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        加熱爐熱管式空氣預熱器失效原因分析及應對措施

        2023-04-29 11:22:06葛玉龍時國軍葛源清
        化工機械 2023年2期
        關鍵詞:積灰管式翅片

        葛玉龍 時國軍 葛源清

        摘 要 某500 kt/a常減裝置的熱管式空氣預熱器運行一年后出現(xiàn)排煙溫度大幅升高的情況。檢修檢查發(fā)現(xiàn)高溫段熱管出現(xiàn)爆管問題,低溫段熱管出現(xiàn)腐蝕失效現(xiàn)象。分析問題得出,操作溫度相對較高、熱管內(nèi)工質的分解及腐蝕、結構缺陷等,是高溫段熱管爆管的主要原因;垢下腐蝕、露點腐蝕是低溫段熱管失效的主要原因。通過使用304+玻璃板式空氣預熱器,解決了傳統(tǒng)空氣預熱器熱管失效、使用壽命相對較短的問題,降低了燃料氣用量及CO2、NOx等污染性氣體的排放量,提高了加熱爐的熱效率,延長了空氣預熱器的使用壽命,值得推廣使用。

        關鍵詞 板式空氣預熱器 304+玻璃組合 加熱爐 垢下腐蝕 露點腐蝕 積灰

        中圖分類號 TQ051.5? ?文獻標識碼 B? ?文章編號 0254?6094(2023)02?0267?06

        工藝加熱爐作為煉油企業(yè)中的主要耗能設備,其能耗約占所有裝置的50%~80%。排煙溫度越高,加熱爐熱損失越大,熱效率就越低。提高加熱爐熱效率,降低燃料消耗量,可為企業(yè)實現(xiàn)挖潛增效增加經(jīng)濟效益,對企業(yè)節(jié)能減排和環(huán)境保護具有重大意義[1~4]。

        空氣預熱器作為煉油化工裝置加熱爐煙氣余熱回收裝置,利用加熱爐排煙余熱來預熱入爐空氣。通過降低加熱爐設備的排煙溫度,提高入爐空氣溫度,使燃料易于著火、燃燒穩(wěn)定,進而提高燃燒效率[5]。增大空氣預熱器換熱面積、降低排煙溫度是提升裝置效益的重要手段,但常規(guī)熱管式空氣預熱器降低排煙溫度受低溫露點腐蝕限制。筆者介紹某500 kt/a常減裝置空氣預熱器出現(xiàn)的失效問題、失效原因、應對措施及使用效果,為解決同類空氣預熱器的問題提供借鑒。

        1 出現(xiàn)的問題

        某500 kt/a常減裝置的常壓爐、減壓爐共用一臺熱管式空氣預熱器進行余熱回收,換熱量為0.90 kW,其余設計參數(shù)見表1。

        預熱器累計運行一年后,排煙溫度由開工初期的140 ℃上升到180 ℃,熱效率大幅度降低。為查找問題原因,2016年檢修期間打開空氣預熱器,檢查熱管狀態(tài),發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)高溫段熱管爆管,低溫段熱管結垢、堵塞及腐蝕等問題。

        1.1 高溫段爆管失效

        如圖1所示,高溫煙氣入口第1排、第3排分別爆管1根,均位于空氣側頂端,距離裝液口約12~20 mm。爆管部位管內(nèi)粗糙不平,有明顯減薄,呈撕裂狀,腐蝕形態(tài)明顯表現(xiàn)為內(nèi)部介質腐蝕。熱管原始厚度3.0 mm,經(jīng)測量,爆裂處厚度最薄0.1 mm,其余部位厚度在2.3~2.9 mm。

        資料介紹,為預防空氣預熱器熱管腐蝕一般采取兩種措施:

        a. 采用化學預處理或蒸汽預處理方法使熱管內(nèi)表面鈍化,形成Fe3O4保護膜;

        b. 介質中加入緩蝕劑,在熱管內(nèi)表面形成鈍化膜,同時也可以吸收一些反應產(chǎn)生的氫氣。

        1.2 低溫段熱管結垢、堵塞、腐蝕

        低溫段熱管翅片間塞滿灰白色的厚垢污,腐蝕嚴重,尤其低溫部位第3、4排熱管翅片腐蝕產(chǎn)物厚度達2~3 mm,并且用干冰除垢后效果不明顯(圖2)。通過高壓水清洗除垢,在壓力較低時僅能清除表面垢物,翅片內(nèi)部垢物無法完全清理(圖3a)。當清垢壓力升至80~85 MPa后,內(nèi)部垢物清理仍然困難,腐蝕的翅片被高壓射流打碎,只能靠人工用鋸條等工具清理,清理效率極低。清垢后發(fā)現(xiàn)原厚度1.2 mm的翅片外部卷曲變形,顏色呈墨綠色,局部仍牢固掛著一層土黃色銹垢(圖3b),干燥后呈黑褐色(圖3c)。翅片外緣呈刀鋒狀,參差不齊,局部腐蝕脫落,厚度不足0.3 mm,翅片根部厚度不足0.25 mm,比外部腐蝕嚴重。

        2 失效原因分析

        2.1 高溫段熱管失效原因

        高溫段熱管爆管的原因如下:

        a. 操作溫度高。爆管位置位于高溫煙氣入口,溫度高達350 ℃,超過碳鋼熱管使用溫度不高于300 ℃的要求,管內(nèi)的介質壓力急劇增加,產(chǎn)生的不凝氣體會導致爆管,造成部分熱管失效[6,7]。

        b. 管內(nèi)工質沖刷。熱管換熱原理如圖4所示,工質在熱管下部被高溫煙氣加熱,吸熱汽化為蒸汽,在很微小的壓差下,上升到熱管的上部與管外空氣交換熱量后凝結為液體,冷凝液在重力作用下沿管內(nèi)壁返回下部受熱段,然后再次受熱汽化,循環(huán)往復,連續(xù)不斷地將熱量由煙氣側傳向空氣側,介質運行過程中如此往復循環(huán)[8],反復沖刷管壁,尤其是爆管部位沖刷得更嚴重。當長期使用時,會產(chǎn)生不凝氣并聚集在低溫段,又因高溫段溫度過高,以及管內(nèi)介質腐蝕等諸多因素引起低溫段爆管[9]。

        c. 管內(nèi)工質分解及腐蝕。管內(nèi)腐蝕也是導致熱管爆管失效的主要因素。高溫段熱管管內(nèi)介質為有機工作介質萘,在高溫、高壓環(huán)境下長期運行,使其理化性能逐步發(fā)生改變,介質逐漸分解,分解物與熱管本體發(fā)生化學反應,導致管內(nèi)腐蝕,若加入管內(nèi)的緩蝕劑劑量不夠或者防腐蝕條件不達標,同時在溫差、雜質等因素的作用下,會加劇管壁腐蝕,引起熱管強度下降直至失效。翅片對空氣預熱器熱管有徑向加強作用,而爆管位置為空氣側頂端,沒有翅片的加強,在溫度、應力和介質的共同作用下,腐蝕和材質劣化導致發(fā)生爆管問題[10~14]。

        2.2 低溫腐蝕

        2.2.1 硫酸露點腐蝕

        在低溫煙氣環(huán)境中,空氣預熱器后端低溫部位容易發(fā)生低溫積灰腐蝕現(xiàn)象[15],當空氣預熱器的排煙溫度低于煙氣的酸露點時,在其低溫受熱面上燃料燃燒產(chǎn)生的大量水蒸氣和硫酸蒸汽凝結,生成金屬硫酸鹽,導致管壁腐蝕[16]。

        降低排煙溫度有利于提高加熱爐的熱效率,但加熱爐的排煙溫度并不是越低越好,因燃料氣(或燃料油)中的硫一般以H2S的形式存在,燃燒后部分轉化為SO2,SO2在鐵銹、垢物等的催化作用及煙氣中過量氧氣的作用下部分轉化為SO3,SO3在低溫部位受熱面上與凝結的水蒸氣結合,形成腐蝕性較強的硫酸溶液,腐蝕金屬表面[17~19]。

        2.2.2 潮濕環(huán)境下的垢下腐蝕

        形成潮濕環(huán)境下的垢下腐蝕的因素主要有3個方面:

        a. 燃料燃燒產(chǎn)生大量的水。眾所周知,天然氣的主要成分為C、H元素,與氧發(fā)生反應時,主要生成CO2和水蒸氣,經(jīng)核算,該常壓爐理論上1 kg天然氣燃燒,產(chǎn)生約1.99 kg H2O(g)及2.50 kg CO2,因此計算該3 Mt/a常壓爐燃料在其中燃燒每小時產(chǎn)生約4 t H2O(g),再加上空氣中帶入的水,水蒸氣的量會更大。若空氣預熱器低溫部位達到露點溫度,將會產(chǎn)生大量的凝結水。

        b. 灰垢。空氣預熱器的高溫段一般不會積灰,即使積灰也是干灰,氣流的湍流狀態(tài)會將其清理干凈。而其低溫段排煙溫度低于煙氣露點溫度導致大量氣態(tài)水凝結,可能出現(xiàn)露點濕態(tài)積灰。另外,燃料氣非常潔凈時,煙氣露點溫度低于水的飽和蒸汽壓,會產(chǎn)生明水。隨著運行時間的延長,燃料不完全燃燒產(chǎn)生的有機顆粒物、助燃空氣帶入爐內(nèi)的灰塵、襯里脫落顆粒等在熱管翅片部位受到碰撞速度變慢,在管壁及翅片部位發(fā)生積灰,積灰導致熱管的傳熱性能下降,受熱面溫度因此降低。明水使變黏的灰垢粘附在預熱器低溫翅片管上。氣流的自清灰能力無法清除濕灰垢,隨著時間的延長,灰垢逐漸變厚,堵塞預熱器流道,煙氣壓降增大,換熱效率降低[20~22]。

        c. 氧。加熱爐一般為燃料過氧燃燒,通常對流室頂部煙氣中的氧含量為,燃氣加熱爐控制在2%~4%,燃油加熱爐控制在2%~5%,再加上進出加熱爐管道、人孔、看火孔、防爆門、對流室檢修擋板以及風機法蘭等靜密封點存在漏風現(xiàn)象,氧含量可能更高。濕態(tài)的灰垢在熱管的低溫部位積聚,形成致密的濕態(tài)垢物,垢物內(nèi)部氧氣進不去,垢物外部氧含量在2%~5%,形成氧濃度差,產(chǎn)生嚴重的垢下腐蝕[23]。企業(yè)技術人員現(xiàn)場清洗低溫熱管時,發(fā)現(xiàn)翅片根部的腐蝕情況比頂部的更嚴重,有力證明了垢下腐蝕的存在(圖3b)。

        同時,經(jīng)分析可知還可能存在低溫潮濕環(huán)境下的細菌腐蝕。

        3 處理措施及效果

        3.1 處理措施

        鑒于傳統(tǒng)熱管式空氣預熱器因存在高溫爆管、低溫結垢腐蝕、介質易析氫失效[24]、密封不嚴煙氣側竄空氣等問題,導致每年檢修拆裝清理、更換熱管,檢維修費用過高,熱效率偏低。

        2016年裝置檢修期間,將傳統(tǒng)熱管式空氣預熱器整體更換為304+玻璃組合板式空氣預熱器,高溫段為304不銹鋼,低溫段為專用玻璃,換熱量為1.1 kW,其余設計參數(shù)見表2。

        對304+玻璃組合板式空氣預熱器與傳統(tǒng)熱管式空氣預熱器進行對比,結果列于表3。

        3.2 應用效果

        304+玻璃組合板式空氣預熱器投用后,排煙溫度下降到103 ℃,運行3年排煙溫度仍然未變,運行3年檢修時,拆裝空氣預熱器檢修孔,檢查低溫部位玻璃板幾乎無垢,表面僅有輕微的白色垢物痕跡(圖5a);殼體底部幾乎無垢物,僅有少量可見的黃色顆粒物(圖5b)。而檢修更換前運行僅1年的傳統(tǒng)熱管式空氣預熱器底部積存大量黃色垢物(圖5c)。

        更換304+玻璃組合板式空氣預熱器前后空氣預熱器運行參數(shù)對比見表4。結合上述分析可以看出,304+玻璃組合板式空氣預熱器較傳統(tǒng)熱管式空氣預熱器杜絕了漏風環(huán)節(jié),使用初期熱效率提升1.91%、末期提升3.80%,且運行時間長,基本不結垢,無露點腐蝕問題。經(jīng)熱力計算可知節(jié)省了燃料用量,CO2、NOx排放量降低約20%~30%,節(jié)能、環(huán)保效果突出[29]。

        4 結論

        4.1 操作溫度相對較高、工質分解及腐蝕、結構缺陷等原因是傳統(tǒng)熱管式空氣預熱器高溫段爆管的主要原因;垢下腐蝕、露點腐蝕是低溫段熱管失效的主要原因。

        4.2 更換304+玻璃組合板式空氣預熱器,解決了傳統(tǒng)熱管式空氣預熱器高溫段熱管爆管、低溫段熱管腐蝕問題,且降低了燃料氣用量及CO2、NOx等污染性氣體的排放量,提高了加熱爐熱效率,延長了空氣預熱器使用壽命,值得在煉化企業(yè)推廣使用。

        參 考 文 獻

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        (收稿日期:2022-09-30,修回日期:2023-02-13)

        作者簡介:葛玉龍(1974-),高級工程師,從事腐蝕防護及加熱爐節(jié)能降耗,設備預防性維護,項目及檢維修管理工作,geyl@cnooc.com.cn。

        引用本文:葛玉龍,時國軍,葛源清.加熱爐熱管式空氣預熱器失效原因分析及應對措施[J].化工機械,2023,50(2):267-272.

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