相變換熱技術在石油化工加熱爐中的應用研究

張明，方俊明

（山東濟煉石化工程有限公司，山東 濟南 250100）

復合相變換熱技術作為一種成熟的低溫煙氣余熱回收利用技術，由于其在充分降低煙氣溫度且可避免煙氣露點腐蝕的優勢，在熱電廠、冶金及石油化工行業有著廣泛的應用。雖然在應用相變換熱技術時基本原理相同，但不同的行業，根據排煙溫度和被加熱介質的不同，應用起來會有較大差異。煙氣露點溫度是決定煙氣最低排煙溫度的關鍵因素，電廠鍋爐和冶金用加熱爐，一般以煤炭作為主要燃料，煤炭中含有一定量的硫分，所以其露點溫度較高，一般在125℃左右，排煙溫度受此限制，不會低于這個值；而石油化工加熱爐，燃料以天然氣為主，天然氣中含硫量極低，故煙氣的露點溫度相對較低，一般排煙溫度可降至100℃以下，可以充分回收煙氣中的熱量。電廠鍋爐和冶金用加熱爐，被加熱介質一般為循環水，而石油化工加熱爐被加熱介質一般為空氣。

1 相變換熱技術簡介

應用相變換熱技術的換熱器（以下簡稱相變換熱器）的結構示意圖如圖1所示。相變換熱器一般分為上下兩部分，上部為放熱段，用于加熱空氣，下部為吸熱段，用于給煙氣降溫，兩段之間有一定的高差，為管內相變介質的循環提供動力。放熱段和吸熱段內都有若干排平行排列的換熱管，換熱管的排數和每一排的換熱管根數通過計算確定，每一排換熱管通過集合管連接起來，若干根集合管并入聯箱中。換熱管內加入適量的相變介質（如軟化水），吸熱段和放熱段通過軟化水的蒸發與凝結來傳遞熱量。吸熱段的軟化水通過吸收煙氣熱量汽化為飽和蒸汽，飽和蒸汽通過集合管和聯箱匯集起來并在一定的壓差作用下上升到冷凝段，加熱空氣后凝結為飽和水，飽和水在重力的作用下回流到吸熱段繼續吸收煙氣熱量，完成了空氣和煙氣的熱量交換。

圖1

水蒸氣的飽和蒸汽溫度和飽和蒸氣壓一一對應，因此，當換熱管內飽和蒸氣壓穩定時，飽和蒸汽溫度可維持在一個固定的數值，換熱管的金屬壁溫則可以保持不變。煙氣的露點腐蝕發生在換熱管上，通過控制管內的飽和蒸汽溫度即可保持受熱面壁溫穩定并可控可調。當加熱爐運行工況、燃料或傳熱負荷有所變化時，通過局部設置即可使排煙溫度和管壁溫度保持相對穩定。

當吸熱段的吸熱量大于放熱段的放熱量，會導致飽和蒸汽的蒸發和凝結失去平衡，換熱管內飽和蒸汽逐漸積聚，導致管內壓力升高，從而使換熱管金屬壁面溫度升高；當吸熱段的吸熱量小于放熱段的放熱量，同樣會導致飽和蒸汽的蒸發和凝結失去平衡，換熱器內飽和蒸汽相對變少，則換熱器內飽和蒸汽壓力相對降低，換熱管金屬壁面溫度下降。為了維持換熱器金屬壁溫的穩定，防止低溫露點腐蝕，一是可通過調節換熱器內飽和工質循環量來保證換熱器吸熱量和放熱量處于平衡狀態，二是可以通過調節被加熱介質（空氣）的流量，從而調整換熱器的放熱量，也可使換熱器吸熱量和放熱量處于平衡狀態，最終實現換熱器內的工質飽和壓力不變。

2 相變換熱技術應用實例

2.1 項目簡介

中石化股份公司某分公司塑料廠6萬噸/年苯乙烯裝置于1988年建成投產，該裝置采用美國Lummus/UOP專利技術，苯乙烯裝置中的蒸汽過熱爐，經過幾十年的運行和多次改造，排煙溫度正常運行狀態在189℃左右，爐子的熱量未得到充分利用，熱效率87%左右，熱效率低，為充分回收煙氣中的可用熱量，通過在蒸汽過熱爐對流室出口煙道處加裝一臺相變換熱器吸熱段，回收煙氣熱量，用于加熱管內軟化水，軟化水汽化為蒸汽進入冷凝段預熱空氣。通過相變換熱，排煙溫度可以從現在運行的189℃降到90℃左右，同時，進入燃燒器的空氣可從20℃的加熱至140℃。換熱器吸熱段受熱面的最低設計壁面溫度在80℃左右，高于煙氣酸露點溫度，且還有一定調節余量，保證換熱器不結露、不腐蝕。

通過采用相變換熱技術的換熱器，可以更大幅度降低排煙溫度，充分回收低溫熱能，節能效果好；通過控制飽和蒸汽溫度，使金屬受熱面壁面溫度處于穩定狀態，遠離酸露點的腐蝕，降低設備的維護成本；

通過應用相變換熱器，使排煙溫度降至100℃以下，既可以達到節能降耗的目的，也可以通過減少燃料氣消耗，減少二氧化碳的排放，符合我國的低碳發展戰略。

2.2 項目內容

本項目的設計參數如表1。

表1

本項目的設計方案如圖2所示。

圖2

冷空氣與熱煙氣的熱量交換通過管內的飽和蒸氣實現。本項目的相變換熱技術應用有以下兩個特點，一是空氣溫度變化區間大且出口溫度高，為將空氣加熱至140℃，需要的換熱管內飽和蒸汽溫度高于常壓下的飽和蒸汽溫度；二是煙氣出口溫度低，為達到將煙氣降至90℃的的目標，出口處飽和蒸汽溫度應低于常壓下的飽和蒸汽溫度。因此，在空氣出口處，換熱管內飽和蒸汽為正壓運行，空氣入口處，換熱管內飽和蒸汽為負壓運行。本項目通過設置分級加熱段，每一段對應不同的飽和蒸汽溫度，高溫段（空氣出口位置）的飽和蒸氣溫度大于150℃，低溫段（空氣入口位置）的飽和蒸氣溫度小于80℃，通過分級加熱，可以最大化提升空氣出口溫度以及降低煙氣排煙溫度。

2.3 節能效益計算

（1）回收熱量Q計算：

式中，Vg為煙氣流量，取值11770Nm3/h；ρg為煙氣密度，取值1.295kg/Nm3；Cpg為煙氣比熱，取值1.12kJ/(kg℃)；ΔT為煙氣入口和出口的溫度差值，取值189～90℃；Φ為設備換熱效率，取值0.95。

（2）節約燃料氣Gc：

式中，Q為回收熱量值，取值446kW；Qp為燃料氣的發熱量，取值9700kCal/kg；ηk為加熱爐效率，取值90%；HR為設備年運行時數，取值8400h；860為單位轉換系數，單位：大卡/(千瓦時)。

（3）本項目年節約效益Gz：

式中，GR為燃料氣價格，取值2800元/噸。

通過以上計算，本項目年節約效益為103.33萬元，本項目的投資為280萬元，投資回收期約為2.7年。

2.4 運行狀況分析

換熱器自2020年投入運行以來，運行狀況良好，運行數據基本達標，但由于加熱爐運行過程中，熱負荷、煙氣量、空氣量是變化的，因此，對換熱器的調整提出了很高的要求。本項目的排煙溫度在100℃以下，管內飽和蒸汽應處于負壓運行，當加熱爐運行狀況發生變化時，管內壓力會有波動，為維持管內負壓，可通過增加抽汽裝置維持管內壓力。空氣出口溫度140℃，管內飽和蒸汽溫度為150℃左右，對應的飽和蒸氣壓為0.4MPaG，為正壓運行狀態；若煙氣入口溫度高，在300℃左右時，空氣出口溫度也會被加熱至200℃以上，此時，對應的飽和蒸氣壓大于1.5MPaG，蒸汽壓力較高，對設備也提出了更高的要求，若遇到此類情況，為減少制造難度和維護成本，推薦采用擾流子空氣預熱器+換熱器組合的型式，這樣既可以使煙氣和空氣在高溫狀態下高效換熱，也可以充分發揮相變換熱器在低溫余熱回收的優勢，最大幅度地降低排煙溫度且避免露點腐蝕。

3 結語

相變換熱技術在石油化工加熱爐應用時，可獲取更低的排煙溫度，對煙氣中的余熱挖潛更充分，具有很高的節能效益，對低碳排放也有很好的促進效果。當排煙溫度低于100℃時，應注意保證管內蒸汽壓力負壓狀態運行；當入口煙氣溫度過高時，可以考慮采用擾流子空氣預熱器+換熱器等類似組合型式。