采用玻璃平板式空氣預熱器提升加熱爐效率的技術路線探究

陳慧群，張偉乾，李長浩，萬大陽

（1.中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525000；2.中國石化工程建設有限公司，北京 100101；3.洛陽瑞昌環境工程有限公司，河南 洛陽 471003）

1 概述

1.1 煉油加熱爐熱效率提升的意義

在煉油企業中，工藝加熱爐是所有裝置中的主要耗能設備，其耗能約占所有裝置的50%～80%。排煙溫度越高，加熱爐熱損失越大，熱效率就越低。提升加熱爐熱效率，減少燃料消耗量既可以為企業帶來可觀的經濟效益，同時也對節能減排，環境保護有重大意義。

1.2 提升加熱爐熱效率的傳統技術路線

提高加熱爐熱效率，關鍵在于科學合理的投入燃料熱量，同時降低整個系統的熱損失。

（1）提高加熱爐爐本體密封性能，減少泄漏點。

（2）合理規劃空氣及煙氣管道，減少管道長度及散熱損失。

（3）采用爐內“三維溫度場”監測技術，合理控制爐溫及燃燒，避免浪費。目前該項技術在國內尚處于摸索階段，只在中石化茂名分公司乙烯項目中某加熱爐進行過試用。

（4）降低煙氣排煙溫度，提高余熱回收負荷。降低排煙溫度，充分回收加熱爐煙氣中的熱量，這是提高加熱爐效率最直接最有效的方式。目前各煉油企業的加熱爐裝置普遍都安裝有空氣預熱器，利用高溫煙氣加熱助燃空氣，降低排煙溫度，提高加熱爐效率，以實現節能減排的目的。煙氣溫度越低，則預熱空氣吸收熱量越多，至燃燒器的助燃風溫度就會越高，隨著煙氣溫度降低，煙氣中的酸性氣體及水蒸氣會逐漸冷凝形成冷凝液，氣體變成液體的冷凝過程會釋放大量的汽化潛熱，若這部分汽化潛熱被回收，會進一步提升加熱爐熱效率。

1.3 傳統煙氣余熱回收路線的缺陷

目前已投入工業應用的板式空氣預熱器大都為金屬材質，如鑄鐵、碳鋼、不銹鋼等，煉化企業工藝加熱爐產生的煙氣中，會含有一定量的硫化物；正常工況下全廠脫硫系統也會出現工況波動導致煙氣中的硫化物濃度出現波動，隨著脫硫設備水平的提高，目前煙氣中的硫化物濃度基本都可以降低至20ppm以下，煙氣露點溫度隨之降低至120℃以內。但對于板式換熱器來說，在冬季工況下即使保持120℃以上的的排煙溫度并不能完全排除冷凝的發生，仍然會遇到酸露點腐蝕情況。盡管板式空氣預熱器在工業應用過程中也采取了一些防腐措施，如表面搪瓷、通過增設旁路嚴格控制排煙溫度，確保其高于露點溫度等，但這些空氣預熱器還是普遍存在著不同程度的低溫露點腐蝕現象。要徹底解決空預器低溫腐蝕和粉塵雜物堵塞問題，要么提高排煙溫度，犧牲加熱爐效率，要么采用新技術或采用特殊材料避免腐蝕和堵塞。

2 降低排煙溫度新型技術路線簡介

2.1 采用新型空氣預熱器

非金屬材質具有良好的防腐性能，將其用作換熱器換熱元件可以有效抵抗露點腐蝕。目前已開發出來的產品包括玻璃換熱器、石墨換熱器、碳化硅材質換熱器、四氟材料換熱器等。其中玻璃材質的防腐性能已經在諸多場合得到應用，除了氫氟酸之外，玻璃不與其他任何無機酸反應；而煉油行業燃料中一般不含氟元素。目前玻璃工業取得了長足進步，供應商眾多且質量可靠，價格低廉，采用玻璃作為換熱器板材有利于工業化大規模推廣使用。

2.2 低溫排煙預熱器配套設施的改造技術關鍵點

（1）為確保低溫排煙產生的冷凝液不會對整個加熱爐煙氣排放系統造成腐蝕損害，需要對煙道、引風機及煙囪進行必要的防腐處理和改進。

（2）參照硫磺回收設備煙囪及煙道的防腐措施，排煙溫度低于露點溫度的預熱器尾端煙道和煙囪內部可施襯耐酸襯里。

（3）煙道襯里表面也可覆蓋防沖刷板，并在該板表面涂刷有機防腐漆。

（4）對于空間充足的現場，可將預熱器高溫段與低溫段分開布置，將引風機置于高低溫段之間，減少低溫排煙對引風機的腐蝕危害。

（5）低溫排煙會帶來大量的冷凝液，需與預熱器配套設置一套污水處理裝置，對酸性冷凝水進行預處理。

（6）當現場管道改造工作量比較大時，新增的預熱器及連接管道應做詳細的CFD仿真分析計算，明確新增及改造管道中的流場分布狀態，通過分析結果進行結構優化，避免卡門渦街和湍流抖振情況的發生。同時通過計算模擬確定預熱器及管道溫度分布，對分布不均勻處進行優化調整。

3 玻璃平板式空氣預熱器的技術性能及應用分析

3.1 玻璃在工業換熱上的應用

近些年，隨著煉油工藝及技術的進步，管式結構的換熱器易積灰，結構不緊湊，不易清洗，震動隱患大等缺陷暴露的越來越明顯，已成為制約其應用的瓶頸。所以在此基礎上，為克服管式換熱器的缺陷同時保留玻璃防腐性能的優勢，新的玻璃平板式空氣預熱器逐漸研發問世。

圖1是洛陽瑞昌環境工程有限公司自主研發的REGLASS玻璃板式換熱器（發明專利號：ZL201010595778．3（中）、US20160116233A1（美）、EP2980522A1（歐）），創造性的將平板式特種耐熱玻璃應用于換熱器設備中，作為主要傳熱板材，開創了行業先河。玻璃板式空氣預熱器采用特種耐熱玻璃作為主要換熱元件，其內部所有支撐和密封材料也都采用性能類似的玻璃白紙或有機材料，結構緊湊，不易積灰，方便清洗，完全保留了玻璃完全防腐的性能優勢。

圖1 玻璃板式空氣預熱器

3.2 玻璃板式空氣預熱器在加熱爐余熱回收系統上應用的優勢

（1）耐腐蝕性能優良。除氫氟酸和強堿外，玻璃幾乎不與任何物質發生反應，而目前煉化企業工藝加熱爐煙氣中主要的酸性物質是含硫及含氮化合物，玻璃板式空氣預熱器可完全抵抗該類型物質的酸性腐蝕。

（2）流動阻力低。煙氣在板間流動相對平緩，阻力降比較低，避免渦街脫落引發的震動。

（3）不易積灰堵塞。平板式換熱器因避免了大面積的截流和渦街現象，因此從結構上大大降低了積灰情況的發生。另外一個影響表面積灰的因素是材料表面粗糙度。金屬換熱元件表面粗糙度一般為50～200μm，而用作換熱板的平板玻璃其表面光潔度極高（粗糙度約2～5μm），小于灰塵顆粒直徑（10～50μm），煙氣中的粉塵很難滯留在玻璃表面，因而最大程度上避免了表面積灰情況的發生。

（4）有效抵抗因脫硫系統事故造成的腐蝕損傷。在事故工況下，煉油廠脫硫系統出現故障，會導致煙氣中硫含量瞬間上升至一個非常高的水平，煙氣露點溫度迅速上升，冷凝液量迅速增大，這會對所有金屬材質的空氣預熱器造成嚴重損害。但玻璃空氣預熱器則可以有效抵抗這種事故工況造成的設備腐蝕損傷。

3.3 玻璃板式空氣預熱器工業應用前景分析

結合玻璃板式空氣預熱器的主要性能進行分析，我們可以看到若將其投入工業應用，會對現有加熱爐余熱回收系統造成如下影響。

（1）增加余熱回收負荷，提高加熱爐效率。

（2）其良好的防腐性能和防震性能，可以有效的提高空氣預熱器的使用壽命。

（3）其良好的抗積灰性能可以有效緩解預熱器在一個檢修周期內的性能逐漸下降的問題，克服換熱性能隨時間衰退而導致的加熱爐效率無法提高的問題。

（4）其良好的壓降性能使其在改造項目中可以不增加原有風機的運行負荷，起到間接節能的效果。

（5）深度降低加熱爐排煙溫度，促使煙氣中的酸性蒸汽與水蒸氣發生部分冷凝，液體冷凝的過程可以自發吸附煙氣中大量粉塵和酸性物質，提高煙氣潔凈度，減少污染物排放。

4 結語

目前，余熱回收工藝與玻璃板式空氣預熱器配套的其他工藝設備（如風機、煙囪和煙道等）的技術水平只能適應高溫排煙工況，需要對這些設備進行一定程度的技術改造，才能使整個余熱回收系統適應新的低溫排煙工藝工況。使用玻璃板式空氣預熱器，可以有效的降低排煙溫度，提升加熱爐效率，帶來良好的經濟效益和環保效益，是今后各煉油企業提升加熱爐效率的一個行之有效的措施。