丁棚格

【摘要】分析了熱管和擾流子空氣預熱器的換熱機理及優(yōu)缺點，介紹了中國石化濟南分公司常減壓裝置減壓爐空氣預熱器的技術改造方案和實施效果。改造采用熱管與擾流管串聯(lián)換熱形式，有效降低了排煙溫度，提高了加熱爐熱效率。

【關鍵詞】減壓爐 熱效率 排煙溫度 擾流子空氣預熱器

中石化濟南分公司常減壓裝置減壓爐為輻射對流型圓筒爐，其燃料以瓦斯氣為主。加熱爐燃料單耗占裝置總能耗的80%以上，同時加熱爐燃燒產(chǎn)生的煙氣中含有的SO2、NOX、等物質(zhì)是大氣的主要污染源，因此提高減壓爐熱效率對降低能耗、減少大氣污染意義重大。

一、改造前減壓爐狀況

中石化濟南分公司常減壓裝置于1992年5月建成投產(chǎn)，減壓爐原設計加工能力為150萬噸/年，設計熱負荷為10.7MW。后因生產(chǎn)加工能力的逐步提升，于1999、2010年對減壓爐進行了技術改造，主要提高輻射室換熱面積、提高輻射室對流換熱效率、均化輻射室上部爐管溫度，目前減壓爐生產(chǎn)能力為270萬噸/年，同時減壓爐在熱效率、排煙溫度等參數(shù)都有大幅度提高。隨著對加熱爐從嚴管理及裝置能耗考核，減壓爐改造升級也提上日程。

以2012年為例，公司加熱爐熱效率考核值為92.1%，而本裝置減壓爐熱效率均值為91.25%，距離考核值0.85%；減壓爐改造前排煙溫度高達190℃，熱煙氣的熱量不能得到較好的回收利用，是減壓爐熱效率低的主要原因，排煙損失達6.81%。

二、改造措施

2013年大檢修，本裝置對減壓爐余熱回收系統(tǒng)進行升級改造，由原先單熱管空氣預熱器升級為熱管-擾流子空氣預熱器即熱管與擾流管串聯(lián)換熱形式。升級后的空氣預熱器分別由擾流子預熱器、熱管換熱器及冷、熱流體進出口和相應的過渡段組成。

（一）機理

熱管式一種具有高傳熱性能的傳熱元件，它通過密閉真空管殼內(nèi)的工作介質(zhì)的相變潛熱來傳遞熱量，其傳熱能力達、傳熱效率高。重力熱管是密閉的管內(nèi)先抽成真空，并充入適量的工質(zhì)。在熱管的下端加熱，工質(zhì)吸收熱量汽化為蒸汽，上升到熱管上端，并向外界放出熱量，凝結(jié)為液體。冷凝液在重力作用下，沿熱管內(nèi)壁返回到受熱段，并再次受熱汽化，循環(huán)往復，連續(xù)將熱量由一端傳向另一端。由于是相變傳熱，因此熱管內(nèi)阻很小，能以較小的溫差獲得較大傳熱率，且結(jié)構(gòu)簡單，具有單向?qū)岬奶攸c，冷熱流體間的熱交換均在管外進行，方便進行強化傳熱。

擾流子空氣預熱器換熱元件—擾流管內(nèi)裝擾流子，可以有效強化冷、熱側(cè)傳熱，提高流體擾動，破壞管內(nèi)邊界層，提高管內(nèi)換熱系數(shù)，降低管壁工作溫度，有利于換熱管換熱。

（二）設備運行工況

熱管一般采用的是碳鋼-水熱管，屬于間接式傳熱，其傳熱速率非常高，同時也利于防止露點腐蝕。但碳鋼-水熱管空氣預熱器的安全使用溫度比較低（以管內(nèi)工質(zhì)溫度為參考標準應≯250℃為宜，以管外熱煙氣溫度為參考標準應≯280℃為宜），但石化加熱爐煙氣出對流室溫度均在300℃以上，一蒸餾減壓爐對流室煙氣溫度更是高達355℃以上，此時熱管管內(nèi)工質(zhì)溫度大大超過最高工作溫度250℃，此操作狀態(tài)下單獨使用碳鋼—水熱管空氣預熱器就能產(chǎn)生高溫傳熱性能失效的問題，甚至可能出現(xiàn)熱管爆管。對于這種工況，一般的解決方法是將煙氣溫度在300℃以上的部位采用有機熱管，即將熱管管內(nèi)的傳熱工質(zhì)改為飽和蒸汽壓較低的有機工質(zhì)，這樣基本上可以解決熱管爆管的問題。

擾流子空氣預熱器主要由殼體和擾流管組成，冷空氣走管內(nèi)，熱煙氣走管外，擾流管內(nèi)的擾流片使流體即冷空氣旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生徑向?qū)α?，促使傳熱邊界層減薄以達到提高傳熱速率的目的，但擾流子空氣預熱器中的核心換熱部件——擾流管的傳熱系數(shù)一般僅為碳鋼-水熱管傳熱系數(shù)的30%-50%，取熱效果較差，同時單獨使用擾流管對防止低溫露點腐蝕較為不利。綜合兩種預熱器的優(yōu)缺點，論證將熱管換熱器與擾流子空氣預熱器串聯(lián)使用就能較好的克服各自的弊端，同時又能發(fā)揮各自的優(yōu)勢，達到最佳效果。

（三）實施

最后經(jīng)過研究論證確定的技術改造方案是：減壓爐對流室熱煙氣（>350℃）先進兩組擾流子空氣預熱器，在擾流子空氣預熱器內(nèi)先后與冷空氣（設計工況為20℃）進行換熱，熱煙氣溫度降至≯280℃后再進入碳鋼-水熱管換熱器與經(jīng)擾流子空氣預熱器換熱后的熱空氣進一步換熱以進一步提高進爐空氣溫度，最終達到提高減壓爐熱效率的目的。

三、運行效果

此技術改造于2013年大檢修期間完工并投入運行，通過監(jiān)測顯示運行效果良好，尤其是在降低排煙溫度、提高加熱爐效率、節(jié)約燃料方面都達到了預期設計值。

減壓爐升級改造后排煙溫度由改造前的190℃降低至109℃，熱煙氣熱量得到進一步回收利用，使得進爐熱空氣的溫度也由升級改造前的215℃提高至278℃，提高63℃，減壓爐的排煙損失由先前的6.81%降低至3.56%，降低了3.25%，減壓爐熱效率由改造前的91.2%提高至93.6%，提高了2.4%，改造效果非常明顯。

在能耗方面，減壓爐熱效率的大幅度提高進一步降低了加熱爐燃料氣單耗，從而降低了裝置總能耗。

2013年第一季度（升級改造前）與2014年一季度（升級改造后）在原油平均加工量、加工原油油種性質(zhì)（單煉￠377原油）、減壓平均進料量、外界環(huán)境平均溫度等影響能耗的主要參數(shù)較為相近，因此具有可比較性。通過比較可以清晰的看出，減壓爐升級改造前后加熱爐燃料單耗降低約0.81kgEo/t，節(jié)能效果顯著。

四、結(jié)論

熱管這種傳熱元件，可以單根使用，也可以組合使用，根據(jù)現(xiàn)場的條件，配以相應的流通結(jié)構(gòu)組合成各種形式的換熱器，碳鋼-水熱管空氣預熱器具有熱效率高、阻力損失小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠和維護費用少等諸多優(yōu)點且管內(nèi)工質(zhì)無毒、無害、無腐蝕、造價低，通過近一年來的使用證明：管內(nèi)工質(zhì)≯250℃（或煙氣溫度≯280℃），使用鋼-水熱管空氣預熱器不易發(fā)生高溫傳熱性能失效等問題。擾流子空氣預熱器在280～450℃溫度范圍內(nèi)使用安全系數(shù)很高，造價低，但其傳熱速率較之碳鋼-水熱管空氣預熱器傳熱速率偏低。根據(jù)擾流子空氣預熱器、鋼-水熱管空氣預熱器的自身優(yōu)缺點進行優(yōu)化組合，形成了組合式空氣預熱器煙氣余熱回收系統(tǒng)使優(yōu)點得到了發(fā)揮，同時缺點也得到了克服，即可以把排煙溫度降低，又消除空氣預熱器熱管在高溫段爆管及低溫段發(fā)生煙氣露點腐蝕，確保了空氣預熱器長期安全高效的運行，也提高了加熱爐熱效率從而節(jié)約能耗。endprint