空气预热器在炼油生产中的应用

空气预热器在炼油生产中的应用

空气预热器是重要的工厂加热设备之一，用于将热量和炉内使用的空气交换至热交换，以提高工作效率，减少燃料消耗，减少有害气体（如二氧化硫和氮）的排放。但过低的排烟温度会引起设备露点腐蚀,降低空气预热器的使用寿命。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,使得各种类型的空气预热器在炼油化工行业得到应用,带动了空气预热器行业的发展。1预热器的作用空气预热器工作原理:受热面的一侧通过烟气、另一侧通过空气进行热交换,即是空气吸热和烟气放热的一个热交换过程,由此达到提高烟气余热利用率的目的［１］。经过多年来的发展,空气预热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,原理示意图见图1。空气预热器在节能降耗中的作用［２］:1改善并强化燃烧。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,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%,节约燃料11%~12%。2空气预热器分类［３］2.1空气-空气预热器按加热方式不同,空气预热器分为烟气间接加热空气的空气预热器和烟气直接加热空气的空气预热器。烟气间接加热空气的空气预热器主要有早期的工艺分支物流预热空气、冷进料-热油预热空气及热载体预热空气,这些方案在20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,较少使用。烟气直接加热空气的空气预热器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,当空气预热器出现故障时,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。2.2空气预热器应用从换热特性上分,空气预热器分为管式(钢管、铸铁管、玻璃管、搪瓷管)空气预热器、热管式空气预热器、板式空气预热器、水热媒空气预热器及回转式空气预热器等。各式各样的空气预热器的结构、工作原理、设计计算方法各不相同,适用范围也不相同。但就石油化工行业而言,欧洲国家大多使用钢管-铸铁管-玻璃管3段组合式空气预热器,美国用回转式空气预热器较多［４］,国内则是热管式空气预热器应用的最为普遍。(1)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,但传热效率率低、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气预热器的升级换代产品。(2)热管式空气预热器热管式空气预热器开发于20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］。(3)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］。(4)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热交换器吸收烟气的热量,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］。(5)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］。3空气预热器的开发为了降低露点腐蚀,提高热效率,人们对各种空气预热器进行了改进,甚至跨类别进行复合,以适应炼油行业的发展。3.1掳蚀带空气预热器钢管空气预热器+养殖瓷器含调整透射式空气预热器如图2近40a来,国内外对钢管热交换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超过50%,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,它是钢管空气预热器的升级产品。搪瓷管空气预热器是通过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,搪瓷管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,应该有较大的发展空间。3.2高温高温烟气中不凝气的应用热管空气预热器是20世纪60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,换热效果好,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气预热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气预热器进行热交换,在低温部位用热管进行热交换,有效避开烟气的露点腐蚀,已经得到广泛应用,可以在露点的临界点工作。其发展方向应是传质方面,并解决热管的不凝气集聚及热管容易失效的问题［１２］。3.3热交换器设备特点板式空气预热器具有单程强制换热、换热面积大及热效率高等特点。目前,大型热交换器多采用模块设计、分模块制造,以便于运输、现场组装及模块的单独更换。此类热交换器可根据流体特点实现十字流、错流、逆流、错流和逆流以及单流程与多流程组合布置［１３］。根据烟气温度及选用材料的特点,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,可很好地避免介质泄漏,板片焊接采用自动轮焊技术,并及时在焊接中进行跟踪定位、压紧以及检验,保证了板片的焊接质量［１４］。其缺点是易积灰、不易清洗,只适合在洁净的燃烧环境下工作,不能用于燃油加热炉。3.4烟气热交换器最低壁温利用除氧水或除盐水作热媒,建立一个闭路循环系统。为防止烟气热交换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,保证进烟气热交换器热媒水的温度高于露点温度,即烟气热交换器的最低壁温高于露点(一般设计值)为130~150℃［１５］。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、旁路调节系统及安全阀等设备,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,今后的发展方向是继续改进热媒介质,目前发现有将水热媒空气预热器和管式空气预热器进行组合的实例,和热管空气预热器类似［１６］。3.5空气侧放热系统预热器转子部件由数万计的传热元件组成,当空气预热器缓慢旋转时,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。其优点是传热系数大,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。4比较和开发空气预热器的新方向4.1抗露点腐蚀空气预热器各种空气预热器性能比较结果见表1。从表1中可以看出,各种空气预热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,可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。4.2空气预热器锡基复合钢管抗露点腐蚀空气预热器是对现有加热炉空气预热器的一次突破,换热管材质为锡基复合材料,可有效避开烟气露点腐蚀,并采用内部加设扰流子、外部增加翅片的方法来强化传热。可根据加热炉的承载情况将空气预热器置于加热炉顶部或底部。锡基复合钢管具有钢材的强度和锡的抗腐蚀性,使用温度在280℃以下。与现有技术相比,抗露点腐蚀空气预热器热传导效率高,结构简单,制造方便。由于解决了露点腐蚀的难题,将排烟温度降低到100℃以下［２１］,故可达到提高加热炉热效率、减少碳排放的要求,其结构示意图见图2。5空气预热器露点腐蚀问题的解决方案长期的实践表明,空气预热器的发展进步就是围