采用玻璃平板式空气预热器提升加热炉效率的技术路线探究

陈慧群，张伟乾，李长浩，万大阳

（1.中国石油化工股份有限公司茂名分公司，广东 茂名 525000；2.中国石化工程建设有限公司，北京 100101；3.洛阳瑞昌环境工程有限公司，河南 洛阳 471003）

1 概述

1.1 炼油加热炉热效率提升的意义

在炼油企业中，工艺加热炉是所有装置中的主要耗能设备，其耗能约占所有装置的50%～80%。排烟温度越高，加热炉热损失越大，热效率就越低。提升加热炉热效率，减少燃料消耗量既可以为企业带来可观的经济效益，同时也对节能减排，环境保护有重大意义。

1.2 提升加热炉热效率的传统技术路线

提高加热炉热效率，关键在于科学合理的投入燃料热量，同时降低整个系统的热损失。

（1）提高加热炉炉本体密封性能，减少泄漏点。

（2）合理规划空气及烟气管道，减少管道长度及散热损失。

（3）采用炉内“三维温度场”监测技术，合理控制炉温及燃烧，避免浪费。目前该项技术在国内尚处于摸索阶段，只在中石化茂名分公司乙烯项目中某加热炉进行过试用。

（4）降低烟气排烟温度，提高余热回收负荷。降低排烟温度，充分回收加热炉烟气中的热量，这是提高加热炉效率最直接最有效的方式。目前各炼油企业的加热炉装置普遍都安装有空气预热器，利用高温烟气加热助燃空气，降低排烟温度，提高加热炉效率，以实现节能减排的目的。烟气温度越低，则预热空气吸收热量越多，至燃烧器的助燃风温度就会越高，随着烟气温度降低，烟气中的酸性气体及水蒸气会逐渐冷凝形成冷凝液，气体变成液体的冷凝过程会释放大量的汽化潜热，若这部分汽化潜热被回收，会进一步提升加热炉热效率。

1.3 传统烟气余热回收路线的缺陷

目前已投入工业应用的板式空气预热器大都为金属材质，如铸铁、碳钢、不锈钢等，炼化企业工艺加热炉产生的烟气中，会含有一定量的硫化物；正常工况下全厂脱硫系统也会出现工况波动导致烟气中的硫化物浓度出现波动，随着脱硫设备水平的提高，目前烟气中的硫化物浓度基本都可以降低至20ppm以下，烟气露点温度随之降低至120℃以内。但对于板式换热器来说，在冬季工况下即使保持120℃以上的的排烟温度并不能完全排除冷凝的发生，仍然会遇到酸露点腐蚀情况。尽管板式空气预热器在工业应用过程中也采取了一些防腐措施，如表面搪瓷、通过增设旁路严格控制排烟温度，确保其高于露点温度等，但这些空气预热器还是普遍存在着不同程度的低温露点腐蚀现象。要彻底解决空预器低温腐蚀和粉尘杂物堵塞问题，要么提高排烟温度，牺牲加热炉效率，要么采用新技术或采用特殊材料避免腐蚀和堵塞。

2 降低排烟温度新型技术路线简介

2.1 采用新型空气预热器

非金属材质具有良好的防腐性能，将其用作换热器换热元件可以有效抵抗露点腐蚀。目前已开发出来的产品包括玻璃换热器、石墨换热器、碳化硅材质换热器、四氟材料换热器等。其中玻璃材质的防腐性能已经在诸多场合得到应用，除了氢氟酸之外，玻璃不与其他任何无机酸反应；而炼油行业燃料中一般不含氟元素。目前玻璃工业取得了长足进步，供应商众多且质量可靠，价格低廉，采用玻璃作为换热器板材有利于工业化大规模推广使用。

2.2 低温排烟预热器配套设施的改造技术关键点

（1）为确保低温排烟产生的冷凝液不会对整个加热炉烟气排放系统造成腐蚀损害，需要对烟道、引风机及烟囱进行必要的防腐处理和改进。

（2）参照硫磺回收设备烟囱及烟道的防腐措施，排烟温度低于露点温度的预热器尾端烟道和烟囱内部可施衬耐酸衬里。

（3）烟道衬里表面也可覆盖防冲刷板，并在该板表面涂刷有机防腐漆。

（4）对于空间充足的现场，可将预热器高温段与低温段分开布置，将引风机置于高低温段之间，减少低温排烟对引风机的腐蚀危害。

（5）低温排烟会带来大量的冷凝液，需与预热器配套设置一套污水处理装置，对酸性冷凝水进行预处理。

（6）当现场管道改造工作量比较大时，新增的预热器及连接管道应做详细的CFD仿真分析计算，明确新增及改造管道中的流场分布状态，通过分析结果进行结构优化，避免卡门涡街和湍流抖振情况的发生。同时通过计算模拟确定预热器及管道温度分布，对分布不均匀处进行优化调整。

3 玻璃平板式空气预热器的技术性能及应用分析

3.1 玻璃在工业换热上的应用

近些年，随着炼油工艺及技术的进步，管式结构的换热器易积灰，结构不紧凑，不易清洗，震动隐患大等缺陷暴露的越来越明显，已成为制约其应用的瓶颈。所以在此基础上，为克服管式换热器的缺陷同时保留玻璃防腐性能的优势，新的玻璃平板式空气预热器逐渐研发问世。

图1是洛阳瑞昌环境工程有限公司自主研发的REGLASS玻璃板式换热器（发明专利号：ZL201010595778．3（中）、US20160116233A1（美）、EP2980522A1（欧）），创造性的将平板式特种耐热玻璃应用于换热器设备中，作为主要传热板材，开创了行业先河。玻璃板式空气预热器采用特种耐热玻璃作为主要换热元件，其内部所有支撑和密封材料也都采用性能类似的玻璃白纸或有机材料，结构紧凑，不易积灰，方便清洗，完全保留了玻璃完全防腐的性能优势。

图1 玻璃板式空气预热器

3.2 玻璃板式空气预热器在加热炉余热回收系统上应用的优势

（1）耐腐蚀性能优良。除氢氟酸和强碱外，玻璃几乎不与任何物质发生反应，而目前炼化企业工艺加热炉烟气中主要的酸性物质是含硫及含氮化合物，玻璃板式空气预热器可完全抵抗该类型物质的酸性腐蚀。

（2）流动阻力低。烟气在板间流动相对平缓，阻力降比较低，避免涡街脱落引发的震动。

（3）不易积灰堵塞。平板式换热器因避免了大面积的截流和涡街现象，因此从结构上大大降低了积灰情况的发生。另外一个影响表面积灰的因素是材料表面粗糙度。金属换热元件表面粗糙度一般为50～200μm，而用作换热板的平板玻璃其表面光洁度极高（粗糙度约2～5μm），小于灰尘颗粒直径（10～50μm），烟气中的粉尘很难滞留在玻璃表面，因而最大程度上避免了表面积灰情况的发生。

（4）有效抵抗因脱硫系统事故造成的腐蚀损伤。在事故工况下，炼油厂脱硫系统出现故障，会导致烟气中硫含量瞬间上升至一个非常高的水平，烟气露点温度迅速上升，冷凝液量迅速增大，这会对所有金属材质的空气预热器造成严重损害。但玻璃空气预热器则可以有效抵抗这种事故工况造成的设备腐蚀损伤。

3.3 玻璃板式空气预热器工业应用前景分析

结合玻璃板式空气预热器的主要性能进行分析，我们可以看到若将其投入工业应用，会对现有加热炉余热回收系统造成如下影响。

（1）增加余热回收负荷，提高加热炉效率。

（2）其良好的防腐性能和防震性能，可以有效的提高空气预热器的使用寿命。

（3）其良好的抗积灰性能可以有效缓解预热器在一个检修周期内的性能逐渐下降的问题，克服换热性能随时间衰退而导致的加热炉效率无法提高的问题。

（4）其良好的压降性能使其在改造项目中可以不增加原有风机的运行负荷，起到间接节能的效果。

（5）深度降低加热炉排烟温度，促使烟气中的酸性蒸汽与水蒸气发生部分冷凝，液体冷凝的过程可以自发吸附烟气中大量粉尘和酸性物质，提高烟气洁净度，减少污染物排放。

4 结语

目前，余热回收工艺与玻璃板式空气预热器配套的其他工艺设备（如风机、烟囱和烟道等）的技术水平只能适应高温排烟工况，需要对这些设备进行一定程度的技术改造，才能使整个余热回收系统适应新的低温排烟工艺工况。使用玻璃板式空气预热器，可以有效的降低排烟温度，提升加热炉效率，带来良好的经济效益和环保效益，是今后各炼油企业提升加热炉效率的一个行之有效的措施。