新型石墨空气预热器的开发及应用*

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的开发及应用*

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)

低温露点腐蚀已成为降低排烟温度、提高加热炉热效率的主要障碍，炼油企业现有的空气预热器在露点温度以下运行很快就会失效，无法进一步回收烟气余热。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。利用软件分析及试验优化，开发了新型石墨空气预热器，其换热性能优于一般的钢管式换热器。在中石化某分公司600 kt/a重整加热炉进行了工业试验，新型石墨空气预热器安全稳定运行1 a，加热炉排烟温度由138.9 ℃降低至93 ℃，解决了低温腐蚀问题，使加热炉热效率提高两个百分点，达到94.2%以上，投资回收期仅为6.2个月，具有广阔的应用前景。

低温露点腐蚀 烟气余热 不透性石墨 石墨空气预热器

加热炉是炼油企业的主要耗能设备，能耗占炼油综合能耗的30%～40%。提高加热炉的效率一直是炼油企业节能工作的重点，其中采用空气预热器回收烟气低温余热，降低加热炉排烟温度是最主流的节能手段[1]。

目前炼油企业加热炉热效率为90%～92%，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，空气预热器会产生露点腐蚀，已成为炼油企业提高加热炉热效率急待解决的难题。

1 低温露点腐蚀的机理

一般燃料油或燃料气中均含有少量的硫，硫燃烧后全部生成SO2。由于燃烧室中有过量的氧气存在，所以又有少量的SO2进一步再与氧化合形成SO3。在通常的过剩空气系数条件下，全部SO2中约有1%～3%转化为SO3[2]。在高温烟气中的SO3气体不腐蚀金属，但当烟气温度降到400 ℃以下，SO3将与水蒸气化合生成硫酸蒸气，温度越低，SO3的转化率越高。只要烟气中有超过8%的水分，在烟气温度降到205 ℃时，几乎99%的SO3转化为硫酸蒸汽[3]。

随着烟气温度降低，当温度降低到硫酸露点温度(一般为110～160 ℃)时，硫酸蒸汽就会在加热炉尾部受热面凝结成硫酸液体，发生低温露点腐蚀，使加热炉尾端换热设备积灰堵塞甚至腐蚀穿孔[4]。

2 空气预热器低温露点腐蚀解决措施现状

ND钢(耐硫酸低温露点腐蚀用钢)、铸铁是炼油企业目前应用较多的耐低温腐蚀金属。耐低温腐蚀的原理是在露点温度附近，硫酸质量分数85%左右时，在金属表面形成了一层致密且与基体金属黏附性好的钝化膜，阻止了酸和水向钢铁基体的渗入，保护了锈层下面的基体[5]。但耐低温腐蚀钢只能保证空气预热器在露点温度附近工作，当烟气温度低于露点温度，这些钢铁材料就无法抵御烟气的低温露点腐蚀，使用寿命就会大大缩短。进入露点温度的ND钢，其使用寿命均在半年左右，到目前为止还没有找出一种可以有效抗低温露点腐蚀的低合金钢[6]。

在空气预热器低温段的金属外表面涂上非金属的防腐层是使用非金属材料的一种方式，比如在热管式空气预热器、板式空气预热器的低温段涂上搪瓷、陶瓷、塑料等。尽管非金属材料的耐低温腐蚀性能好，但材料与金属管材的膨胀系数存在差异，易出现开裂剥落，而且整个低温段尤其是细密的部分容易有微小部位没有覆盖上涂层，易失去抵抗低温露点腐蚀的能力[7]。

3 新型石墨空气预热器

3.1 不透性石墨

不透性石墨是一种由人造石墨及合成树脂通过浸渍、压制、浇铸等方法制成的新型材料。它具有优良的化学稳定性，对大部分化学介质耐腐蚀,常温下导热系数为100～110 W/(m·K)，与铜、铝相仿，是普通碳钢2.5倍以上;机械强度高，能够承受2 MPa以上的压力;与大多数介质之间的“亲和力”极小，表面不易结垢[8]。这些优良的特性，保证了由其制成的空气预热器可以跨越烟气低温腐蚀的障碍，在露点及更低的温度下工作。

3.2 新型石墨空气预热器的研究

石墨制成的新型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，并与强酸、强碱行业处理气-液、液-液换热的石墨换热器不同。借鉴石墨换热器在其他行业的应用经验，选取了承压能力强、使用温度高的块孔式作为新型石墨空气预热器的结构型式[9]。在研制阶段利用CFX(一个内部流动分析的数值模拟软件)对石墨空气预热器的换热流道直径、长度、排列方式、数量等进行了优化，从技术经济的角度选出石墨空气预热器的最优结构.

根据CFX优化结果设计了一台热负荷为32.8 kW空气预热器进行热态试验,对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进行了研究.热态试验研究表明，在适宜的孔内流速范围，空气预热器的传热性能优于一般的钢管式空气预热器。石墨空气预热器的综合性能可以满足加热炉跨越低温腐蚀障碍，深度回收低温烟气余热的要求。

4 新型石墨空气预热器的工业试验

通过数值模拟优化、热态试验研究掌握了新型石墨空气预热器的传热、阻力和耐温等性能，研制了一台工业用的石墨空气预热器，在中石化某分公司600 kt/a连续重整装置3台圆筒炉联合余热回收系统上进行了工业试验。连续重整装置的空气预热器采用两段组合式，高温段为热管，低温段为搪瓷列管。由于燃料气硫含量较高，低温段搪瓷管腐蚀较为严重，出现腐蚀穿孔，空气串入烟气，空气预热器处于带病运行，实际热效率只有91%左右。工业试验为了减少改造工程量，保持高温段热管不变，利用现有余热回收装置中的搪瓷管段位置安装新型石墨空气预热器试验装置。

4.1 石墨空气预热器工业试验流程

石墨空气预热器工业试验流程见图1。重整加热炉烟气进入空气预热器的温度为300 ℃，经过高温段热管空气预热器与空气换热后，温度降低到150 ℃左右进入低温段石墨空气预热器试验，在石墨空预器中与常温空气进行换热，烟气温度由150 ℃再降至95 ℃左右后排至烟囱。来自鼓风机的常温空气在石墨空气预热器中被加热至70 ℃左右，再进入空气预热器高温段被继续加热至220 ℃，最后进入加热炉热风系统。

图1 石墨空气预热器工业试验流程

4.2 工业应用试验

工业试验前，对进出600 kt/a连续重整装置加热炉原余热回收系统的物流参数进行了测量。新型石墨空气预热器替换原搪瓷管空气预热器，加热炉正常运行半年后，对该装置预热回收系统的进出口物流参数又进行了测量。通过与工业试验前的数据进行分析比较，研究新型石墨空气预热器的性能。工业试验前后，加热炉测试数据见表1。

表1 工业试验前后加热炉测试数据

4.3 工业试验结果分析

新型石墨空气预热器在600 kt/a连续重整装置加热炉装置上已平稳运行一年有余，未出现任何腐蚀、弯曲、破碎、变形等现象，空气预热器的耐腐蚀和耐温性能良好。经计算，石墨空气预热器的散热损失仅为传热量的0.13%，运行过程中没有吸风和漏气等现象，密封性能良好。传热性能优于一般钢管式空气预热器。

重整加热炉应用新型石墨空气预热器后排烟温度降低为93.0 ℃，热效率从91.13%提高到了94.02%，多回收热量0.672 MW。以炼油厂燃料气热值42 555 kJ/m3计算，每小时节约燃料气56.8 m3，每年可节约燃料气45.45×104m3(以年运行8 000 h计算)，投资回收期6.2个月。

新型石墨空气预热器具有优良的传热能力和耐酸腐蚀性能，能够跨越烟气低温腐蚀障碍，可以在露点温度甚至更低的温度下安全运行，具有良好的应用前景。

5 结 论

空气预热器的低温露点腐蚀问题已成为进一步降低排烟温度，提高加热炉热效率的主要障碍，尽管现有的空气预热器能在一定程度上解决低温腐蚀的问题，但在实际运行过程中，会出现各种问题，尤其在露点温度以下失效更快。

不透性石墨制成的新型空气预热器具有良好的传热、耐温、防腐等性能，可以提高加热炉热效率两个百分点，并能在露点温度甚至更低的温度下安全运行。解决了低温腐蚀的问题，投资回收期6.2个月，具有广阔的应用前景。

[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] JAWOROWSKI R J，MACK S S.Evaluation of methods for measurement of SO3-H2SO4in flue-gas[J].Journal of the air pollution control association，1979,29(1):43-46.

[4] 何奋彪.空气预热器烟气露点腐蚀及处理[J].科技创新与应用，2013(5):86.

[5] 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.

[6] 姜元庆.加热炉空气预热器腐蚀原因分析[J].石油化工设备，2013,42(4):84-87.

[7] 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.

[8] 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(4):24-25.

[9] 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)

Development and Application of a New Type of Graphite Air Preheater

SunZhiqin,LiJiuchong,GaoXiaohong

(SEGLuoyangR&DCenterofTechnology,Luoyang471003,China)

Low-temperature dew point corrosion has become the main obstacle to reduce the exhaust gas temperature and increase the heat efficiency of the heating furnace. The existing air preheaters in the petroleum refineries will fail under the operation at dew point temperature, which makes it impossible to recover the waste heat from flue gas. Impervious graphite has strong corrosion resistance, high thermal conductivity and non-fouling performance, which is especially suitable for recovering the waste heat from the flue gas below dew point temperature. A new type graphite air preheater has been successfully developed by software analysis, tests and optimization, whose performances are superior to those of steel heat exchangers. In the commercial test in a 600,000 TPY catalytic reforming unit, the new graphite air preheater has been running safely and stably for one year without low-temperature corrosion. The flue gas emission temperature of the heater is reduced to 93 ℃ from 138.9 ℃, and thermal efficiency of the heater is raised by 2.0%, which is over 94.2%. The return of investment is only 6.2 months.

low temperature dew point corrosion, flue gas waste heat, Impervious graphite，a new type graphite air preheater

2016-04-25；修改稿收到日期：2016-05-26。

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

中国石油化工集团公司科研项目(313041)。