新型石墨空气预热器试验研究*

孙志钦，李玖重，高晓红

(中石化炼化工程(集团)股份有限公司洛阳技术研发中心，河南 洛阳 471003)

新型石墨空气预热器试验研究*

孙志钦，李玖重，高晓红

(中石化炼化工程(集团)股份有限公司洛阳技术研发中心，河南 洛阳 471003)

炼油装置加热炉排烟温度最优值在90 ℃左右，由于低温露点腐蚀的限制，目前加热炉排烟温度为120～150 ℃，达不到最优值。不透性石墨具有耐腐蚀性能强、导热系数大、表面不易结垢等特性，由其制成的空气预热器特别适用于露点温度以下的烟气余热回收。利用不透性石墨自行研制了一台热负荷为32.8 kW的新型空气预热器，并通过热态试验研究了新型石墨空气预热器的阻力特性、传热性能及耐温密封性能。试验表明，在适宜的流速范围内，新型石墨空气预热器的综合性能能够满足加热炉跨越低温腐蚀障碍、回收低温烟气余热、提高热效率的要求。

低温露点腐蚀 不透性石墨 石墨空气预热器

近年来，中石化炼化企业装置加热炉燃料的品质已大大改善，燃料成本快速增长，余热回收设备成本相对于燃料成本增幅较小，烟气余热回收装置应重新优化排烟温度，实现炼油加热炉深度节能。通过技术经济分析，考虑热量回收、安全长周期运行、经济和环保等因素，炼油加热炉排烟温度最优值应该在90 ℃左右[1]。

目前炼油企业加热炉排烟温度为120～150 ℃，空气预热器已在烟气硫酸露点临界温度运行，进一步降低排烟温度，空气预热器会产生硫酸露点腐蚀[2]。为了进一步降低排烟温度，深度回收烟气余热，从结构及材料方面对空气预热器的耐腐蚀性能进行了改进和提升。已经开发使用的防露点腐蚀材料主要有：ND钢、Cast钢、铸铁板[3]和非金属涂层[4]等，这些材料有一定的抵抗烟气露点腐蚀的能力，但在使用过程中都出现了各种问题，无法完全抵抗烟气低温腐蚀。因此，开发新型非金属耐腐蚀空气预热器势在必行。

1 新型石墨空气预热器

不透性石墨是一种由人造石墨及合成树脂通过浸渍、压制和浇铸等方法制成的新型材料。它具有优良的化学稳定性，耐腐蚀性能强。常温下导热系数为100～110 W/m·K，是普通碳钢的2.5倍以上。与大多数介质之间的“亲和力”极小，表面不易结垢[5]。并且，不透性石墨制成的换热器价格与铸铁板式空气预热器相当。这些优良的性质，保证了由其制成的空气预热器可以跨越低温腐蚀障碍，在露点及更低的温度运行。

石墨制成的新型空气预热器从结构可以采用管式和块孔式两种型式。由于石墨材料属于脆性材料，而空气预热器在使用过程中由于温差的变化，易产生应力变形。石墨传热管一般外径较小，长度达数米以上，其抗弯强度不足，易发生应力断裂，影响空气预热器的可靠性。石墨块孔换热芯体是由若干长方体石墨块堆叠而成，石墨块孔芯体为整体结构，强度要明显高于石墨管式空气预热器。从运行的可靠性考虑，石墨空气预热器采用承压能力强、使用温度高的块孔结构型式[6]。

石墨空气预热器与炼油企业的传统钢制空气预热器有很大不同，为了研究新型石墨空气预热器气-气传热的综合性能，采用模拟软件对石墨空气预热器的换热孔径进行了优化。根据模拟优化结果，自行研制了一台热负荷为32.8 kW空气预热器进行热态试验(见图1)。

图1 新型石墨空气预热器结构示意注：1-烟气出口过渡段；2-连通器；3-空气进口过渡段；4-空气出口过渡段；5-石墨芯体；6-烟气进口过渡段；7-支座；8-壳体

2 新型石墨空气预热器的热态试验

实验装置采用烟气单 回程，空气双回程的结构。试验过程中，改变石墨空气预热器烟气和空气进口流速，在15种不同工况下测量石墨空气预热器进出口的压力和温度，并测量空气预热器壁面温度及散热热流。

2.1 实验条件

(1)换热介质：烟气和空气；燃料：城市管道天然气。

(2)新型石墨空预器设计热负荷为32.8 kW；换热面积为13.18 m2。

(3)鼓风机：全压3 500～3 700 Pa，流量3 800～4 100 m3/h。

(4)风道直径：300 mm；烟道直径：300 mm；烟囱高度：10 m。

2.2 热态试验工艺流程

石墨空气预热器热态试验工艺流程(见图2)。天然气在烟气发生器内与来自1号风机的空气燃烧产生烟气，烟气进入石墨空气预热器的烟气流道，与来自2号风机的空气换热后排向烟囱。来自2号风机的空气进入石墨空气预热器与烟气换热，温度升高后排向大气。来自1号风机的空气通过热风管道进入烟气发生器作助燃及冷却空气。

热态试验过程中，改变石墨空气预热器烟气、空气进口流速，进行15种工况的试验及测试。在每种工况下，石墨空气预热器稳定运行30 min后，记录一次介质进出口的温度和压力，每个工况测量三次，取平均值作为计算值。

图2 石墨空气预热器热态试验工艺流程

3 热态试验结果分析

3.1 石墨空气预热器的阻力特性

石墨空气预热器的阻力特性主要表现在石墨芯体流道孔流速对压力降的影响上，根据工程应用对空气预热器压力的限制，结合空气预热器的阻力特性曲线，考察空气预热器的阻力特性。不同流道孔流速下，烟气侧和空气侧压力降的变化曲线见图3。

从图3可以看出，烟气侧和空气侧的压力降都随气体流道孔流速的增大而逐渐增大，空气侧压力降远大于烟气侧压力降。这是因为阻力的大小与速度的平方成正比，也与流道孔的长度正相关。由于空气的流道孔长度大于烟气流道孔，并且空气流道存在一个U型拐角，增加了一个局部阻力，所以空气侧压力降远大于烟气侧。

图3 气体流道孔流速对压力降的影响

工程应用中，受限于风机的压头，空气侧压力降应小于1 400 Pa，相应流道孔流速小于25 m/s。为了提高空气预热器传热能力，根据烟气侧和空气侧的换热面积，对烟气侧和空气侧的流速进行优化匹配，烟气侧流速应小于20 m/s，对应压力降小于350 Pa。

3.2 石墨空气预热器的传热性能

石墨空气预热器的传热性能主要表现在石墨芯体流道孔流速对换热系数的影响上，根据空气预热器换热系数的变化规律，结合阻力特性曲线考察其传热性能(见图4)。石墨空气预热器的换热系数随着流道孔流速的增大而逐渐增大，这是由于流道孔流速变大，流体湍流强度增加，对流换热增强，换热系数随之提高。然而较大的流道孔流速会产生较大的沿程阻力和局部阻力损失，加大了系统的能耗。因此，换热系数的优化需考虑到空气预热器的阻力特性。

从图4看出，当流速大于25 m/s时，空气预热器的换热系数曲线渐趋于平缓，随流速的增大，换热系数增加较小，而相应的压力降增加较多。结合空气预热器的阻力特性，空气流道孔流速应小于25 m/s，烟气流道孔流速小于20 m/s是比较适宜的，此时，空气预热器换热系数可达到45 W/(m2·K)左右，传热性能优于一般的钢管式空气预热器。

图4 孔流速对换热系数的影响

3.3 石墨空气预热器的耐温性和密封性

烟气余热深度回收温度一般不超过200 ℃，本次热态试验历时两个多月，运行的最高温度达到250 ℃，烟气出口最低温度为80 ℃。试验过程中石墨空气预热器的耐温性能良好，抗冷热伸缩变形及耐腐蚀能力强，没有出现破碎、弯曲、变形和腐蚀等现象。

通过测量石墨空气预热器在运行过程中的壁面温度及散热热流，计算出预热器的散热损失仅为烟气放热量的1.86%，计算预热器壁面散热结果如表1所示。试验过程中石墨空气预热器没有出现吸风、漏气等现象，密封性能良好。

表1 空气预热器表面散热损失 J/s

从热态试验结果可以得出，考虑实际耗能及允许压力降，在适宜的孔内流速范围，新型石墨空气预热器的阻力特性、传热性能、耐温性能及密封性能等均满足加热炉跨越低温腐蚀障碍，深度回收低温烟气余热，长期在露点及更低的温度下运行的要求。

4 结 论

(1)低温露点腐蚀已成为降低排烟温度和提高加热炉热效率的主要障碍。现有空气预热器只能在烟气露点温度附近运行，无法跨越低温腐蚀的障碍。

(2)化学性质稳定、导热性能优良和不宜结垢的不透性石墨材料可以从根本上解决空气预热器低温腐蚀的问题。

(3)热态试验表明，新型石墨空气预热器可以满足加热炉跨越低温腐蚀障碍，深度回收烟气余热，长期在露点温度以下工作的要求。

[1] 李文辉. 炼油装置加热炉节能途径与制约因素[J]. 中外能源，2009,14(10):85-91.

[2] 钱家麟. 管式加热炉[M]. 北京：中国石化出版社，2005:524-525.

[3] 钱余海，李自刚，杨阿娜. 低合金耐硫酸露点腐蚀钢的性能和应用[J]. 特殊钢，2005,26(5)：30-34.

[4] 杜洪建. 耐硫酸露点腐蚀搪瓷空气预热器[J]. 石油化工腐蚀与防护，2007,24(4):38-40.

[5] 宋建波，殷志军. 新型列管式石墨空气预热器在合成氨生产中的应用[J]. 氮肥技术，2006(27):24-25.

[6] 梁若清，冯勇祥，陆木林. 国内外石墨换热器的发展与应用研究[J]. 化工生产与技术，1995(4):24-30.

(编辑 王菁辉)

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。

孙志钦(1963-)，高级工程师，本科，从事节能与燃烧方面工作。E-mail：sunzq.lpec@sinopec.com

中国石油化工股份有限公司科技开发项目,炼油加热炉深度节能技术开发研究(313041)。