馮愛金（中國(guó)石油錦西石化公司）

錦西石化Ⅰ套常減壓裝置加熱爐目前使用的煙氣余熱回收系統(tǒng)是熱管式空氣預(yù)熱器，投用以來，一直存在熱管易失效、運(yùn)行效率不穩(wěn)定、運(yùn)行周期短、維護(hù)成本高等問題?？諝忸A(yù)熱器歷次檢修清垢及更換部分熱管后，運(yùn)行1年左右換熱效率就明顯下降，而運(yùn)行1年半以后，換熱效果就會(huì)差到嚴(yán)重影響加熱爐效率達(dá)標(biāo)的程度。

經(jīng)研究分析得知，其中積灰、露點(diǎn)腐蝕、熱管失效是熱管式空氣預(yù)熱器效率下降的主要原因[1]。為了延長(zhǎng)空氣預(yù)熱器的運(yùn)行周期，降低維護(hù)成本，保證換熱效率，把現(xiàn)有的熱管式空氣預(yù)熱器更換為板式空氣預(yù)熱器是一個(gè)有效的解決辦法。新型板式空氣預(yù)熱器具有傳熱性能高，不易積灰、清灰簡(jiǎn)單，換熱部件使用壽命長(zhǎng)，適應(yīng)性強(qiáng)、操作彈性大，維護(hù)成本低，模塊化、安裝靈活，阻力小等優(yōu)點(diǎn)，也伴隨有換熱板翅化難于清理等缺點(diǎn)，但上述不足可通過設(shè)備改造和優(yōu)化設(shè)計(jì)予以避免。由此可見，新型的板式空氣預(yù)熱器非常適合錦西石化Ⅰ套常減壓裝置加熱爐生產(chǎn)的實(shí)際情況。

1 故障檢修

錦西石化Ⅰ套常減壓裝置減壓爐為立式圓筒爐，熱負(fù)荷為21.648MW，主要燃料以天然氣為主，以裝置內(nèi)蒸發(fā)塔、常壓塔和減壓塔塔頂?shù)淖援a(chǎn)瓦斯為輔。其余熱回收系統(tǒng)采用熱管式空氣預(yù)熱系統(tǒng)，殼體材質(zhì)為碳鋼，熱管共832根，熱管材質(zhì)其中有三分之一為304材質(zhì)，置于低溫段，其余全部為碳鋼熱管，置于高溫段。

檢修前2個(gè)月，減壓爐的空氣預(yù)熱器效率已有明顯降低的趨勢(shì)。2個(gè)月后，已嚴(yán)重影響了加熱爐日常的生產(chǎn)操作，排煙溫度在150℃左右且無法通過工藝調(diào)節(jié)來降低，這直接導(dǎo)致加熱爐效率不能達(dá)標(biāo)。所以，決定采購(gòu)25%的熱管，并利用10天時(shí)間對(duì)減壓爐的空氣預(yù)熱器進(jìn)行檢修，將熱管全部抽出清洗，檢查內(nèi)部積灰結(jié)垢嚴(yán)重，通過宏觀鑒定有100根熱管腐蝕泄漏。另外，通過熱水試驗(yàn)有85根熱管由于內(nèi)部工質(zhì)失效導(dǎo)致不傳熱，腐蝕失效的熱管數(shù)占總數(shù)約12%，工質(zhì)析氫失效占總數(shù)的10%。提前采購(gòu)的熱管已全部更換，并在相應(yīng)位置上做了標(biāo)記和記錄。具體情況如圖1至圖5所示。

該減壓爐空氣預(yù)熱器利用10天的檢修工期檢修完成，正常投用，檢修后近期的使用效果尚好。如圖6所示，減壓爐空氣預(yù)熱器投用后，煙道排煙溫度暫為130℃左右，下降20℃左右。

在近5年中，減壓爐熱管式空氣預(yù)熱器已進(jìn)行了3次檢修。前2次檢修更換了50%的熱管，采購(gòu)熱管和修理費(fèi)每次消耗近20萬(wàn)元，2次共花費(fèi)約40萬(wàn)元。本次檢修采購(gòu)熱管花費(fèi)10萬(wàn)元，檢修施工費(fèi)用花費(fèi)5萬(wàn)元，合計(jì)修理費(fèi)15萬(wàn)元，且停運(yùn)10天左右。由此可見，該裝置運(yùn)行不到2個(gè)周期，減壓爐熱管式空氣預(yù)熱器所消耗的檢修維護(hù)資金總共約為55萬(wàn)元，幾乎達(dá)到了本身購(gòu)置費(fèi)。更換熱管只是目前的解決方式，想要更有效地解決上述問題，還需要更深入地進(jìn)行研究探討。

圖1 低溫段304材質(zhì)熱管翅片腐蝕嚴(yán)重

圖2 304材質(zhì)熱管本體腐蝕斷裂

圖3 碳鋼熱管腐蝕泄漏

圖4 煙氣側(cè)底部積灰至人孔下緣

圖5 熱管積灰結(jié)垢嚴(yán)重

圖6 減壓爐DCS示意圖

2 故障原因分析

2.1 熱管內(nèi)積灰結(jié)垢嚴(yán)重

該減壓爐主要燃料以天然氣為主，但還需要消耗裝置內(nèi)蒸發(fā)塔、常壓塔和減壓塔塔頂?shù)淖援a(chǎn)瓦斯。由于裝置內(nèi)自產(chǎn)瓦斯S含量較高，燃燒后煙氣中灰分較多，煙氣在經(jīng)過空氣預(yù)熱器換熱后溫度降低到接近露點(diǎn)區(qū)域，產(chǎn)生的濕灰不容易被吹灰器吹掉，吹灰后灰不能排入大氣，都沉積下來。目前的熱管式空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)也不合理，熱管垂直放置，且底部無積灰室，這樣的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致煙氣側(cè)的灰垢沉積更加嚴(yán)重，阻塞煙氣側(cè)熱管正常換熱。

2.2 熱管由于露點(diǎn)腐蝕發(fā)生泄漏

雖然熱管式空氣預(yù)熱器在石化行業(yè)的加熱爐煙氣余熱回收系統(tǒng)占有非常大的市場(chǎng)份額，且不斷有新的技術(shù)出現(xiàn)，但不適合錦西石化Ⅰ套常減壓裝置減壓爐燃燒自產(chǎn)瓦斯的生產(chǎn)特點(diǎn)。主要是因?yàn)樽援a(chǎn)瓦斯S含量較高，較低時(shí)在15000mg/m3左右，最高時(shí)超過27000mg/m3，將排煙溫度控制在130℃以上也不能保證露點(diǎn)腐蝕不發(fā)生，所以煙氣的露點(diǎn)腐蝕是熱管失效的主要原因。

2.3 熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)失效

熱管工質(zhì)與管壁金屬里的鐵發(fā)生析氫反應(yīng)，導(dǎo)致熱管內(nèi)真空度下降，熱管受熱后工質(zhì)氣化率下降，導(dǎo)致熱管失效。發(fā)生析氫反應(yīng)的原因是鋼鐵中都含有碳元素，在潮濕空氣中，鋼鐵表面會(huì)吸附水汽而形成一層薄薄的水膜，水膜中溶有二氧化碳后就變成一種電解質(zhì)溶液，使水里的氫離子增多，這就構(gòu)成無數(shù)個(gè)以鐵為負(fù)極、碳為正極、酸性水膜為電解質(zhì)溶液的微小原電池[2]，屬于電化學(xué)腐蝕，反應(yīng)方程式如下所示。

負(fù)極：鐵被氧化Fe-2e-=Fe2+

正極：溶液中的H被還原2H++2e-=H2↑

根據(jù)近期的故障檢修情況，并核算熱管的更換數(shù)量，按此計(jì)算，熱管的年失效率已達(dá)到3.4%。

3 解決方案

如上所述，錦西石化Ⅰ套常減壓裝置加熱爐的熱管式空氣預(yù)熱器存在故障率高、運(yùn)行周期短、維護(hù)成本高等問題。為了解決這些問題，經(jīng)過深入的研究探討，可以將原熱管式空氣預(yù)熱器改為板式空氣預(yù)熱器，這樣所有問題都可以有效緩解。

板式空氣預(yù)熱器相對(duì)于熱管式空氣預(yù)熱器的優(yōu)勢(shì)如下：

1）傳熱性能高。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，板式空氣預(yù)熱器的傳熱系數(shù)為管束式空氣預(yù)熱器的1.2～1.5倍，同等熱負(fù)荷可節(jié)約換熱面積20%～50%。

具體的實(shí)驗(yàn)是在吸風(fēng)式傳熱風(fēng)洞上進(jìn)行的。在實(shí)驗(yàn)前依次裝有導(dǎo)流板及雙層整流網(wǎng)和穩(wěn)定收縮段，使進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段的空氣流場(chǎng)均勻，空氣經(jīng)過預(yù)熱器后進(jìn)入測(cè)量流量的穩(wěn)定段，流量測(cè)量是用畢托管測(cè)量的。板式空氣預(yù)熱器另一側(cè)采用常壓下飽和蒸汽凝結(jié)放熱，蒸汽靠硅碳棒加熱爐產(chǎn)生。蒸汽在板式空氣預(yù)熱器里冷凝后進(jìn)入凝結(jié)水測(cè)量段，最后回到硅碳棒加熱爐里，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)均用玻璃棉保溫，防止熱損失。實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為2～16m/s。在采用同樣的氣體流速和Re時(shí)，計(jì)算板式與管束式空氣預(yù)熱器的傳熱系數(shù)。

K1＝23.8kcal/m2·h·℃ （板式）

K2＝19.2kcal/m2·h·℃ （管束式）

從結(jié)果看出，板式空氣預(yù)熱器傳熱系數(shù)為管束式空氣預(yù)熱器的1.2～1.5倍[3]。

2）不易積灰，清灰簡(jiǎn)單。板式空氣預(yù)熱器單位體積內(nèi)換熱面積大，有寬且直的流道，故積灰速度比熱管式空氣預(yù)熱器緩慢。其結(jié)構(gòu)也便于清灰，可以通過水沖洗接口，臨時(shí)連接水管清洗換熱板模塊，從而有效清除積灰且大大減少因?yàn)榍謇矸e灰所必須的停運(yùn)時(shí)間。

3）換熱部件使用壽命長(zhǎng)。隨著國(guó)內(nèi)鑄造技術(shù)的進(jìn)步，板式空氣預(yù)熱器可選用合金材料鑄造的換熱板來提高抗露點(diǎn)腐蝕的能力，而且板式空氣預(yù)熱器板材也可以進(jìn)行各種處理，采用防腐涂料、滲鋁、搪瓷等措施[4]，增加板材使用壽命。而熱管的表面處理和翅化是沖突的，表面處理就不能翅化，換熱面積就無法擴(kuò)大，翅化可以保證換熱面積，但表面處理層的壽命卻受到影響。

4）適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大。板式空氣預(yù)熱器使用安全，無溫度限制，無爆管的問題。而熱管式空氣預(yù)熱器使用溫度受到限制，一般采用的是鋼水熱管，一旦裝置運(yùn)行異常，換熱的煙氣超過300℃，管內(nèi)的壓力急劇增加，大量的不凝氣體會(huì)爆管，造成部分熱管失效。

5）維護(hù)成本低。板式空氣預(yù)熱器一次性投資費(fèi)用較熱管式空氣預(yù)熱器高，但后續(xù)的維護(hù)費(fèi)用和燃料氣使用費(fèi)用降低（表1）。熱管式空氣預(yù)熱器1次維護(hù)成本約15萬(wàn)元，1年半維護(hù)1次，板式空氣預(yù)熱器則3年檢修1次，極大地降低了維護(hù)成本。

表1 熱管式與板式空氣預(yù)熱器經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由表1可見，排煙溫度下降了30℃，加熱爐綜合熱效率提高了1.5%。按年加工量240×104t計(jì)算，熱負(fù)荷為21.648MW，折合1.86×107kcal/h；按熱效率提升1.5%計(jì)算，每年可節(jié)約能量2.34×109kcal

以燃料氣燃燒熱量q燃=11663kcal/kg計(jì)算，每年可節(jié)省燃料氣201t。按照燃料氣價(jià)格1856元/t計(jì)算，每年可節(jié)省燃料氣使用費(fèi)用37.3萬(wàn)元。

6）模塊化，安裝靈活。每臺(tái)單體模塊的換熱面積為50～80m2，對(duì)于較大熱負(fù)荷的加熱爐可把數(shù)個(gè)單體模塊進(jìn)行組合，檢修清垢時(shí)也可單獨(dú)檢修單體模塊。

7）阻力小。氣流在兩板之間流動(dòng)，具有暢通無阻的氣體流動(dòng)通道，同樣的應(yīng)用場(chǎng)合，板式空氣預(yù)熱器的壓降一般僅為熱管式的20%～60%[5]，這有助于減少風(fēng)機(jī)動(dòng)力消耗、降低電耗。

板式空氣預(yù)熱器的缺點(diǎn)：

1）由于環(huán)境因素的影響，特別是在北方，夏天和冬天的溫差較大，冬天會(huì)造成排煙溫度過低；所以，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮可控制冷源走支路的流量，以保證爐排煙溫度調(diào)節(jié)能力。

2）換熱板翅化也容易積灰，難清除。如果板式空氣預(yù)熱器需要翅化增加換熱面積時(shí)，換熱板的翅片由于間隙小，易造成積灰且難于清理；如果換熱面積滿足則應(yīng)該避免選擇帶翅片的板式空氣預(yù)熱器。

4 結(jié)論

通過以上的對(duì)比和研究分析，板式空氣預(yù)熱器相對(duì)適合錦西石化Ⅰ套常減壓裝置加熱爐的余熱回收系統(tǒng)，不但節(jié)省維護(hù)成本，有效降低排煙溫度，提高空氣預(yù)熱器的運(yùn)行效率，延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行周期，也在一定程度上更好地解決了露點(diǎn)腐蝕嚴(yán)重等問題，而且還達(dá)到了節(jié)省燃料、低碳排放的目的，節(jié)能效果突出。由此可以看出，錦西石化Ⅰ套常減壓裝置由熱管式空氣預(yù)熱器更換為板式空氣預(yù)熱器必將成為發(fā)展趨勢(shì)。