加热炉热管式空气预热器失效原因分析及应对措施

葛玉龙　时国军　葛源清

摘 要 某500 kt/a常减装置的热管式空气预热器运行一年后出现排烟温度大幅升高的情况。检修检查发现高温段热管出现爆管问题，低温段热管出现腐蚀失效现象。分析问题得出，操作温度相对较高、热管内工质的分解及腐蚀、结构缺陷等，是高温段热管爆管的主要原因；垢下腐蚀、露点腐蚀是低温段热管失效的主要原因。通过使用304+玻璃板式空氣预热器，解决了传统空气预热器热管失效、使用寿命相对较短的问题，降低了燃料气用量及CO2、NOx等污染性气体的排放量，提高了加热炉的热效率，延长了空气预热器的使用寿命，值得推广使用。

关键词 板式空气预热器 304+玻璃组合 加热炉 垢下腐蚀 露点腐蚀 积灰

中图分类号 TQ051.5   文献标识码 B   文章编号 0254?6094（2023）02?0267?06

工艺加热炉作为炼油企业中的主要耗能设备，其能耗约占所有装置的50%～80%。排烟温度越高，加热炉热损失越大，热效率就越低。提高加热炉热效率，降低燃料消耗量，可为企业实现挖潜增效增加经济效益，对企业节能减排和环境保护具有重大意义［1～4］。

空气预热器作为炼油化工装置加热炉烟气余热回收装置，利用加热炉排烟余热来预热入炉空气。通过降低加热炉设备的排烟温度，提高入炉空气温度，使燃料易于着火、燃烧稳定，进而提高燃烧效率［5］。增大空气预热器换热面积、降低排烟温度是提升装置效益的重要手段，但常规热管式空气预热器降低排烟温度受低温露点腐蚀限制。笔者介绍某500 kt/a常减装置空气预热器出现的失效问题、失效原因、应对措施及使用效果，为解决同类空气预热器的问题提供借鉴。

1 出现的问题

某500 kt/a常减装置的常压炉、减压炉共用一台热管式空气预热器进行余热回收，换热量为0.90 kW，其余设计参数见表1。

预热器累计运行一年后，排烟温度由开工初期的140 ℃上升到180 ℃，热效率大幅度降低。为查找问题原因，2016年检修期间打开空气预热器，检查热管状态，发现出现高温段热管爆管，低温段热管结垢、堵塞及腐蚀等问题。

1.1 高温段爆管失效

如图1所示，高温烟气入口第1排、第3排分别爆管1根，均位于空气侧顶端，距离装液口约12～20 mm。爆管部位管内粗糙不平，有明显减薄，呈撕裂状，腐蚀形态明显表现为内部介质腐蚀。热管原始厚度3.0 mm，经测量，爆裂处厚度最薄0.1 mm，其余部位厚度在2.3～2.9 mm。

资料介绍，为预防空气预热器热管腐蚀一般采取两种措施：

a. 采用化学预处理或蒸汽预处理方法使热管内表面钝化，形成Fe3O4保护膜；

b. 介质中加入缓蚀剂，在热管内表面形成钝化膜，同时也可以吸收一些反应产生的氢气。

1.2 低温段热管结垢、堵塞、腐蚀

低温段热管翅片间塞满灰白色的厚垢污，腐蚀严重，尤其低温部位第3、4排热管翅片腐蚀产物厚度达2～3 mm，并且用干冰除垢后效果不明显（图2）。通过高压水清洗除垢，在压力较低时仅能清除表面垢物，翅片内部垢物无法完全清理（图3a）。当清垢压力升至80～85 MPa后，内部垢物清理仍然困难，腐蚀的翅片被高压射流打碎，只能靠人工用锯条等工具清理，清理效率极低。清垢后发现原厚度1.2 mm的翅片外部卷曲变形，颜色呈墨绿色，局部仍牢固挂着一层土黄色锈垢（图3b），干燥后呈黑褐色（图3c）。翅片外缘呈刀锋状，参差不齐，局部腐蚀脱落，厚度不足0.3 mm，翅片根部厚度不足0.25 mm，比外部腐蚀严重。

2 失效原因分析

2.1 高温段热管失效原因

高温段热管爆管的原因如下：

a. 操作温度高。爆管位置位于高温烟气入口，温度高达350 ℃，超过碳钢热管使用温度不高于300 ℃的要求，管内的介质压力急剧增加，产生的不凝气体会导致爆管，造成部分热管失效［6，7］。

b. 管内工质冲刷。热管换热原理如图4所示，工质在热管下部被高温烟气加热，吸热汽化为蒸汽，在很微小的压差下，上升到热管的上部与管外空气交换热量后凝结为液体，冷凝液在重力作用下沿管内壁返回下部受热段，然后再次受热汽化，循环往复，连续不断地将热量由烟气侧传向空气侧，介质运行过程中如此往复循环［8］，反复冲刷管壁，尤其是爆管部位冲刷得更严重。当长期使用时，会产生不凝气并聚集在低温段，又因高温段温度过高，以及管内介质腐蚀等诸多因素引起低温段爆管［9］。

c. 管内工质分解及腐蚀。管内腐蚀也是导致热管爆管失效的主要因素。高温段热管管内介质为有机工作介质萘，在高温、高压环境下长期运行，使其理化性能逐步发生改变，介质逐渐分解，分解物与热管本体发生化学反应，导致管内腐蚀，若加入管内的缓蚀剂剂量不够或者防腐蚀条件不达标，同时在温差、杂质等因素的作用下，会加剧管壁腐蚀，引起热管强度下降直至失效。翅片对空气预热器热管有径向加强作用，而爆管位置为空气侧顶端，没有翅片的加强，在温度、应力和介质的共同作用下，腐蚀和材质劣化导致发生爆管问题［10～14］。

2.2 低温腐蚀

2.2.1 硫酸露点腐蚀

在低温烟气环境中，空气预热器后端低温部位容易发生低温积灰腐蚀现象［15］，当空气预热器的排烟温度低于烟气的酸露点时，在其低温受热面上燃料燃烧产生的大量水蒸气和硫酸蒸汽凝结，生成金属硫酸盐，导致管壁腐蚀［16］。

降低排烟温度有利于提高加热炉的热效率，但加热炉的排烟温度并不是越低越好，因燃料气（或燃料油）中的硫一般以H2S的形式存在，燃烧后部分转化为SO2，SO2在铁锈、垢物等的催化作用及烟气中过量氧气的作用下部分转化为SO3，SO3在低温部位受热面上与凝结的水蒸气结合，形成腐蚀性较强的硫酸溶液，腐蚀金属表面［17～19］。

2.2.2 潮湿环境下的垢下腐蚀

形成潮湿环境下的垢下腐蚀的因素主要有3个方面：

a. 燃料燃烧产生大量的水。众所周知，天然气的主要成分为C、H元素，与氧发生反应时，主要生成CO2和水蒸气，经核算，该常压炉理论上1 kg天然气燃烧，产生约1.99 kg H2O（g）及2.50 kg CO2，因此计算该3 Mt/a常压炉燃料在其中燃烧每小时产生约4 t H2O（g），再加上空气中带入的水，水蒸气的量会更大。若空气预热器低温部位达到露点温度，将会产生大量的凝结水。

b. 灰垢。空气预热器的高温段一般不会积灰，即使积灰也是干灰，气流的湍流状态会将其清理干净。而其低温段排烟温度低于烟气露点温度导致大量气态水凝结，可能出现露点湿态积灰。另外，燃料气非常洁净时，烟气露点温度低于水的饱和蒸汽压，会产生明水。随着运行时间的延长，燃料不完全燃烧产生的有机颗粒物、助燃空气带入炉内的灰尘、衬里脱落颗粒等在热管翅片部位受到碰撞速度变慢，在管壁及翅片部位发生积灰，积灰导致热管的传热性能下降，受热面温度因此降低。明水使变黏的灰垢粘附在预热器低温翅片管上。气流的自清灰能力无法清除湿灰垢，随着时间的延长，灰垢逐渐变厚，堵塞预热器流道，烟气压降增大，换热效率降低［20～22］。

c. 氧。加熱炉一般为燃料过氧燃烧，通常对流室顶部烟气中的氧含量为，燃气加热炉控制在2%～4%，燃油加热炉控制在2%～5%，再加上进出加热炉管道、人孔、看火孔、防爆门、对流室检修挡板以及风机法兰等静密封点存在漏风现象，氧含量可能更高。湿态的灰垢在热管的低温部位积聚，形成致密的湿态垢物，垢物内部氧气进不去，垢物外部氧含量在2%～5%，形成氧浓度差，产生严重的垢下腐蚀［23］。企业技术人员现场清洗低温热管时，发现翅片根部的腐蚀情况比顶部的更严重，有力证明了垢下腐蚀的存在（图3b）。

同时，经分析可知还可能存在低温潮湿环境下的细菌腐蚀。

3 处理措施及效果

3.1 处理措施

鉴于传统热管式空气预热器因存在高温爆管、低温结垢腐蚀、介质易析氢失效［24］、密封不严烟气侧窜空气等问题，导致每年检修拆装清理、更换热管，检维修费用过高，热效率偏低。

2016年装置检修期间，将传统热管式空气预热器整体更换为304+玻璃组合板式空气预热器，高温段为304不锈钢，低温段为专用玻璃，换热量为1.1 kW，其余设计参数见表2。

对304+玻璃组合板式空气预热器与传统热管式空气预热器进行对比，结果列于表3。

3.2 应用效果

304+玻璃组合板式空气预热器投用后，排烟温度下降到103 ℃，运行3年排烟温度仍然未变，运行3年检修时，拆装空气预热器检修孔，检查低温部位玻璃板几乎无垢，表面仅有轻微的白色垢物痕迹（图5a）；壳体底部几乎无垢物，仅有少量可见的黄色颗粒物（图5b）。而检修更换前运行仅1年的传统热管式空气预热器底部积存大量黄色垢物（图5c）。

更换304+玻璃组合板式空气预热器前后空气预热器运行参数对比见表4。结合上述分析可以看出，304+玻璃组合板式空气预热器较传统热管式空气预热器杜绝了漏风环节，使用初期热效率提升1.91%、末期提升3.80%，且运行时间长，基本不结垢，无露点腐蚀问题。经热力计算可知节省了燃料用量，CO2、NOx排放量降低约20%～30%，节能、环保效果突出［29］。

4 结论

4.1 操作温度相对较高、工质分解及腐蚀、结构缺陷等原因是传统热管式空气预热器高温段爆管的主要原因；垢下腐蚀、露点腐蚀是低温段热管失效的主要原因。

4.2 更换304+玻璃组合板式空气预热器，解决了传统热管式空气预热器高温段热管爆管、低温段热管腐蚀问题，且降低了燃料气用量及CO2、NOx等污染性气体的排放量，提高了加热炉热效率，延长了空气预热器使用寿命，值得在炼化企业推广使用。

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（收稿日期：2022-09-30，修回日期：2023-02-13）

作者简介：葛玉龙（1974-），高级工程师，从事腐蚀防护及加热炉节能降耗，设备预防性维护，项目及检维修管理工作，geyl@cnooc.com.cn。

引用本文：葛玉龙，时国军，葛源清.加热炉热管式空气预热器失效原因分析及应对措施［J］.化工机械，2023，50（2）：267-272.