熱管空預器延壽技術開發及工業應用

侯 杰 周麗純 汪李勝

（岳陽長嶺設備研究所有限公司 湖南岳陽）

熱管空預器作為一種高效節能設備在工業上得到了廣泛的應用。但（鋼、水）不相容性使熱管使用壽命受到限制，使用在線氧化除氫技術后，熱管正常使用壽命提高兩倍以上，較好的滿足了生產周期要求。然而在生產過程中，因設計不合理或生產異常致使熱管超溫或在低溫露點下使用的現象時有發生，導致熱管有效使用壽命大幅降低，爐子熱效率下降，嚴重影響余熱回收系統的長周期高效運行。

一、問題

（1）對在線除氫熱管跟蹤考察過程中發現，熱管空預器使用溫度在280℃以下時，預熱器運行良好，當溫度超過300℃時，熱管不凝氣增長速度成倍增加，氧化除氫劑大量消耗，直至除氫作用完全消失。隨后產生的不凝氣體不斷積聚在熱管中，引起熱管失效。對超溫失效熱管檢查時發現除氫劑已全部耗盡，僅剩下白色粘結劑，切管檢查時產生爆燃情況，個別管子燃燒時間可持續1min，說明管內存在有大量的不凝氣體。

（2）對熱管在超溫狀態下使用情況進行的調查中還發現，管內均產生大量的黑色污垢，污垢中鐵含量高達59.82%，且管子在腐蝕和高速氣流沖刷的雙重作用下，出現了明顯的管壁減薄甚至穿孔（圖 1、圖 2）。

（3）除了超溫引起的高溫腐蝕，低溫露點腐蝕引起的失效也是一個不可忽視的問題。由于節能減排工作的不斷深入，排煙溫度不斷降低已形成趨勢。新型預熱器設計排煙溫度已在 120℃以下，在燃料含硫的情況下，煙氣出口處熱管的壁溫很容易低于露點溫度，因此腐蝕往往不可避免。生產中因此引起的翅片、基管壁腐蝕減薄直至穿孔時有發生（圖3）。

圖1 石化蒸餾裝置超溫后熱管內的結垢

二、解決方法

1.高溫段采用擾流子空氣預熱器

圖2 超溫熱管管壁減薄及穿孔

在線除氫（鋼、水）熱管空氣預熱器的安全使用溫度上限為250℃（管內工質溫度），而石化加熱爐煙氣從對流室出來的溫度大部分≥300℃，此時熱管管內工質溫度將＞250℃，單獨使用（鋼、水）熱管空氣預熱器常出現熱管爆管或快速失效現象。常用的解決方法是將煙氣溫度＞300℃的部位采用有機熱管，熱管管內的傳熱工質改為飽和蒸汽壓較低的有機工質（石化工業中常用的有：N-甲基和荼），這樣基本上可以解決熱管爆管的問題。但這樣做仍存在以下不足：①生產過程中有機工質的揮發，污染環境損害健康；②有機物的傳熱效率不如水，即熱管的傳熱效率不可避免的下降；③有機工質長期在高溫下工作容易碳化失效，不便于修復（圖 4）。

圖3 低溫露點腐蝕

圖4 有機熱管工質碳化

克服高溫部位使用有機熱管的弊端，采用擾流子高效空氣預熱器替代高溫有機熱管。擾流子空氣預熱器就是在普通管式空氣預熱器列管內增設了擾流片，管外纏繞高頻翅片，增加管內、外流體的擾動，提高管內、外換熱系數，其傳熱系數K值比一般的列管式空氣預熱器增加50%左右。擾流子預熱器在較高煙氣溫度下使用，不存在露點腐蝕及大量結垢問題，因此不會發生堵塞或泄漏問題。其不適合在低溫煙氣條件下使用的原因是：①擾流子預熱器的傳熱效率不如熱管預熱器；②擾流子預熱器抗低溫腐蝕性不如熱管預熱器；③擾流子預熱器的煙氣側與空氣側沒有中間管板隔開，一旦有換熱管腐蝕穿孔即產生泄漏；④擾流子管與管板焊為一體組成管束，不方便單管進行更換，一旦產生泄漏，一般要更換整個管束。因此，擾流子空預器適用于高溫煙氣部位。常見的擾流子翅片管（圖5）。

2.提高熱管內表面鈍化質量，延長熱管使用壽命

在線除氫熱管只能消除掉已產生的不凝氣，并不能阻止不凝氣的產生。要減少不凝氣的產生，需從管內表面的鈍化質量著手。原有的熱管鈍化工藝采用的配方是在氧化性酸濃度下進行的，鈍化膜形成后，必須對殘留酸和反應物進行清洗，在清洗的過程中，清洗工具易對表面鈍化膜造成損傷。再有殘余酸及反應物不清洗干凈帶入熱管內又將加劇熱管不凝氣產生引起失效。另外，含有重金屬及殘酸的鈍化廢液后續處理成本非常高，隨意排放將嚴重污染環境。因此，對現有的鈍化工藝改進既是提高熱管使用壽命的需要，也是環境保護的需要。改進后的工藝，除在配方上進行了優化，去除了氧化性酸，還采用了塔式自循環系統鈍化，將雙管流動鈍化改為32管流動鈍化，不僅提高了鈍化質量也提高了鈍化效率，并實現了零排放。鈍化后的鈍化膜采用酸性CuSO4溶液點滴法進行檢驗，根據鈍化膜變色時間的長短，判斷鈍化質量的好壞及何時需要補充鈍化劑，改進后鈍化效果對比見表1。

通過試驗室性能評價試驗發現，當鈍化膜變色時間＞30s時，鈍化效果可以滿足熱管正常使用要求。因此，在過程檢驗中只要保證每根管子的鈍化膜點滴變色時間＞30s，就可保證熱管鈍化質量，確保熱管長周期高效運行。

圖5 擾流子翅片管

3.低肋大螺距搪瓷熱管的使用

現有的搪瓷熱管因制作工藝的原因，翅片與基管的連接處由于焊接不實或不平整很容易形成針孔，針孔的存在給搪瓷熱管的使用帶來很大的危害。在煙氣出口端，由于腐蝕介質的存在及潮濕狀態下，每一個針孔就相當于一個原電池，產生電化學腐蝕。電化學腐蝕相對于均勻腐蝕，它的危害性要嚴重的多，可能數月就可導致局部腐蝕穿孔，而使熱管失效。因此將常用的翅片管進行搪瓷處理是無法滿足搪瓷工藝要求的。

表1 鈍化工藝改進前后鈍化效果對比表

目前翅片管涂搪有兩種工藝，一是澆注法，二是浸泡法。無論哪種方法，都需將搪瓷均勻涂到翅片管上。普通的翅片管翅高約為管徑的一半，螺距8mm、翅片厚度1～1.2mm。由于翅片間距較小，涂搪過程很不容易將翅片與基管連接處涂勻涂滿，燒制時非常容易產生針孔。另外，翅片較薄，搪瓷也不容易掛住，翅片頂部也容易出現缺瓷現象。通過試驗研究發現，采用低肋大螺距翅片搪瓷熱管，即翅高為管徑四分之一以下，螺距12mm以上，翅片厚度1.5mm以上，搪瓷熱管時出現針孔的概率大幅降低。

4.提供準確的設計參數

目前熱管空預器失效模式有兩種，一是設計參數提供不準確而導致的入預熱器溫度過高，超過（鋼-水）熱管的正常使用溫度，導致熱管內產生大量不凝氣體引起的失效；二是排煙溫度設計過低，產生低溫露點腐蝕，管子腐蝕穿孔引起的失效。目前較好的解決辦法是：①燃料脫硫；②定期進行露點檢測，根據露點溫度，確定適宜的排煙溫度；③增設空氣旁路，在不同的環境溫度下（冬夏季節溫差較大），通過調節空氣旁通量，有效控制排煙溫度。

三、應用實例

某公司對焦化裝置余熱回收系統進行改進，改進原有熱管預熱器設計，新增一臺擾流子空氣預熱器，改進后余熱系統為擾流子+熱管組合式預熱器，煙氣出口熱管采用低肋搪瓷翅片管，改進前后測試數據見表2。

從測試數據可得出，在煙氣入口溫度不變的情況下，排煙溫度較改進前降低 67℃，熱效率提高3.06%。

表2 改進前后預熱器標定測試數據對比