空气预热器的发展与展望

1炼油加热炉空气预热器的发展与展望阎西祥董绍平宁波市镇海倍速达石化设备有限公司中石化镇海炼化分公司机动处邮编315207摘要空气预热器是加热炉的重要设备，在炼油厂主要起到节能减排的作用，随着国家能源政策和环保政策的日益加强，其重要性愈发突出。本文通过对现有炼油加热炉空预器的种类、性能进行分类、对比，指出其优缺点及发展方向，并结合实际对将来的空气预热器进行展望。关键词：空气预热器分类露点腐蚀展望一、前言空气预热器是炼油厂加热炉节能降耗的重要设备，其通过对炉内高温烟气与燃烧所用空气进行热交换，达到降低排烟温度，提高空气温度的目的，进而提高热效率，降低燃料消耗，减少有害气体(如二氧化硫、氮氧化物等)的排放。但过低的排烟温度会引起设备露点腐蚀，降低空预器使用寿命。为此，以避开烟气露点腐蚀，提升热效率为动力，推动了各种类型空气预热器功能的不断提升和完善，使得各种类型的空预器在炼油化工行业轮番应用，带动了空预器行业的发展。二、空气预热器的重要性空气预热器的工作原理是：受热面的一侧通过烟气、另一侧通过空气进行热交热，结果是空气吸热，烟气放热，从而使烟气排烟温度下降，提高烟气余热的利用程度[1]。经过多年来的发展，空预器的结构变得复杂多样，就位置而言，有放置在炉顶上，也有安放在地面上；就结构而言，有回转、列管、板式、热管之分。总体而言，热交换是在烟气侧进行，示意图如下：图1空气预热器工艺流程示意图烟气进口烟气出口空气进口空气出口空气预热器2空预器在节能降耗中重要作用【2】体现在：1、改善并强化燃烧：当经过预热器后的热空气进入炉内后，加速了燃料的干燥、着火和燃烧过程，保证炉内稳定燃烧，起着改善、强化燃烧的作用。2、强化传热：由于炉内燃烧得到改善和强化，加上进入炉内的热风温度提高，炉内平均温度水平也有提高，从而可强化炉内辐射传热。3、减小炉内损失，降低排烟温度，提高锅炉热效率：由于炉内燃烧稳定，辐射热交换的强化，可以降低化学不完全燃烧损失；另一方面，空气预热器利用烟气余热，进一步降低了排烟损失，因此，提高了锅炉热效率。根据经验，当空气在预热器中温度升高1.5℃时，排烟温度可降低1℃。在锅炉烟道中安装空气预热器后，如果能把空气预热150-160℃．就可以降低排烟温度110-120℃，可将锅炉热效率提高7％-7.5％，可节约燃料11%-12%。三、空气预热器的分类从工艺上，将空气预热器分为烟气间接预热空气和直接预热空气【3】两种：间接预热空气的主要有早期的工艺分支物流预热空气，冷进料-热油预热空气，热载体预热空气，这些方案在上世纪80年代在常减压蒸馏装置得到应用，并取得了很好的经济效益，现在由于优化换热流程技术的完善，将炉子和空气预热器加入，反而使工艺控制复杂化，因此较少使用。烟气直接预热空气的方案就是直接将热量传递给空气，它虽然有气-气传热效果差的弱点，但自成系统，与其它工艺过程无关，当空预器出现故障时，不会影响整个工艺过程，因此在炼油加热炉上得到了广泛的应用。按其换热特点，空预器分为管式（钢管、铸铁管、玻璃管、搪瓷管）空预器，热管式空预器，板式空预器、水热媒空预器、回转式空预器等。各式各样的空预器的结构、工作原理、设计计算方法各不相同，适用范围也不相同。就石油化工行业而言，欧洲国家比较喜欢钢管-铸铁管-玻璃管三段组合式空气预热器，美国用回转式空预器较多【4】，国内则是热管式空气预热器用的最为普遍。管式空气预热器管式空气预热器是最早使用的空气预热器，为气-气换热，制造简单，维护成本低，存在传热效率率低、质量大【5】。存在严重的露点腐蚀问题，目前应用的搪瓷管、玻璃管预热器都是管式空预器变代升级。热管式空气预热器热管式空气预热器开发于上世纪60年代，利用水的相变进行热交换，传热效率高，安装方便，性价比较高，是目前国内应用最多的一种空气预热器【6】。板式空气预热器采用波纹板片作为传热元件,一定数量的波纹板片叠合成板束,烟气-空气通过板片直接换热,目前在用的都是单程强制换热，换热面积大，热效率高【7】。水热媒空气预热器利用除氧水或除盐水作热媒,建立一个闭路循环系统。热媒水通过放置在加热炉对流室出口的烟气换热器吸收烟气的热量,再通过布置在鼓风机出口的空气预热器放出热量,加热空气，如此循环将烟气热量传递给加热炉所需的空气【8】。3回转式空气预热器回转式空气预热器内置蓄热元件，放置在扇形隔仓内，交替与烟气和空气进行换热。是一种动设备，拥有控制系统【9】。四、空气预热器的发展围绕着降低露点腐蚀，提高热效率，各种空预器纷纷进行了改进，甚至跨类别进行复合，以适应炼油行业的发展。1、管式空预器：近40年来,国内外对钢管换热器进行了大量的强化传热研究,取得了丰硕的成果。目前已有的强化传热管技术不下百余种，通过强化传热能提高换热效率达50%以上，但抗露点腐蚀能力差，冷风端管壁金属温度低，存在典型的三角形区域腐蚀【10】，由此演变出玻璃管或搪瓷管空气预热器，它是钢管空预器的升级产品，搪瓷管空气预热器在低温段钢管外表面烧镀搪瓷来防止低温露点的腐蚀,即在普通碳钢管外涂一层耐酸搪瓷。与碳钢管相比,传热系数相对降低率小于5%，搪瓷表面光滑,不易结垢和积灰,又耐磨损、抗腐蚀。但缺点也是明显的，一次投资过大，且制造工艺有待规范，搪瓷管如果存在针眼、掉瓷等缺陷，腐蚀依然不可避免。如果克服搪瓷管的制造、运输、安装方面存在的问题，应该有较强的发展空间。2、热管空预器：热管空预器是六十年代出现的一种空气预热器，热管一般由管壳和内部工作液体(工质)组成。石化行业中常用的热管为常温热管，换热效果强，但工作温度一般为0-250℃，在高于300℃的烟气中应用效果较差【11】，易出现爆管和产生不凝气。近几年，高温热管已经开始使用，另外根据热管和管式空预器的综合特性开发出复合式热管空气预热器，其工作原理是在高温部位用管式空预器进行热交换，在低温部位用热管进行热交换，有效避开烟气的露点腐蚀，已经得到应用，能在露点的临界点工作，将来的发展方向应该在传质上继续努力，解决好热管的不凝气的集聚，热管容易失效的问题【12】。3、水热媒空气预热器：利用除氧水或除盐水作热媒,建立一个闭路循环系统。为了防止烟气换热器发生低温露点腐蚀,在水热媒空气预热器进口和循环水泵入口之间设置旁路调节阀，控制空气预热器的换热量，保证进烟气换热器热媒水的温度高于露点温度，即烟气换热器的最低壁温高于露点(一般设计值)为130～150℃【13】。水热媒空气预热器需要与装置外(或内)的水系统相连，因此流程长，在加热炉区要增加热水泵，旁路调节系统，安全阀等设备，增加了操作的复杂性。由于工质水的沸点只有100℃，加热后的空气温度不高，能量等级（火用值）低，今后的发展方向是从热媒介质上继续改进，目前发现有将水热媒空预器和管式空预器进行组合的实例，和热管空预器类似【14】。4、板式空气预热器：板式空气预热器采用单程强制换热，换热面积大，热效率高。目前针对大型换热器采用模块设计、分模块制造，便于运输、现场组装并可以单独更换模块。根据流体特点可实现十字流，错流、逆流、以及错流和逆流混合组合布置，以及单流程与多流程组合布置【15】。根据烟气温度以及选用材料特点，可实现高温预热与低温预热多级组合布置。设备采用全焊式结构，密封性能好，很好的避免了介质的泄漏，板片焊接采用自动轮焊技术，并及时对焊接4中跟踪定位、压紧以及检验，保证了板片的焊接质量【16】。现状是易积灰，不易清洗，只能适合在洁净的燃烧环境下工作，不能用于燃油加热炉。5、回转式空气预热器：预热器转子部件由数万计的传热元件组成，当空预器缓慢旋转，烟气和空气逆向交替流经空气预热器。蓄热元件在烟气侧吸热，在空气侧放热，从而达到降低排烟温度，提高热风温度的预热作用。优点是换热系数强，缺点是漏风不可避免，安装制造较为复杂，与之配套的有润滑油系统，密封系统，漏风控制系统等辅助系统。针对电力锅炉技术的发展，由原来的二分仓发展成三分仓、四分仓【17】。作为电厂大型机组配套的主流产品,目前仍是电力行业大容量机组采用的主要形式【18】。短期内看不到重回炼油行业的迹象。6、空预器性能比较表1空预器性能比较传热性能投资费用抗腐蚀性能维护性能运行周期管式空预器一般中等一般良好短热管式空预器良好低较好良好短水热媒空预器一般中等较好一般长板式空预器良好中等一般一般短回转式空预器良好高一般复杂长从上表中可以看出，各种空预器均有自己独特的一面，没有绝对的优势，故造成在行业内不能一统天下的局面，针对此现象，日本公司开发出抗露点腐蚀空气预热器，能将排烟温度控制在露点温度以下，免维护，长周期高效运行，并得到应用【19】，国内刚进入起步阶段，已经申请了发明专利【20】，并在某公司试运行。7、抗露点腐蚀空气预热器图2抗露点腐蚀空气预热器结构示意图空气入口烟气入口烟气出口空气出口5抗露点腐蚀空气预热器，采用传统结构，烟气从侧面进出，可根据加热炉的承载情况布置于加热炉顶部或底部，其核心技术就是抗露点腐蚀钢管，为锡合金复合材料，据介绍，该钢管具有钢材的强度和锡的抗腐蚀性，使用温度在280°C以下，通过钢管外部翅片内部增加扰流子进行强化传热，得到了良好的应用。与现有技术相比，热传导效率高，结构简单，制造方便。由于解决了露点腐蚀的难题，能将排烟温度降低到100°C以下【21】，将设计部门定下的排烟温度不能低于150°C的指导原则直接打破，颠覆了传统空气预热器的设计理念，能根据环保和节能、工艺的要求，尽量低的设定排烟温度，提高加热炉热效率，减少碳排放。五、空气预热器的展望长期的实践表明：空预器的发展进步，其动力就是围绕提高热效率、克服烟气露点腐蚀，保证设备长周期运行所展开，为避开露点腐蚀，工程技术人员想尽各种方案，从管式至热管至水热媒，再至板式空预器，其核心就是避免露点腐蚀，提高热效率。将来的空气预热器将从材料的角度，直接选择真正的抗露点腐蚀材料，将使空预器的结构大大简化，从根本上解决露点腐蚀问题，再结合工艺上传热技术的改进，将来的空气预热器将逐步过渡到操作简便，免维护，长周期运行的轨道上来，一批新型的抗露点腐蚀预热器将更好地服务于炼油化工行业。参考文献【1】钱家麟，管式加热炉（第二版）【M】，中国石化出版社，2003：541；【2】陈建宏,加热炉管式预热器的优化设计及使用【J】,《钢管》,2005年第2期:38-40；【3】石油化学工业部炼油设计院，炼油厂管式加热炉设计手册【M】，中国石化出版社，1977：56；【4】ASME.PTC4.3AirHeaterPerformanceTestCodes(S):426；【5】尾花英朗，热交换器设计手册【M】，北京：石油工业出版社，1982:196-199；【6】庄俊，张红。热管技术及其工程应用【M】。北京：化学工业出版社，2000:8-12；【7】余良俭等，板式空气预热器的推广应用【J】。石油化工设备，2007,36（4）:83-84；【8】王瑜等，水热媒空气预热器与热管式空预器的比较【J】石油炼制与化工2004年NO：1:62-64；【9】高德顺等，回转式空气预热器的改进措施【J】，热力发电，2002,40（3）:55-58；【10】朱江,加热炉空气预热器预热管壁温度的计算及防露点腐蚀的方法【D】,中国科学院上海冶金研究所,材料物理与化学(专业)博士论文,2000年度；【11】蒋德强,热管式空气预热器及其在炼厂加热炉中的应用【J】，工业炉，1982.NO：6：65-67；【12】王振彪,热管式空预器的特点及应用前景【J】华北电力技术No4,1992：85-87；【13】裴力君等，水热媒空气预热器在常减压装置加热炉系统中的应用【J】,工业加热2007,36（1）:62-63；【14】陈力等，炼油厂加热炉空预器的选型思考【J】，内蒙古化工，2010.第10期:101-102；【15】熊振远,新型板式空气预热器在石化工业炉上的应用【J】石油化工设备技术,1994年第04期:39-42；【16】张小筠,板式空气预热器的应用及优化设计【J】《石油化工设备技术》,2011年03期:31-35；【17】吕兆聚,