新型石墨空气预热器技术

1、新型石墨空气预热器技术新型石墨空气预热器技术中石化炼化工程集团中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心洛阳技术研发中心目录1 概述概述2 新型空气预热器材料及型式新型空气预热器材料及型式3 新型空气预热器数值模拟优化新型空气预热器数值模拟优化4 小型热态试验小型热态试验5 除垢试验除垢试验6 工业用大型石墨空气预热器研制工业用大型石墨空气预热器研制7 工业应用试验工业应用试验8 结语结语概述u 加热炉燃料消耗占炼油厂能耗的加热炉燃料消耗占炼油厂能耗的50%左右，深度节能，可大幅降低能耗。左右，深度节能，可大幅降低能耗。u 热效率提高的瓶颈热效率提高的瓶颈: 低温腐蚀低温腐蚀热效率提高热效率提高0.2

2、，年，年节约燃料油节约燃料油1.5万吨万吨2006200620112011年中石化炼油企业加热炉热效率对比年中石化炼油企业加热炉热效率对比空气预热器现状空气预热器现状 u 排烟温度一般为排烟温度一般为120150，空气预热器已在烟气酸露点临界点运行。空气预热器已在烟气酸露点临界点运行。u 加热炉热效率为加热炉热效率为9092%。u 空气预热器主要型式空气预热器主要型式: 热管、扰流子、搪瓷管、铸铁板等。热管、扰流子、搪瓷管、铸铁板等。间壁空预器换热面温度间壁空预器换热面温度 传统管式空预器（传统管式空预器（包括扰流包括扰流子）的温度曲线子）的温度曲线高温烟气入高温烟气入 图图 例例 排烟温度排

3、烟温度 壁温温度壁温温度 空气温度空气温度 换热系数换热系数 42.6w/m换热系数换热系数61.4w/m250 194 150 150 （排烟温度）（排烟温度）80 （ 最低壁面温度）最低壁面温度）25 （空气温度）（空气温度）常温空气入常温空气入技术目标技术目标（1 1）加热炉热效率达到加热炉热效率达到94%94%；（2 2）加热炉排烟温度加热炉排烟温度9090100100；（3 3）长周期）长周期安全稳定运行。安全稳定运行。 项目简介项目简介 2013年年1月，月，“炼油加热炉深度节能技术开发研究炼油加热炉深度节能技术开发研究”中国中国石油化工股份有限公司立项石油化工股份有限公司立项，合

4、同号为：，合同号为：313041。 SEG洛阳技术研发中心洛阳技术研发中心负责负责： （1）制定制定技术技术方案方案；（；（2）小型热态试验；（）小型热态试验；（3）过程控过程控制制；（；（4）课题总结）课题总结。 中石化荆门分公司负责中石化荆门分公司负责： 实施工业实施工业应用应用试验试验。新型空气预热器材料及型式新型空气预热器材料及型式 表表1 使用过的抗露点腐蚀空气预热器材料使用过的抗露点腐蚀空气预热器材料序号序号材料名称材料名称腐蚀速率腐蚀速率（mg/cm2h） （70 50%H2SO4）使用时间使用时间有效使用温度有效使用温度1碳钢碳钢103.513个月个月1402ND钢（钢（09G

5、rCuSb）7.30312个月个月1203Cast（日本）（日本）63.013年年1204CRIA（日本）（日本）13.413年年1206铸铁铸铁5.5713年年1107非金属搪瓷涂层非金属搪瓷涂层0.02最短最短3个月个月120新型空气预热器材料新型空气预热器材料 表表2 非金属材料参数对比非金属材料参数对比序号序号特性特性单位单位石墨石墨氟塑料氟塑料(PFA)硼硅玻璃硼硅玻璃1抗硫酸腐蚀能抗硫酸腐蚀能 长期耐腐蚀长期耐腐蚀5%85%H2SO4长期耐腐长期耐腐5%85%H2SO4耐酸耐酸1级级2导热率导热率W/W/（mKmK）1001000.221.253抗拉强度抗拉强度MPaMPa3030

6、30354抗压强度抗压强度MPaMPa808016.7 5线胀系数线胀系数mm/mm/（mmmm）6 61010-6-61210-5 3.310-66许用温度许用温度202022022020240260u 可加工性可加工性u 导热率导热率 (碳钢导热率碳钢导热率52 W/（mK）石墨性能石墨性能 石墨是碳的同素异晶体，石墨晶体属六方晶系。在石墨晶体中，碳石墨是碳的同素异晶体，石墨晶体属六方晶系。在石墨晶体中，碳原子按整六角形排列于各平面上，在每一个平面内，每一个碳原子都原子按整六角形排列于各平面上，在每一个平面内，每一个碳原子都和其他三个碳原子以共价键连接。这种共价键结合非常牢固，其他化和其他

7、三个碳原子以共价键连接。这种共价键结合非常牢固，其他化学基团来取代它们很困难。学基团来取代它们很困难。 石墨材料是一种超强的抗酸腐蚀材料，基本不与硫酸发生反应石墨材料是一种超强的抗酸腐蚀材料，基本不与硫酸发生反应,并并且具有良好的导热能力，其热导率为且具有良好的导热能力，其热导率为55110W/（mK）。可以在）。可以在300 以下以下安全工作。安全工作。因此石墨材料是理想的空气预热器芯体材料。因此石墨材料是理想的空气预热器芯体材料。新型空气预热器数值模拟优化新型空气预热器数值模拟优化 新材料（石墨）、新结构（蜂窝）新材料（石墨）、新结构（蜂窝） 减少试验次数，节省开发时间和经费减少试验次数，

8、节省开发时间和经费石墨蜂窝空气预热器石墨蜂窝空气预热器立体模型立体模型 在石墨传热单元体上设置有轴向在石墨传热单元体上设置有轴向和径向流道，和径向流道， 两组流道为简壁结构。两组流道为简壁结构。热烟气从轴向流过，与流过径向流热烟气从轴向流过，与流过径向流道的冷空气进行换热，从而达到预道的冷空气进行换热，从而达到预热空气的目的。热空气的目的。石墨空气预热器简化模拟石墨空气预热器简化模拟石墨空气预热器石墨空气预热器简化模型简化模型CFX数值模拟计算结果数值模拟计算结果石墨空气预热器石墨空气预热器速度矢量图速度矢量图（1）孔内流速远大于进出口流速及连通段流速；）孔内流速远大于进出口流速及连通段流速；

9、（2）流道孔径决定了空气预热器的传热性能及阻力特性。）流道孔径决定了空气预热器的传热性能及阻力特性。CFX数值模拟计算结果数值模拟计算结果石墨空气预热器石墨空气预热器温度场云图温度场云图受空气冷端温度的影响，烟气出口端温度存在不均匀分布；受空气冷端温度的影响，烟气出口端温度存在不均匀分布；4 小型热态试验小型热态试验热态试验石墨蜂窝空气预热器结构图热态试验石墨蜂窝空气预热器结构图热态试验工艺流程热态试验工艺流程热态试验工艺流程图热态试验工艺流程图热态试验装置热态试验装置 实验装置参数实验装置参数（1）烟气量：）烟气量：3000Nm3/h；（2）烟气进口温度：）烟气进口温度：150。热态试验结论

10、热态试验结论 试验考察了石墨蜂窝空气预热器在不同工况下的传热性能、耐温性试验考察了石墨蜂窝空气预热器在不同工况下的传热性能、耐温性和密封性，石墨蜂窝空气预热器传热性能和阻力特性满足加热炉低温和密封性，石墨蜂窝空气预热器传热性能和阻力特性满足加热炉低温烟气余热回收要求，能在烟气余热回收要求，能在250250以下烟气环境中安全运行。以下烟气环境中安全运行。5 除垢试验除垢试验高压水除垢流程示意图高压水除垢流程示意图 除垢效果除垢效果 清洗介质：压力清洗介质：压力5.67.0MPa，清洗时间，清洗时间510s 模拟灰垢：水泥模拟灰垢：水泥+沙子沙子+水玻璃水玻璃高压水射流结构图高压水射流结构图管孔除

11、垢过程管孔除垢过程6 工业用大型石墨空气预热器研制工业用大型石墨空气预热器研制 组成组成：石墨传热芯体、烟气进口段、烟气出口过渡段、空气进口段、石墨传热芯体、烟气进口段、烟气出口过渡段、空气进口段、空气出口段等。空气出口段等。7 工业应用工业应用荆门分公司荆门分公司6060万吨万吨/ /年连续重整装置加热炉年连续重整装置加热炉空气预热器：热管空气预热器：热管+搪瓷列管搪瓷列管低温段搪瓷管出现腐蚀穿孔，低温段搪瓷管出现腐蚀穿孔，空气串入烟气，空气串入烟气，实际热效率实际热效率91%左右。左右。工业应用前标定数据工业应用前标定数据表表3 工业工业试验应用前试验应用前标定数据标定数据 项项 目目单位

12、单位空气侧空气侧烟气侧烟气侧进口温度进口温度 16251.5出口温度出口温度221.4138.9进口压力进口压力Pa1117-448出口压力出口压力Pa811-847.3排烟温度：排烟温度：138.9综合热效率：综合热效率：91.13%表表4 工业工业试验应用前试验应用前热效率计算表热效率计算表项目名称项目名称符号符号数值数值备注备注排烟损失q16.16%排烟损失热量/供给能量燃料不完全燃烧损失q20不完全燃烧热量/供给能量散热损失q32.06%散热损失热量/供给能量附属设备损失q40.65%附属设备耗能/供给能量综合热效率91.13%反平衡法：=1-(q1+q2+q3+q4)工业应用技术方案

13、工业应用技术方案空气预热器设计参数空气预热器设计参数表表5 工业应用试验工业应用试验石墨空气预热器设计参数石墨空气预热器设计参数名名 称称单位单位数值数值烟气流量烟气流量Kg/h27072烟气入口温度烟气入口温度150烟气出口温度烟气出口温度95烟气阻力降烟气阻力降Pa400空气流量空气流量Kg/h25560空气入口温度空气入口温度15空气出口温度空气出口温度70空气阻力降空气阻力降Pa700换热量换热量kW446.8解决低温段搪瓷管解决低温段搪瓷管腐蚀穿孔问题，腐蚀穿孔问题，进一步降低烟气排进一步降低烟气排烟温度，提高加热烟温度，提高加热炉综合热效率。炉综合热效率。工业标定数据分析工业标定数

14、据分析表表6 综合热效率计算表综合热效率计算表项目名称项目名称符号符号数值数值备注备注排烟损失排烟损失q13.18%排烟损失热量排烟损失热量/供给能量供给能量燃料不完全燃烧损失燃料不完全燃烧损失q20不完全燃烧热量不完全燃烧热量/供给能量供给能量散热损失散热损失q32.13%散热损失热量散热损失热量/供给能量供给能量附属设备损失附属设备损失q40.67%附属设备耗能附属设备耗能/供给能量供给能量综合热效率综合热效率94.02%反平衡法：反平衡法：=1-(q1+q2+q3+q4)工业应用结论工业应用结论（1）空气预热空气预热预热器预热器具有优良的传热能力和耐酸腐蚀能力，可以在具有优良的传热能力和

15、耐酸腐蚀能力，可以在100以下甚以下甚至更低的排烟温度下安全运行至更低的排烟温度下安全运行。（2）加热炉热效率由加热炉热效率由91.13%升至升至94.02%。（3）重整加热炉进行节能改造后，重整加热炉进行节能改造后，可以解决低温段露点腐蚀穿孔问题，可以解决低温段露点腐蚀穿孔问题，多回收热量多回收热量0.486 MW。每年可节约。每年可节约燃料气（以年运行燃料气（以年运行8400小时计）小时计）351吨。吨。以燃料气价格以燃料气价格3631元元/吨计算，每年吨计算，每年可增加经济效益可增加经济效益127.45万元。万元。8 创新点创新点（1）耐低温露点腐蚀石墨空气预热器技术，跨越了耐低温露点腐蚀石墨空气预热器技术，跨越了烟气露点腐蚀障碍烟气露点腐蚀障碍；（2）研发工业大型石墨空气预热器技术；研发工业大型石墨空气预热器技术；（3）国内首次在炼油加热炉上应用石墨空气预热器国内首次在炼油加热炉上应用石墨空气预热器深度节能技术，排烟温度降至深度节能技术，排烟温度降至94。知识产权知识产权专利授权专利授权6项项： （1）“一种空气预热器一种空气预热器”，CN203771443U （2）“石墨管与管板的密封结构石墨管与管板的密封结构”，CN202066408U （3） “一种空气预热器系统一种空气预热器系统”，CN202066050U （4）“一种避免余热回收装置发生烟气露点腐蚀