改性莫來石陶瓷空氣預(yù)熱器的研發(fā)與應(yīng)用

李國志

（中國石化荊門分公司，湖北荊門 448039）

加熱爐排煙溫度是影響加熱爐熱效率的主要因素之一。加熱爐余熱回收系統(tǒng)能高效、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行是降低排煙溫度的主要措施[1]。目前，困擾加熱爐余熱回收系統(tǒng)的主要問題是含H2S煙氣低溫露點(diǎn)腐蝕，在實(shí)際工作中應(yīng)對的方法主要是提高加熱爐的排煙溫度，這樣勢必導(dǎo)致加熱爐效率降低。

為解決煙氣露點(diǎn)腐蝕問題，嘗試了各種材質(zhì)空氣預(yù)熱器，從金屬涂層、玻璃板到鑄鐵板，但要徹底消除露點(diǎn)腐蝕，應(yīng)直接選擇可靠的抗露點(diǎn)腐蝕材料[2]。雖然搪瓷管、鑄鐵板等耐煙氣露點(diǎn)腐蝕能力比普通碳鋼有很大的提高，但不論是普通碳鋼或鑄鐵材料，都會(huì)與煙氣中的稀硫酸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，輕者使空氣預(yù)熱器傳熱面發(fā)生粘灰堵塞，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使空氣預(yù)熱器的傳熱面腐蝕穿孔，使空氣預(yù)熱器失效[3]。為此，中國石化荊門分公司和中國石化洛陽技術(shù)中心共同研發(fā)了改性莫來石陶瓷空氣預(yù)熱器，并在前者加熱爐上進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用。

1 改性莫來石陶瓷空預(yù)器技術(shù)研發(fā)

1.1 改性莫來石陶瓷特性

莫來石陶瓷指主晶相為莫來石的陶瓷。莫來石是A12O3—SiO2系中唯一穩(wěn)定的二元化合物，組成可在3 A12O3·2 SiO2~2 A12O3·SiO2間變化，即A12O3含量可在71.8%~77.3%（w）范圍內(nèi)波動(dòng)[4]。

普通莫來石陶瓷以鋁硅酸鹽系天然礦物作為主要原料，采用在燒結(jié)過程中使之莫來石化的反應(yīng)燒結(jié)法或先合成莫來石再成型燒結(jié)的方法制成。因原料純度低、雜質(zhì)含量高，制品中有相當(dāng)數(shù)量的玻璃相，致使其力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)較差，使莫來石陶瓷在高溫下的優(yōu)良性能得不到充分發(fā)揮[5]。

實(shí)際上，由于莫來石陶瓷的導(dǎo)熱率偏低，用來研發(fā)陶瓷空氣預(yù)熱器還有不足之處，因此在莫來石中添加碳化硅來提高陶瓷的導(dǎo)熱率。碳化硅陶瓷具有強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)大、抗震性好、抗氧化、耐磨損、抗侵蝕等優(yōu)良性能，是一種優(yōu)質(zhì)陶瓷材料[6]。碳化硅陶瓷的缺點(diǎn)是斷裂韌性較低，即脆性較大。因此以莫來石結(jié)合碳化硅制成的陶瓷可改善單體材料的韌性和強(qiáng)度，并提高材料的導(dǎo)熱率。

另外，改性陶瓷屬于無機(jī)材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性（耐腐蝕性）和耐磨性能，是一種超強(qiáng)的抗酸腐蝕材料，是用來研究開發(fā)加熱爐冷凝式空氣預(yù)熱器的理想材料，其物理及耐腐蝕性能見表1，化學(xué)成分見表2。因此從技術(shù)上來說，用改性莫來石陶瓷材料開發(fā)冷凝式空氣預(yù)熱器技術(shù)可行。從制造成本考慮，陶瓷空氣預(yù)熱器成本大約為0.10萬~0.13萬元/m2，是鑄鐵板式空氣預(yù)熱器造價(jià)的1/2~2/3，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良。

表1 改性莫來石陶瓷物理及耐腐蝕性能

表2 改性莫來石陶瓷化學(xué)成分

通過研究不同成分莫來石陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)，確定空氣預(yù)熱器陶瓷傳熱芯體的成分為“莫來石＋碳化硅”，其導(dǎo)熱系數(shù)為7.5 W/m·k，是普通莫來石陶瓷（導(dǎo)熱系數(shù)為1.6 W/m·k）的4倍多，更加有利于煙氣和空氣的換熱。

1.2 新型改性莫來石陶瓷空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)及性能

新型改性莫來石陶瓷低溫空氣預(yù)熱器是以改性莫來石陶瓷（莫來石＋碳化硅）材料為傳熱芯體單元研制的新一代抗低溫腐蝕空氣預(yù)熱器。

1.2.1 結(jié)構(gòu)

通過CFX數(shù)值模擬分析計(jì)算，優(yōu)化確定改性莫來石陶瓷低溫?fù)Q熱器的結(jié)構(gòu)，然后在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行小型改性陶瓷低溫?fù)Q熱器熱態(tài)試驗(yàn)，評價(jià)其傳熱性能、抗腐蝕性能、密封效果和除垢能力。在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)出改性莫來石陶瓷低溫?fù)Q熱器。改性莫來石陶瓷低溫?fù)Q熱器屬于間壁傳熱的范疇，采用蜂窩式換熱結(jié)構(gòu)，使陶瓷空氣預(yù)熱器的強(qiáng)度得到很大提高；采用間壁式氣—?dú)鈸Q熱結(jié)構(gòu)，使冷凝式陶瓷空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)大為簡化，操作簡便。換熱芯體由若干塊長方體型改性莫來石陶瓷塊重迭而成，每個(gè)改性莫來石陶瓷傳熱單元沿軸向與徑向開有若干排相互垂直的小孔，形成兩種不同流體的通道。每兩塊傳熱單元體之間用高溫膠泥粘接以保證軸向、徑向兩組流道內(nèi)的流體互相不滲漏。兩組流道為簡壁結(jié)構(gòu)。熱煙氣從每一換熱塊的軸向流過，與流過徑向流道的冷空氣進(jìn)行換熱，從而達(dá)到預(yù)熱空氣的目的。兩端管板與改性莫來石陶瓷芯體通過軟性密封材料相連接。工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)陶瓷空氣預(yù)熱器外形結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)陶瓷空氣預(yù)熱器

1.2.2 性能

陶瓷空氣預(yù)熱器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)：

工作最佳空氣流速為14~18 m/s，煙氣流速為14~18 m/s；換熱系數(shù)K為26~30 W/（m2·K）；空氣側(cè)壓降為400~700 Pa，煙氣側(cè)壓降為250~450 Pa；最低排煙溫度為85℃。

改性陶瓷低溫?fù)Q熱器的換熱性能與流道孔有緊密關(guān)系，換熱系數(shù)隨流道孔流速的增大而增大，壓降也隨之增大。

小型冷凝式陶瓷空氣預(yù)熱器熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，陶瓷空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)緊湊，密封良好，綜合傳熱系數(shù)高。

由于改性莫來石陶瓷材料具有很強(qiáng)的耐酸腐蝕性能和耐磨性能，適用于低溫?zé)煔馀c空氣的換熱。在避免煙氣露點(diǎn)腐蝕和回收煙氣低溫顯熱的同時(shí)，還能部分回收含酸水蒸氣的汽化潛熱，可使加熱爐的熱效率進(jìn)一步提高，達(dá)到深度節(jié)能的目的。由于低溫段已經(jīng)處于煙氣露點(diǎn)腐蝕環(huán)境中，陶瓷傳熱芯體一側(cè)會(huì)有酸液凝結(jié)，為了保證設(shè)備可靠、安全運(yùn)行，需要對陶瓷空氣預(yù)熱器煙氣出口端進(jìn)行防腐蝕處理，并設(shè)有冷凝液排放閥門。

1.2.3 創(chuàng)新性

改性莫來石陶瓷低溫空氣預(yù)熱器創(chuàng)新性體現(xiàn)為：

1）利用非金屬陶瓷材料，采用蜂窩間壁結(jié)構(gòu)，冷凝式空氣預(yù)熱器技術(shù)，回收煙氣中的水蒸汽的汽化潛熱。

2）具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力，可在酸性煙氣和酸性冷凝液環(huán)境中安穩(wěn)運(yùn)行。

3）非金屬陶瓷材料有成本優(yōu)勢，性價(jià)比較高，有利于大批量推廣應(yīng)用。

2 應(yīng)用效果

目前，荊門分公司系統(tǒng)瓦斯H2S含量較高，平均在150 mg/m3。加熱爐余熱回收系統(tǒng)低溫段排煙溫度在130℃左右。若系統(tǒng)瓦斯H2S含量波動(dòng)頻繁，加熱爐余熱回收系統(tǒng)低溫段運(yùn)行溫度則在煙氣酸露點(diǎn)臨界點(diǎn)或以下運(yùn)行。加熱爐余熱回收系統(tǒng)低溫段極易產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕，導(dǎo)致因腐蝕穿孔而失效，造成加熱爐余熱回收系統(tǒng)不能長期、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)130℃以下低溫?zé)煔獾挠酂嵋参幢怀浞掷茫瑺t效也不能進(jìn)一步提升。

為此，2017年11月在酮苯裝置聯(lián)合加熱爐煙氣余熱回收系統(tǒng)上應(yīng)用改性莫來石陶瓷低溫空氣預(yù)熱器。酮苯裝置加熱爐余熱回收系統(tǒng)原結(jié)構(gòu)為采用兩段組合式的空氣預(yù)熱器，高溫段為熱管，低溫段為搪瓷管。利用現(xiàn)有余熱回收裝置中的“搪瓷管段”位置安裝“改性陶瓷低溫?fù)Q熱器”，保持高溫段熱管不變，盡量減少改造工程量。2017年12月10日投用，改造后酮苯裝置加熱爐煙氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器的溫度為150℃，經(jīng)過高溫段熱管空預(yù)器，進(jìn)入低溫段陶瓷空預(yù)器的溫度為130℃，在陶瓷空預(yù)器中與常溫空氣進(jìn)行換熱，煙氣溫度由130℃再降至85℃后經(jīng)引風(fēng)機(jī)排至煙囪。空氣溫度由15℃（常溫）升至70℃，在進(jìn)入高溫段預(yù)熱至95℃。煙氣溫度由115.9℃降低至85℃，加熱爐實(shí)際熱效率提高2百分點(diǎn)。改造主要設(shè)備投資共計(jì)60萬元。表4為酮苯裝置加熱爐空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)參數(shù)，表5陶瓷空氣預(yù)熱器性能參數(shù)。

表4 酮苯裝置加熱爐空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

表5 陶瓷空氣預(yù)熱器性能參數(shù)

投用正常后，2017年12月對酮苯裝置加熱爐余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了初步標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見表6。

酮苯裝置加熱爐進(jìn)行節(jié)能改造后，在解決低溫段露點(diǎn)腐蝕問題的同時(shí)，爐效提升2.6%，排煙溫度降低40℃，多回收熱量0.586 MW，每年可節(jié)約燃料氣（以年運(yùn)行8 400 h計(jì)）423 t，以燃料氣價(jià)格2 162.13元/t計(jì)算，每年可增加經(jīng)濟(jì)效益91.458萬元。另外由于減少燃料消耗，酮苯裝置加熱爐每年減少二氧化碳排放量約1 269 t，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。投資回收期約7.9個(gè)月。

表6 酮苯裝置加熱爐余熱回收系統(tǒng)節(jié)能情況

3 結(jié)論

新型改性莫來石陶瓷低溫空氣預(yù)熱器換熱技術(shù)首次在荊門分公司加熱爐空氣預(yù)熱器低溫段使用，使用效果良好。改性莫來石陶瓷低溫空氣預(yù)熱器具有優(yōu)良的傳熱能力和耐酸腐蝕能力，可以在100℃以下甚至更低的排煙溫度下安全運(yùn)行，解決了困擾加熱爐空氣預(yù)熱器低溫段露點(diǎn)腐蝕問題。