袁文忠

(寧波中金石化有限公司,浙江 寧波 315204)

1 腐蝕機(jī)理

空氣預(yù)熱器是通過高溫?zé)煔鈱⑷紵每諝饧訜岬膫鳠嵩O(shè)備,是余熱回收系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié),其使用壽命往往因露點(diǎn)腐蝕問題達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。造成空氣預(yù)熱器低溫露點(diǎn)腐蝕的原因有兩點(diǎn),一是煙氣中存在SO3,二是受熱面金屬壁溫低于煙氣中的酸露點(diǎn)溫度。燃料中或多或少都含有S,其燃燒后生成SO2及少量SO3,在高溫或有原子O 的情況下,一部分SO2也可被氧化成SO3,SO3與煙氣中的水蒸氣結(jié)合成硫酸(H2SO4)蒸氣。H2SO4蒸氣本身對(duì)受熱面金屬的傳熱影響不大,但當(dāng)受熱面的金屬壁溫低于酸露點(diǎn)時(shí),含有H2SO4的蒸氣就會(huì)在受熱面上凝結(jié)成含有H2SO4的液體,對(duì)受熱面產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕,很短時(shí)間內(nèi)就可造成空氣預(yù)熱器腐蝕泄漏。泄漏會(huì)造成空氣預(yù)熱器漏風(fēng),而漏風(fēng)又會(huì)使煙氣溫度進(jìn)一步降低,從而加速腐蝕,形成惡性循環(huán)。

當(dāng)煙氣中的含塵量很高或煙氣中摻雜有不充分燃燒的高粘度聚合物時(shí),隨著煙氣在預(yù)熱器出口處溫度和速度的降低,煙氣中的灰塵或聚合物就會(huì)逐漸沉積到換熱管的管壁和翅片上。低溫區(qū)域所形成的H2SO4冷凝液可吸附大量粘度大、附著力強(qiáng)的煙灰。這些粘性灰塵吸附在預(yù)熱器管壁上,則會(huì)影響傳熱,進(jìn)一步擴(kuò)大低溫區(qū)域。受熱面堵灰和腐蝕相互促進(jìn),堵灰會(huì)使傳熱減弱、受熱面金屬壁溫降低,進(jìn)而加速腐蝕過程。低溫區(qū)域露點(diǎn)腐蝕速度極快,嚴(yán)重時(shí)空氣預(yù)熱器管壁在3～4個(gè)月內(nèi)就可能發(fā)生腐蝕穿孔,導(dǎo)致工業(yè)爐熱效率下降,甚至被迫停工、檢修,造成重大經(jīng)濟(jì)損失【1-2】。

2 常規(guī)空氣預(yù)熱器防腐措施

空氣預(yù)熱器主要有管式、板式、鑄鐵板式三種型式。管式空氣預(yù)熱器通常采用搪瓷、09CrCuSb(ND 鋼)防腐。板式空氣預(yù)熱器采用不銹鋼材質(zhì),有抗露點(diǎn)腐蝕作用,但有容易結(jié)垢、堵塞的缺點(diǎn)。

為減緩空氣預(yù)熱器露點(diǎn)腐蝕,盡可能回收煙氣熱能,某公司曾經(jīng)將燃?xì)饧訜釥t排煙溫度控制在夏季≥135 ℃、冬季≥150 ℃。在實(shí)際生產(chǎn)中,即使排煙溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度,也仍有腐蝕產(chǎn)生。對(duì)于逆流式空氣預(yù)熱器,其泄漏多數(shù)情況是從冷端開始的,即冷空氣進(jìn)口、煙氣出口處(見圖1)【1】。這是由于空氣入口溫度較低,使得靠近空氣入口區(qū)域的預(yù)熱管壁溫度仍低于煙氣露點(diǎn)溫度,造成局部露點(diǎn)腐蝕。當(dāng)換熱的空氣與煙氣量相匹配時(shí),粗略估算此處管壁平均溫度約為冷熱流體溫度的平均值。保證此處的最低平均壁溫高于煙氣露點(diǎn)溫度,則可以防止露點(diǎn)腐蝕【3-4】。

圖1 空氣預(yù)熱器露點(diǎn)腐蝕區(qū)域

提高低溫受熱面壁溫,使之高于煙氣露點(diǎn),使H2SO4蒸氣不能在金屬表面凝結(jié),就不會(huì)發(fā)生腐蝕。提高金屬壁溫的辦法有兩種,一是提高排煙溫度,二是提高預(yù)熱器入口空氣溫度。提高排煙溫度可采用冷空氣旁路的方法。該方法在增加排煙熱損失、避免冷端露點(diǎn)腐蝕的同時(shí)卻會(huì)降低工業(yè)爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。提高空氣預(yù)熱器入口冷空氣溫度可采用熱風(fēng)再循環(huán)(從空氣預(yù)熱器出口處引出部分熱空氣與入口處冷空氣混合)或前置預(yù)熱器(用裝置余熱與冷空氣換熱)的辦法實(shí)現(xiàn)【3-4】。

近10年來,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)大型鑄鐵板式空氣預(yù)熱器技術(shù)有所進(jìn)步。大型鑄鐵板式空氣預(yù)熱器傳熱性能高、壓降小,具有優(yōu)良的耐腐蝕性能,在國(guó)內(nèi)管式加熱爐領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。該型空氣預(yù)熱器采用合金鑄鐵鑄造,其化學(xué)成分中含有4%～5%C。C具有一定惰性,阻礙了酸對(duì)金屬的電化學(xué)腐蝕,從而延緩了露點(diǎn)腐蝕進(jìn)程,可延長(zhǎng)預(yù)熱器使用壽命。

因空氣預(yù)熱器露點(diǎn)腐蝕主要發(fā)生在低溫部位,結(jié)合空氣預(yù)熱器特點(diǎn),工業(yè)設(shè)計(jì)中也有高溫段、鑄鐵板組合式結(jié)構(gòu)。采用組合式結(jié)構(gòu)時(shí),高溫?zé)煔庀韧ㄟ^高溫段空氣預(yù)熱器,降低溫度后再進(jìn)入鑄鐵板式空氣預(yù)熱器;或空氣先通過鑄鐵板式空氣預(yù)熱器,再進(jìn)入高溫段空氣預(yù)熱器。

某公司2015年新建的加熱爐中有2臺(tái)焦化爐采用前置換熱器＋管式換熱器組合結(jié)構(gòu),將空氣在前置換熱器中用熱水加熱至60 ℃后再進(jìn)入管式空氣預(yù)熱器。管式空氣預(yù)熱器材質(zhì)為碳鋼(煙氣溫度低于200℃部位的熱管采用煙氣側(cè)鍍搪瓷處理)。其他9臺(tái)工藝加熱爐采用管式＋鑄鐵板組合式空氣預(yù)熱器?？諝忸A(yù)熱器設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

實(shí)際運(yùn)行過程中,排煙溫度控制在140 ℃以下時(shí),空氣預(yù)熱器底部會(huì)排出凝結(jié)水。凝結(jié)水中有很多鐵銹,p H 值2.9,說明已經(jīng)發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。為此,委托岳陽長(zhǎng)嶺設(shè)備研究所對(duì)煙氣露點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)測(cè),實(shí)測(cè)值為78 ℃。測(cè)試期間環(huán)境溫度19 ℃,實(shí)測(cè)排煙溫度143.1 ℃,按最低壁面溫度約為空氣入口溫度與排煙溫度之和的一半,估算最低壁面溫度約81℃,高于露點(diǎn)腐蝕溫度。按實(shí)際排煙溫度143.1 ℃、露點(diǎn)腐蝕溫度78 ℃反推,如果環(huán)境溫度低于13 ℃時(shí),就會(huì)有露點(diǎn)腐蝕發(fā)生。由此可見,沒有前置預(yù)熱器的空氣預(yù)熱器防止露點(diǎn)腐蝕,需要根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)排煙溫度做適當(dāng)調(diào)節(jié),以達(dá)到既防止露點(diǎn)腐蝕又節(jié)能的目的。

考慮到鑄鐵板式換熱器本身有一定耐露點(diǎn)腐蝕能力,將排煙溫度控制在140℃以上運(yùn)行,投用6年,未發(fā)生空氣預(yù)熱器腐蝕泄漏問題。

實(shí)測(cè)露點(diǎn)溫度時(shí),加熱爐系統(tǒng)瓦斯組分分析見表2。

表2 系統(tǒng)瓦斯組分(分析數(shù)據(jù))

3 防止空氣預(yù)熱器露點(diǎn)腐蝕新思路

為保證裝置連續(xù)運(yùn)行,如何在避免煙氣露點(diǎn)腐蝕,保障下游的預(yù)熱器、引風(fēng)機(jī)、煙風(fēng)道等設(shè)備正常運(yùn)行的前提下,進(jìn)一步降低排煙溫度,是加熱爐節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向。

3.1 95+超凈高效工業(yè)爐技術(shù)

采用某公司開發(fā)的“95＋超凈高效工業(yè)爐技術(shù)”作為對(duì)加熱爐系統(tǒng)的改造方案,可將加熱爐熱效率提高到95%甚至更高,徹底解決空氣預(yù)熱器露點(diǎn)腐蝕問題。技術(shù)方案如下:

燃料氣經(jīng)過煙氣預(yù)熱器后被預(yù)熱至一定溫度,進(jìn)入脫硫反應(yīng)器進(jìn)行處理,將燃料氣中的總硫含量由13～18 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),下同)降至2～5 mg/m3,經(jīng)過脫硫后的燃料氣進(jìn)入加熱爐燃燒,可降低煙氣中的SO3含S和露點(diǎn)腐蝕溫度。

高溫?zé)煔鈴膶?duì)流段排出后分成兩股,一股用于加熱燃料氣,另一股經(jīng)過高溫段空氣預(yù)熱器進(jìn)行加熱,最終兩股煙氣匯合后由引風(fēng)機(jī)引出,在低溫段空氣預(yù)熱器中與空氣換熱后排入煙囪。換熱后,煙氣排放溫度可降到80 ℃?？諝忸A(yù)熱器底部有連續(xù)明水排放。定期分析水質(zhì)(電導(dǎo)、Cl－等),結(jié)果顯示,其p H 值為6～7,日常直排至含油污水系統(tǒng)。

燃燒用空氣依次經(jīng)過鼓風(fēng)機(jī)、低溫段空氣預(yù)熱器、高溫段空氣預(yù)熱器,與煙氣換熱后進(jìn)入燃燒器燃燒。煙氣脫硫流程見圖2。

圖2 煙氣脫硫流程

3.2 復(fù)合相變換熱器余熱回收技術(shù)

某公司一期水煤漿鍋爐摻燒石油焦后,存在較多影響鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的瓶頸。由于煙氣水分和S含量高,導(dǎo)致煙氣露點(diǎn)溫度較高,低溫空氣預(yù)熱器腐蝕、積灰嚴(yán)重。2017年及2020年全廠大修時(shí),因低溫空氣預(yù)熱器發(fā)生低溫露點(diǎn)腐蝕,更換了3臺(tái)鍋爐的低溫空氣預(yù)熱器,其實(shí)際使用壽命只有3年。

按相變換熱器廠家計(jì)算,該公司水煤漿鍋爐的煙氣露點(diǎn)溫度為86～90℃,按排煙溫度150℃、進(jìn)口風(fēng)溫20℃折算,空氣預(yù)熱器冷風(fēng)進(jìn)口端的最低壁面壁溫大約為85℃(約為空氣入口溫度與排煙溫度之和的一半),稍低于計(jì)算露點(diǎn)溫度。為了防止露點(diǎn)腐蝕,不能降低排煙溫度。

復(fù)合相變換熱器余熱回收技術(shù)是一種用于低溫排煙熱源回收的技術(shù),即在鍋爐尾部煙道和送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道上各增加1臺(tái)換熱器,將2臺(tái)換熱器用管道相連。當(dāng)鍋爐排放的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)煙氣換熱器時(shí),煙氣將熱量傳遞給換熱管中的水,使水汽化,汽化過程中吸收大量的熱量,使煙氣溫度降低至130～135 ℃(根據(jù)燃料和露點(diǎn)溫度可調(diào))。水蒸氣沿著上升管進(jìn)入空氣換熱器,將熱量傳送給由送風(fēng)機(jī)送過來的進(jìn)爐空氣,將空氣加熱至70～80 ℃。水蒸氣釋放熱量后變成冷凝水,又沿著下降管返回?zé)煔鈸Q熱器,進(jìn)行新一輪換熱,如此反復(fù)循環(huán)。水作為熱媒(中間熱載體),通過沸騰吸熱和凝結(jié)放熱將煙氣的熱量連續(xù)地傳遞給空氣。管壁溫可利用上升管上的閥門手動(dòng)/自動(dòng)調(diào)節(jié)。相變換熱器煙氣流程見圖3。

圖3 相變換熱器煙氣流程

按煙氣-熱水換熱器熱水入口溫度75 ℃、排煙溫度120℃推算,該處最低金屬壁溫97.5℃,遠(yuǎn)高于煙氣露點(diǎn)溫度,有效防止了露點(diǎn)腐蝕。加熱后熱水汽化再進(jìn)入熱水-空氣預(yù)熱器,起到了預(yù)熱空氣的作用。熱水-空氣預(yù)熱器不接觸煙氣,沒有煙氣低溫露點(diǎn)腐蝕的問題。

該項(xiàng)目相變換熱器煙氣側(cè)增加了430 Pa的阻力損失,但由于排煙溫度降低使引風(fēng)機(jī)入口體積流量減小,可抵消流阻約180 Pa,因此,實(shí)際增加阻力250 Pa。因該公司引風(fēng)機(jī)有一定余量,故未產(chǎn)生負(fù)面影響。

電除塵器除塵效果在較低溫度下(130 ℃)運(yùn)行較好。為此,需使溫度保持在高于露點(diǎn)溫度10～20 ℃作為安全裕量,以避免出現(xiàn)冷凝結(jié)露、糊板、腐蝕和破壞絕緣等情況。因此,在應(yīng)用復(fù)合相變換熱器進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)后,由于進(jìn)入電除塵器煙氣的溫度得到較大幅度降低,會(huì)有利于發(fā)揮電除塵的效果。因?yàn)殡姵龎m器不是換熱器件,極板的壁面溫度肯定會(huì)高于相變換熱器的最低壁面溫度。假設(shè)電除塵器進(jìn)口煙氣溫度為115 ℃、散熱和漏風(fēng)率均為2%～3%、外界溫度為20 ℃,則除塵器出口煙氣溫度將會(huì)高于110℃。由于電除塵器的極板壁面溫度總是介于進(jìn)、出口煙氣溫度之間,所以只要其出口煙氣溫度高于煙氣露點(diǎn),電除塵器在原則上總是安全的。

通過采用復(fù)合相變換熱器余熱回收技術(shù),鍋爐排煙溫度從150～155℃降低至130℃,解決了鍋爐空氣預(yù)熱器低溫腐蝕難題,大幅度降低了鍋爐排煙溫度,可有效回收大量中、低溫?zé)崮?產(chǎn)生十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。