(jìn)行吹掃。在一些小的預(yù)熱器中由于投資小，也可以通過改變預(yù)熱器結(jié)構(gòu)，提高冷煙氣流速的方式來減少灰垢的沉積，如圖5所示，通過收縮煙氣出口端煙氣的流通面積，增大了煙氣的流速，使灰粒不容易附著在熱管上。此外，一些化學(xué)方法也可以有效地清除灰垢，比如在操作過程中在爐膛里加入清灰劑，清灰劑在爐膛內(nèi)受熱分解，分解物與灰垢發(fā)生氧化反應(yīng)，可以使灰垢變得疏松，易于粉化脫落。

圖5 小預(yù)熱除灰方式

2.3 爆管

爆管是熱管式空氣預(yù)熱器在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一種熱管破損現(xiàn)象。爆管的原因很多，超溫、磨損、腐蝕及操作不當(dāng)?shù)榷伎赡芤鸨?。爆管一般發(fā)生在煙氣側(cè)的入口，是由于此處的煙氣溫度過高，導(dǎo)致熱管中的工質(zhì)壓力過高，當(dāng)壓力超過管子的承壓能力時(shí)，就會發(fā)生爆管。在煙氣低溫段工質(zhì)壓力雖不高，但由于露點(diǎn)腐蝕，管子承壓能力降低，也會發(fā)生爆管。目前煉廠加熱爐常用的熱管都是鋼—水熱管，工質(zhì)是水，由于水的飽和蒸氣壓較大，當(dāng)煙氣溫度高于300℃時(shí)，很容易發(fā)生爆管，而煉廠加熱爐的排煙溫度大部分都在250～350℃，高的在400℃以上，因此在設(shè)計(jì)和操作中如何防止爆管是必須要考慮的。一般當(dāng)煙氣溫度高于350℃時(shí)，就要在高溫段使用中溫?zé)峁埽闷渌镔|(zhì)取代水作為工質(zhì)，目前用萘作為工質(zhì)的中溫?zé)峁芸梢栽跓煔鉁囟?50℃以下安全運(yùn)行;此外，還可以采用管束—熱管組合式空氣預(yù)熱器，讓高溫?zé)煔庀冉?jīng)過管束結(jié)構(gòu)的部分換熱到300℃以下再進(jìn)入熱管部分換熱，可以有效地避免由于超溫導(dǎo)致的熱管爆管。

3 結(jié)束語

熱管式空氣預(yù)熱器由于其獨(dú)特的熱交換原理和結(jié)構(gòu)，相對于其他類型的空氣預(yù)熱器來說有著換熱效率高、壓力損失小、體積緊湊、質(zhì)量輕及拆換方便靈活等優(yōu)勢，但也存在著空氣預(yù)熱器在煉廠加熱爐上應(yīng)用時(shí)常見的露點(diǎn)腐蝕、積灰等通用問題，以及其特有的爆管問題，不過相信隨著熱管技術(shù)和煉油工藝的不斷發(fā)展，這些問題都將會得到逐步的解決，熱管式空氣預(yù)熱器也將在煉廠加熱爐上得到越來越廣泛合理的應(yīng)用。