劉明國(guó) 尹建新 王希華

摘 要：本文介紹了一種新型的玻璃式空氣預(yù)熱器，闡述了在濱化集團(tuán)股份有限公司裝置內(nèi)的應(yīng)用情況，達(dá)到了降低排煙溫度、提高熔鹽爐效率的效果，為下一步節(jié)能減排及安全環(huán)保運(yùn)行提供了經(jīng)驗(yàn)。新型玻璃板式換熱器的投用可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：熔鹽爐效率；玻璃板式空氣預(yù)熱器；節(jié)能減排

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.024

1 引言

濱化集團(tuán)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“濱化集團(tuán)”）位于黃河三角洲腹地的濱州市，為主業(yè)突出、產(chǎn)業(yè)鏈完整的綜合型化工企業(yè)集團(tuán)，產(chǎn)業(yè)涵蓋石油化工、鹽化工、精細(xì)化工、熱電、口岸倉(cāng)儲(chǔ)、金融等領(lǐng)域，具有40多年豐富的燒堿生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，是我國(guó)重要的燒堿產(chǎn)品供應(yīng)商，是國(guó)內(nèi)氯堿行業(yè)具有較大影響力的企業(yè)。目前濱化集團(tuán)具有固堿裝置的生產(chǎn)能力40萬(wàn)噸/年，在運(yùn)行的熔鹽爐4臺(tái)。

1.1 熔鹽爐空氣預(yù)熱器的現(xiàn)狀

熔鹽爐空氣預(yù)熱器原設(shè)計(jì)為熱管式空氣預(yù)熱器，選用抗露點(diǎn)腐蝕的ND鋼材質(zhì)，避免煙氣溫度過(guò)低造成露點(diǎn)腐蝕。裝置自2012年投產(chǎn)以來(lái)，因全公司各裝置依據(jù)市場(chǎng)行情優(yōu)化調(diào)整生產(chǎn)能力，導(dǎo)致固堿裝置生產(chǎn)能力未能高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至有時(shí)一段時(shí)間內(nèi)半負(fù)荷的情況，因此造成熔鹽爐運(yùn)行負(fù)荷變化大，空氣預(yù)熱器溫度調(diào)節(jié)難度大，造成露點(diǎn)腐蝕泄漏，五年間已經(jīng)更換3次，對(duì)裝置的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成很大影響。固堿裝置中熔鹽爐是加熱裝置中的主要耗能設(shè)備，其耗能約占所有裝置的50～80%。為避免露點(diǎn)腐蝕，只能通過(guò)提高排煙溫度的方式，但排煙溫度越高，熔鹽爐熱損失越大，熱效率也就越低。

同時(shí)，為提高熔鹽爐熱效率，關(guān)鍵在于降低排煙的熱損失，降低排煙溫度，需要充分回收加熱爐煙氣中的熱量。正常情況下，排煙溫度越低，即空氣預(yù)熱器回收的熱量越多，加熱爐熱效率越高。并且預(yù)熱器換熱原件的表面溫度介于煙氣溫度與空氣溫度之間，當(dāng)煙氣溫度降低至100℃以下時(shí)，換熱原件表面溫度遠(yuǎn)低于煙氣溫度，其表面會(huì)有冷凝現(xiàn)象發(fā)生，冷凝過(guò)程中會(huì)釋放大量的氣化潛熱，這部分氣化潛熱則會(huì)顯著的提高余熱回收的效率，進(jìn)一步增加空氣預(yù)熱器回收的熱量，顯著的提高加熱爐熱效率。因此為了獲得較高的加熱爐效率，降低排煙溫度是最直接最有效的方式。

但是，原設(shè)計(jì)空氣預(yù)熱器雖然為抗露點(diǎn)腐蝕的ND鋼材質(zhì)，但是天然氣等化石燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中，或多或少的會(huì)存在部分硫氧化物，這部分硫氧化物受自身濃度的影響，會(huì)在150-100℃的溫度區(qū)間內(nèi)逐漸冷凝形成酸液腐蝕換熱設(shè)備，即酸露點(diǎn)腐蝕。熔鹽爐空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)排煙溫度在120-150℃左右，但是這樣的排煙溫度并不能完全避免酸露點(diǎn)腐蝕情況的發(fā)生。因?yàn)樯a(chǎn)負(fù)荷的變動(dòng)，排煙溫度進(jìn)一步降低，冷凝情況會(huì)逐漸加劇，冷凝液量逐漸增加，腐蝕情況加劇。

盡管熱管式空氣預(yù)熱器在使用過(guò)程中也采取了一些防腐措施，如使用ND鋼材質(zhì)、增加防腐涂層、控制排煙溫度，確保其高于露點(diǎn)溫度等，但空氣預(yù)熱器還是存在著不同程度的低溫露點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器腐蝕報(bào)廢。

1.2 選用新技術(shù)路線的分析

1.2.1 采用新型空氣預(yù)熱器

（1）采用防腐非金屬材質(zhì)作為空氣預(yù)熱器低溫段主要換熱材質(zhì)。目前已開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品包括玻璃換熱器、石墨換熱器、碳化硅材質(zhì)換熱器、四氟材料換熱器等。其中，玻璃這種材質(zhì)在耐酸露點(diǎn)腐蝕方面有著天然的優(yōu)勢(shì)，基本上除了HF酸，玻璃不懼其它所有的酸腐蝕；此外玻璃相較于其他幾種材質(zhì)來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的加工技術(shù)更為成熟，玻璃板/管材質(zhì)量更有保證，且供應(yīng)商眾多，價(jià)格適中，便于大量使用。

（2）采用非直接換熱形式換熱器，如水熱媒形式換熱器。這類(lèi)型的換熱器系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，操作和維護(hù)比傳統(tǒng)直接換熱的預(yù)熱器更為復(fù)雜。此外為保證使用壽命，也需要在煙氣放熱端換熱表面進(jìn)行防腐處理。

（3）搪瓷式換熱器，目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出搪瓷板式換熱器，較傳統(tǒng)的搪瓷管式換熱器的來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)更緊湊，傳熱效率更高。搪瓷工藝水平的高低是該類(lèi)型換熱器能否大規(guī)模推廣使用的關(guān)鍵。

1.2.2 新型加熱爐熱效率提升工藝路線概述

（1）為追求更高的加熱爐效率，最有效的且比較成熟的技術(shù)路線是采用防腐材質(zhì)玻璃或其他非金屬材質(zhì)換熱器做空氣預(yù)熱器的低溫段，大幅度降低排煙溫度。

（2）硫化物蒸汽與水蒸氣冷凝過(guò)程中，蒸汽首先變成粒徑在200μm左右的小液滴，液滴會(huì)吸附煙氣中的粉塵顆粒作為凝結(jié)核，逐漸團(tuán)聚成為大液滴后落下。這個(gè)團(tuán)聚吸附的過(guò)程會(huì)自發(fā)的吸收煙氣中大量的粉塵和二氧化硫，因此經(jīng)過(guò)深度降溫冷凝后的煙氣中的固體顆粒物會(huì)大量減少，煙氣潔凈程度會(huì)大幅度提升。

（3）為確保冷凝液的腐蝕不會(huì)對(duì)整個(gè)加熱爐尾氣排放系統(tǒng)造成損害，需要對(duì)煙道、引風(fēng)機(jī)及煙囪進(jìn)行必要的防腐處理和改進(jìn)。

綜上所述，采用玻璃材質(zhì)空氣預(yù)熱器可以在有效降低排煙溫度的同時(shí)，避免露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題，同時(shí)玻璃材質(zhì)的價(jià)格適中，適合工業(yè)化推廣使用。

2 玻璃板式空氣預(yù)熱器的技術(shù)性能

2.1 玻璃在工業(yè)換熱上的應(yīng)用

近些年，隨著工藝及技術(shù)的進(jìn)步，一種新型板式結(jié)構(gòu)，不易積灰，結(jié)構(gòu)緊湊，易清洗的玻璃板式換熱器逐步應(yīng)用。

玻璃板式換熱器采用平板玻璃作為主要換熱板片，非焊接形式組裝，其內(nèi)部所有支撐和密封材料也都采用玻璃或聚四氟乙烯等非金屬材料，既克服了管式換熱器結(jié)構(gòu)不緊湊，易積灰，不易清洗的缺陷，同時(shí)完全保留了玻璃完全防腐的性能優(yōu)勢(shì)。

2.2 玻璃板式空氣預(yù)熱器在熔鹽爐上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

2.2.1 耐腐蝕性能優(yōu)良

除氫氟酸和強(qiáng)堿外，玻璃幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，而目前我公司熔鹽爐煙氣中主要的酸性物質(zhì)是含硫及含氮化合物，玻璃板式換熱器可完全抵抗該類(lèi)型物質(zhì)的酸性腐蝕。

2.2.2 流動(dòng)阻力低

在管式換熱器（管束式和熱管式）內(nèi)部，煙氣垂直流過(guò)各換熱管，繞過(guò)管道后會(huì)形成窩街，造成流場(chǎng)紊亂。流場(chǎng)的紊亂會(huì)增大傳熱系數(shù)，但同時(shí)會(huì)加劇阻力損失。當(dāng)氣流從管道上脫出的頻率與管道聲學(xué)駐波頻率近似時(shí)，還會(huì)引起震動(dòng)。

而平板式換熱器內(nèi)部流動(dòng)相對(duì)均勻，雖然相對(duì)于紊流，均勻的層流換熱系數(shù)相對(duì)較低，但板式換熱器結(jié)構(gòu)更為緊湊，正常情況下，同樣體積的板式換熱器因換熱面積更大，其總傳熱負(fù)荷高于管式換熱器。

2.2.3 不易積灰堵塞

煙氣垂直流過(guò)換熱管束時(shí)，管子迎風(fēng)面會(huì)發(fā)生截流作用，背風(fēng)面會(huì)產(chǎn)生窩街，這兩種流體力學(xué)現(xiàn)象會(huì)加劇灰塵在管壁某些區(qū)域上堆積。而平板式換熱器因避免了大面積的截流和窩街現(xiàn)象，因此從結(jié)構(gòu)上大大降低了積灰情況的發(fā)生。

除了結(jié)構(gòu)外，另外一個(gè)影響表面積灰的因素是材料表面粗糙度。鏡面平板玻璃表面粗糙度極小，只有2-10μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于灰塵顆粒直徑（50-200μm），也就是說(shuō)灰塵顆粒直徑遠(yuǎn)大于玻璃表面的“縫隙和凹槽”，所以灰塵很難在玻璃表面“生根”，因而最大程度上避免了表面積灰極灰堆的生長(zhǎng)。

2.2.4 熱變形量小

玻璃板式換熱器采用的特種耐熱玻璃，其本身的熱漲率很低，通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)，溫度每變換150℃，其形變量約3‰左右，加熱爐工況變換對(duì)其尺寸變形的影響很小。

3 改造應(yīng)用

3.1 改造方案介紹

該裝置原采用熱管式換熱器作為空氣預(yù)熱器，年平均排煙溫度大約125℃。加熱爐效率大約92.5%左右。每個(gè)運(yùn)行周期末端，因腐蝕導(dǎo)致部分換熱管失效，預(yù)熱器總體傳熱效率下降，壓降上升。需投入大量費(fèi)用進(jìn)行檢修更換。

鑒于這種情況，對(duì)該熱管式預(yù)熱器進(jìn)行更換，改用玻璃板式換熱器設(shè)備改造，降低維修工作量，提升加熱爐效率。

3.2 運(yùn)行情況介紹

（1）該裝置自2017年4月改造運(yùn)行以來(lái)，煙氣進(jìn)口溫度一直控制在140-170℃左右，預(yù)熱器平均排煙溫度在100℃左右，排煙溫度降低約25℃，熔鹽爐熱效率由原92%提升到93.5%。

（2）現(xiàn)場(chǎng)依照實(shí)際操作需求，將排煙溫度控制在100℃左右，提高熔鹽爐綜合熱效率。

（3）相較于傳統(tǒng)金屬預(yù)熱器（排煙溫度為120-150℃），玻璃板式換熱器通過(guò)深度降低排煙溫度（平均100℃左右，冬季時(shí)可到80℃），大量回收煙氣顯熱及部分汽化潛熱，因而極大的提高了加熱爐熱效率。

（4）預(yù)熱器2017年至今的排煙溫度一直控制在80-110℃，在投用近一年后，預(yù)熱器換熱板及框架狀態(tài)良好，完全沒(méi)有出現(xiàn)腐蝕情況。同時(shí)預(yù)熱器板間通道通暢，表面幾乎無(wú)灰塵，抗積灰堵塞性能優(yōu)良，使用至今無(wú)需另外維護(hù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

該技術(shù)方案可有效降低排煙溫度，提高加熱爐熱效率。自投用以來(lái)，有效應(yīng)對(duì)了生產(chǎn)負(fù)荷變化導(dǎo)致的熔鹽爐負(fù)荷調(diào)整，在保證熔鹽爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，降低出口溫度25℃，每臺(tái)爐年節(jié)約燃料成本達(dá)92萬(wàn)元。

依據(jù)目前使用情況來(lái)看，該裝置檢修周期可減免大量維護(hù)成本，今年的大修檢修計(jì)劃中僅需要對(duì)該空氣預(yù)熱器檢查即可，可節(jié)省大量人力物力以及設(shè)備更換的費(fèi)用，約計(jì)35萬(wàn)元。

空氣預(yù)熱器的主要失效損壞原因是腐蝕和堵塞，但玻璃板式空氣預(yù)熱器可完全抵抗腐蝕并極大程度上減緩積灰，因而其可預(yù)期的使用壽命會(huì)很長(zhǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)熔鹽爐空氣預(yù)熱器改造，深度降低加熱爐排煙溫度，提高加熱爐熱效率。同時(shí)煙氣中的酸性蒸汽與水蒸氣發(fā)生冷凝時(shí)，可以吸附大量粉塵和酸根離子，可以很大程度上提高煙氣潔凈度，減少污染物排放。采用玻璃板式換熱器可以有效抵抗露點(diǎn)腐蝕，抵抗換熱器積灰堵塞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)超低溫排煙和煙氣冷凝除塵，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

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作者簡(jiǎn)介：劉明國(guó)（1967-），男，本科，設(shè)備動(dòng)力部副經(jīng)理，從事設(shè)備管理及招標(biāo)工作。