孫志欽，李玖重，高曉紅

(中石化煉化工程(集團)股份有限公司洛陽技術研發(fā)中心，河南 洛陽 471003)

新型石墨空氣預熱器試驗研究*

孫志欽，李玖重，高曉紅

(中石化煉化工程(集團)股份有限公司洛陽技術研發(fā)中心，河南 洛陽 471003)

煉油裝置加熱爐排煙溫度最優(yōu)值在90 ℃左右，由于低溫露點腐蝕的限制，目前加熱爐排煙溫度為120～150 ℃，達不到最優(yōu)值。不透性石墨具有耐腐蝕性能強、導熱系數(shù)大、表面不易結垢等特性，由其制成的空氣預熱器特別適用于露點溫度以下的煙氣余熱回收。利用不透性石墨自行研制了一臺熱負荷為32.8 kW的新型空氣預熱器，并通過熱態(tài)試驗研究了新型石墨空氣預熱器的阻力特性、傳熱性能及耐溫密封性能。試驗表明，在適宜的流速范圍內，新型石墨空氣預熱器的綜合性能能夠滿足加熱爐跨越低溫腐蝕障礙、回收低溫煙氣余熱、提高熱效率的要求。

低溫露點腐蝕 不透性石墨 石墨空氣預熱器

近年來，中石化煉化企業(yè)裝置加熱爐燃料的品質已大大改善，燃料成本快速增長，余熱回收設備成本相對于燃料成本增幅較小，煙氣余熱回收裝置應重新優(yōu)化排煙溫度，實現(xiàn)煉油加熱爐深度節(jié)能。通過技術經濟分析，考慮熱量回收、安全長周期運行、經濟和環(huán)保等因素，煉油加熱爐排煙溫度最優(yōu)值應該在90 ℃左右[1]。

目前煉油企業(yè)加熱爐排煙溫度為120～150 ℃，空氣預熱器已在煙氣硫酸露點臨界溫度運行，進一步降低排煙溫度，空氣預熱器會產生硫酸露點腐蝕[2]。為了進一步降低排煙溫度，深度回收煙氣余熱，從結構及材料方面對空氣預熱器的耐腐蝕性能進行了改進和提升。已經開發(fā)使用的防露點腐蝕材料主要有：ND鋼、Cast鋼、鑄鐵板[3]和非金屬涂層[4]等，這些材料有一定的抵抗煙氣露點腐蝕的能力，但在使用過程中都出現(xiàn)了各種問題，無法完全抵抗煙氣低溫腐蝕。因此，開發(fā)新型非金屬耐腐蝕空氣預熱器勢在必行。

1 新型石墨空氣預熱器

不透性石墨是一種由人造石墨及合成樹脂通過浸漬、壓制和澆鑄等方法制成的新型材料。它具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性，耐腐蝕性能強。常溫下導熱系數(shù)為100～110 W/m·K，是普通碳鋼的2.5倍以上。與大多數(shù)介質之間的“親和力”極小，表面不易結垢[5]。并且，不透性石墨制成的換熱器價格與鑄鐵板式空氣預熱器相當。這些優(yōu)良的性質，保證了由其制成的空氣預熱器可以跨越低溫腐蝕障礙，在露點及更低的溫度運行。

石墨制成的新型空氣預熱器從結構可以采用管式和塊孔式兩種型式。由于石墨材料屬于脆性材料，而空氣預熱器在使用過程中由于溫差的變化，易產生應力變形。石墨傳熱管一般外徑較小，長度達數(shù)米以上，其抗彎強度不足，易發(fā)生應力斷裂，影響空氣預熱器的可靠性。石墨塊孔換熱芯體是由若干長方體石墨塊堆疊而成，石墨塊孔芯體為整體結構，強度要明顯高于石墨管式空氣預熱器。從運行的可靠性考慮，石墨空氣預熱器采用承壓能力強、使用溫度高的塊孔結構型式[6]。

石墨空氣預熱器與煉油企業(yè)的傳統(tǒng)鋼制空氣預熱器有很大不同，為了研究新型石墨空氣預熱器氣-氣傳熱的綜合性能，采用模擬軟件對石墨空氣預熱器的換熱孔徑進行了優(yōu)化。根據(jù)模擬優(yōu)化結果，自行研制了一臺熱負荷為32.8 kW空氣預熱器進行熱態(tài)試驗(見圖1)。

圖1 新型石墨空氣預熱器結構示意注：1-煙氣出口過渡段；2-連通器；3-空氣進口過渡段；4-空氣出口過渡段；5-石墨芯體；6-煙氣進口過渡段；7-支座；8-殼體

2 新型石墨空氣預熱器的熱態(tài)試驗

實驗裝置采用煙氣單 回程，空氣雙回程的結構。試驗過程中，改變石墨空氣預熱器煙氣和空氣進口流速，在15種不同工況下測量石墨空氣預熱器進出口的壓力和溫度，并測量空氣預熱器壁面溫度及散熱熱流。

2.1 實驗條件

(1)換熱介質：煙氣和空氣；燃料：城市管道天然氣。

(2)新型石墨空預器設計熱負荷為32.8 kW；換熱面積為13.18 m2。

(3)鼓風機：全壓3 500～3 700 Pa，流量3 800～4 100 m3/h。

(4)風道直徑：300 mm；煙道直徑：300 mm；煙囪高度：10 m。

2.2 熱態(tài)試驗工藝流程

石墨空氣預熱器熱態(tài)試驗工藝流程(見圖2)。天然氣在煙氣發(fā)生器內與來自1號風機的空氣燃燒產生煙氣，煙氣進入石墨空氣預熱器的煙氣流道，與來自2號風機的空氣換熱后排向煙囪。來自2號風機的空氣進入石墨空氣預熱器與煙氣換熱，溫度升高后排向大氣。來自1號風機的空氣通過熱風管道進入煙氣發(fā)生器作助燃及冷卻空氣。

熱態(tài)試驗過程中，改變石墨空氣預熱器煙氣、空氣進口流速，進行15種工況的試驗及測試。在每種工況下，石墨空氣預熱器穩(wěn)定運行30 min后，記錄一次介質進出口的溫度和壓力，每個工況測量三次，取平均值作為計算值。

圖2 石墨空氣預熱器熱態(tài)試驗工藝流程

3 熱態(tài)試驗結果分析

3.1 石墨空氣預熱器的阻力特性

石墨空氣預熱器的阻力特性主要表現(xiàn)在石墨芯體流道孔流速對壓力降的影響上，根據(jù)工程應用對空氣預熱器壓力的限制，結合空氣預熱器的阻力特性曲線，考察空氣預熱器的阻力特性。不同流道孔流速下，煙氣側和空氣側壓力降的變化曲線見圖3。

從圖3可以看出，煙氣側和空氣側的壓力降都隨氣體流道孔流速的增大而逐漸增大，空氣側壓力降遠大于煙氣側壓力降。這是因為阻力的大小與速度的平方成正比，也與流道孔的長度正相關。由于空氣的流道孔長度大于煙氣流道孔，并且空氣流道存在一個U型拐角，增加了一個局部阻力，所以空氣側壓力降遠大于煙氣側。

圖3 氣體流道孔流速對壓力降的影響

工程應用中，受限于風機的壓頭，空氣側壓力降應小于1 400 Pa，相應流道孔流速小于25 m/s。為了提高空氣預熱器傳熱能力，根據(jù)煙氣側和空氣側的換熱面積，對煙氣側和空氣側的流速進行優(yōu)化匹配，煙氣側流速應小于20 m/s，對應壓力降小于350 Pa。

3.2 石墨空氣預熱器的傳熱性能

石墨空氣預熱器的傳熱性能主要表現(xiàn)在石墨芯體流道孔流速對換熱系數(shù)的影響上，根據(jù)空氣預熱器換熱系數(shù)的變化規(guī)律，結合阻力特性曲線考察其傳熱性能(見圖4)。石墨空氣預熱器的換熱系數(shù)隨著流道孔流速的增大而逐漸增大，這是由于流道孔流速變大，流體湍流強度增加，對流換熱增強，換熱系數(shù)隨之提高。然而較大的流道孔流速會產生較大的沿程阻力和局部阻力損失，加大了系統(tǒng)的能耗。因此，換熱系數(shù)的優(yōu)化需考慮到空氣預熱器的阻力特性。

從圖4看出，當流速大于25 m/s時，空氣預熱器的換熱系數(shù)曲線漸趨于平緩，隨流速的增大，換熱系數(shù)增加較小，而相應的壓力降增加較多。結合空氣預熱器的阻力特性，空氣流道孔流速應小于25 m/s，煙氣流道孔流速小于20 m/s是比較適宜的，此時，空氣預熱器換熱系數(shù)可達到45 W/(m2·K)左右，傳熱性能優(yōu)于一般的鋼管式空氣預熱器。

圖4 孔流速對換熱系數(shù)的影響

3.3 石墨空氣預熱器的耐溫性和密封性

煙氣余熱深度回收溫度一般不超過200 ℃，本次熱態(tài)試驗歷時兩個多月，運行的最高溫度達到250 ℃，煙氣出口最低溫度為80 ℃。試驗過程中石墨空氣預熱器的耐溫性能良好，抗冷熱伸縮變形及耐腐蝕能力強，沒有出現(xiàn)破碎、彎曲、變形和腐蝕等現(xiàn)象。

通過測量石墨空氣預熱器在運行過程中的壁面溫度及散熱熱流，計算出預熱器的散熱損失僅為煙氣放熱量的1.86%，計算預熱器壁面散熱結果如表1所示。試驗過程中石墨空氣預熱器沒有出現(xiàn)吸風、漏氣等現(xiàn)象，密封性能良好。

表1 空氣預熱器表面散熱損失 J/s

從熱態(tài)試驗結果可以得出，考慮實際耗能及允許壓力降，在適宜的孔內流速范圍，新型石墨空氣預熱器的阻力特性、傳熱性能、耐溫性能及密封性能等均滿足加熱爐跨越低溫腐蝕障礙，深度回收低溫煙氣余熱，長期在露點及更低的溫度下運行的要求。

4 結 論

(1)低溫露點腐蝕已成為降低排煙溫度和提高加熱爐熱效率的主要障礙?，F(xiàn)有空氣預熱器只能在煙氣露點溫度附近運行，無法跨越低溫腐蝕的障礙。

(2)化學性質穩(wěn)定、導熱性能優(yōu)良和不宜結垢的不透性石墨材料可以從根本上解決空氣預熱器低溫腐蝕的問題。

(3)熱態(tài)試驗表明，新型石墨空氣預熱器可以滿足加熱爐跨越低溫腐蝕障礙，深度回收煙氣余熱，長期在露點溫度以下工作的要求。

[1] 李文輝. 煉油裝置加熱爐節(jié)能途徑與制約因素[J]. 中外能源，2009,14(10):85-91.

[2] 錢家麟. 管式加熱爐[M]. 北京：中國石化出版社，2005:524-525.

[3] 錢余海，李自剛，楊阿娜. 低合金耐硫酸露點腐蝕鋼的性能和應用[J]. 特殊鋼，2005,26(5)：30-34.

[4] 杜洪建. 耐硫酸露點腐蝕搪瓷空氣預熱器[J]. 石油化工腐蝕與防護，2007,24(4):38-40.

[5] 宋建波，殷志軍. 新型列管式石墨空氣預熱器在合成氨生產中的應用[J]. 氮肥技術，2006(27):24-25.

[6] 梁若清，馮勇祥，陸木林. 國內外石墨換熱器的發(fā)展與應用研究[J]. 化工生產與技術，1995(4):24-30.

(編輯 王菁輝)

Experimental Study on a New Type Graphite Air Preheater

SunZhiqin,LiJiuchong,GaoXiaohong
(SEGLuoyangR&DCenterofTechnology,Luoyang471003，China)

The optimum flue gas emission temperature of furnaces in the refinery units is about 90 ℃ now,gas emission temperature of farnaces is at 120～150 ℃ and under the optimum. due to the limit of low-temperature dew-point corrosion. The impervious graphite, which has strong corrosion resistance, high thermal conductivity and non-fouling on the surfaces, is especially suitable for the manufacturing of air preheaters for recovering the flue gas heat below dew point temperature. A new type of graphite air preheater with a thermal duty of 32.8kW has been developed by using the impervious graphite material, and the resistance characteristics, heat transfer performance and temperature sealing performance of the air preheater are studied by hot-run test. The results of tests show that the comprehensive performances of the new type air preheater can meet the requirements of spanning low temperature corrosion barrier, recovering the waste heat from low-temperature flue gas and improving the thermal efficiency of the furnaces.

low-temperature dew point corrosion, impervious graphite, graphite air preheater

2016-08-21；修改稿收到日期：2016-09-12。

孫志欽(1963-)，高級工程師，本科，從事節(jié)能與燃燒方面工作。E-mail：sunzq.lpec@sinopec.com

中國石油化工股份有限公司科技開發(fā)項目,煉油加熱爐深度節(jié)能技術開發(fā)研究(313041)。