郝建峰,薛 飞

(1. 中国石油化工股份有限公司石家庄炼化分公司，河北 石家庄 052160； 2. 上海孚旺炉业有限公司，上海 201824)

中国石油化工股份有限公司石家庄炼化分公司S Zorb装置设置加热炉(F-101)1台，设计负荷为10.86 MW；设置落地余热回收系统1套，预热器为热管式空气预热器，设计排烟温度为120 ℃。该装置实际运行时加热炉排烟温度为130 ℃，燃料热效率为91.5%。在正常工况下，加热炉对流室出口烟气温度在330～340 ℃；短期操作工况下，加热炉对流室出口烟气温度为400 ℃。热管式预热器设计和运行参数见表1。

表1 热管式空气预热器设计和运行参数

1 现有余热回收系统预热器问题分析

1.1 内漏明显

依据热管式空气预热器烟气出入口的氧含量可推算出热管式空气预热器存在非常大的内漏问题，漏风率为5%。分析产生内漏的原因如下：

1) 中间隔板孔密封不严密产生的泄漏。热管式空气预热器是靠中间隔板将烟气和空气隔开的，同时中间隔板也起到支撑热管的作用，由于热管需要穿过中间隔板，且在隔板处无法做到完全密封，因此在空气管程为正压，烟气管程为负压的情况下，空气会向烟气侧泄漏。

2) 露点腐蚀加剧了泄漏。在环境温度较低且燃料含硫的情况下，热管式空气预热器低温区的中间隔板烟气侧会由于其壁温低于烟气露点温度而产生低温露点腐蚀，加剧空气向烟气侧泄漏。

1.2 换热面积不足

从表1中热管式空气预热器实际运行参数值不难看出，热管式空气预热器无法满足设计目标值，换热面积存在不足。分析原因如下：

1) 爆管造成热管失效导致换热面积不足。根据装置工艺需求，S Zorb加热炉存在短期排烟温度(对流室出口)为400 ℃的工况，而一般钢-水热管仅适用于烟气入口温度低于340 ℃的换热设备，因此在对流室出口烟气温度高于340 ℃ 的工况下，会造成热管爆管导致换热面积下降。

2) 露点腐蚀造成热管失效导致换热面积不足。在环境温度较低且燃料含硫的情况下，热管式空气预热器低温区的烟气侧热管管壁温度低于烟气露点温度，从而产生低温露点腐蚀，造成热管穿孔腐蚀失效导致换热面积下降。

1.3 潜在隐患

在冬季环境温度较低的情况下，热管式空气预热器金属低温区会低于露点温度【1】，此时有含H2SO4和H2SO3的酸性冷凝水凝结析出，在烟气引风机抽力的作用下，烟气中凝结出含有H2SO4和H2SO3的酸性雾滴会进入到烟气引风机中，并受风机叶轮离心力的作用被甩到叶轮和壳体上，在长期操作情况下会造成风机叶轮和壳体的腐蚀，从而导致烟气引风机漏风、效率降低，严重时可能导致停车。

2 改造方案

为了解决S Zorb装置加热炉余热回收系统预热器存在的问题，提高加热炉热效率，保证该装置加热炉安全、稳定、高效运行，于2017年9月利用装置大检修期间，对S Zorb装置加热炉余热回收系统预热器进行了改造。

2.1 技术路线

更换原有热管式空气预热器为碳钢板式空气预热器；同时，在烟气引风机的下游增设1台低温FAE烟气空气换热器。将现有的一级换热余热回收系统(系统流程见图1)改造为两级换热余热回收系统。改造后余热回收系统流程见图2。

图1 改造前烟气余热回收系统示意

2.2 改造后烟气余热回收系统流程简述

1) 冷空气由鼓风机先送入FAE换热器，经过与烟气引风机出来的190 ℃中温烟气换热至120 ℃后，进入碳钢板式预热器与从加热炉对流室出口烟道来的330～340 ℃高温烟气换热，最后进入炉底燃烧器供燃料燃烧使用。

2) 高温烟气从加热炉对流室出口出来后先进入碳钢板式预热器，与FAE换热器来的中温空气换热降到190 ℃，然后通过烟气引风机送入FAE换热器，与由鼓风机来的冷空气换热降到≤100 ℃，最后由FAE换热器出来进入加热炉顶部烟囱排入大气。

图2 改造后烟气余热回收系统布置

3) 设置空气旁路。在实际运行过程中，通过调节空气旁路，碳钢板式预热器的烟气出口温度可控制在190 ℃；而且进入碳钢板式预热器的空气温度120 ℃，碳钢预热器冷端传热元件的壁温155 ℃，远高于烟气露点温度，避免了碳钢板式预热器发生露点腐蚀。

4) 设置烟气旁路。在实际运行过程中，通过打开烟气旁路挡板和FAE换热器空气旁路挡板，关闭FAE换热器烟气进出口挡板，实现FAE换热器从余热回收系统中切出。

2.3 技术特点

1) 采用耐露点腐蚀的低温FAE烟气空气换热器回收烟气低温余热，避免了低温露点腐蚀的弊端，有效降低了加热炉的排烟温度，提高了加热炉的热效率。

2) 采用两级换热余热回收系统，提高了碳钢板式空气预热器的烟气出口温度和空气入口温度，从而使碳钢板式空气预热器和烟气引风机避免了低温露点腐蚀的影响，提高了设备使用寿命。

3) 加热炉热效率的有效提高，在节省燃料消耗的同时，减少了排入大气的烟气量，从而使排入大气中的CO2、NOx、SO2和烟尘颗粒物的排放也得到减少。

4) 排烟温度降低至100 ℃以下后，烟气中水蒸气会有部分冷凝，冷凝成液滴的水蒸气在低温FAE烟气空气换热器底部的排凝口排出，对烟气产生了一定的净化作用。

5) 组合式低温FAE烟气空气换热器的阻力降较原热管预热器低，可在不更换风机的情况下进行改造，降低了改造成本。

3 低温FAE烟气空气换热器的特点

低温FAE烟气空气换热器是以宽流道板式空气换热器【2】为基础，经过对材料和连接形式等方面进行改良和创新而形成的一种新型耐低温露点腐蚀的烟气空气换热器。因此，低温FAE烟气空气换热器具有板式空气预热器的所有优点，如传热性能高、阻力降低、不易积灰、结构紧凑度高等。FAE烟气空气换热器示意见图3。

图3 低温FAE烟气空气换热器

3.1 低温FAE换热器主要优点

1) 抗露点腐蚀性能好。FAE换热器的换热板采用的是复合板。复合板的复合层为非金属纳米材料，其抗烟气酸露点腐蚀性能可以与玻璃媲美。同时，与烟气接触的金属内表面设置有防腐层，采用喷涂的方式喷涂于金属表面，避免烟气冷凝液对设备壳体造成腐蚀。关于复合板的几点说明如下：

a) 复合板基板根据换热模块工作的温度区间可选择为不锈钢、ND钢或碳钢；

b) 露点腐蚀产生在烟气侧，因此复合层只需喷涂于烟气侧；

c) 复合层材料的主要成分为Al2O3、SiC。

2) 结构紧凑、组合多变，便于运输和安装。FAE换热器是由多组换热板管组成换热芯体，再由多个换热芯体组成整体换热模块，可根据改造现场和运输限制的需求进行随意组合。

3) 密封性能好。换热模块采用栓铆胶的形式进行冷态组装(铆胶接形式见图4)。采用耐高温耐腐蚀的密封胶(温度使用范围-40～280 ℃，长期使用温度≯220 ℃)做为密封材料进行有效密封，可使FAE换热器在换热板间压差达到10 kPa 时的泄漏率小于0.5%。

图4 复合板铆胶接形式

4) 传热系数高。换热板复合层材料的导热系数高于碳钢的导热系数，因此FAE换热器的传热系数不低于常规板式预热器的的传热系数。

5) 设置有水冲洗设备和排凝口，可进行在线(系统正常运行状态下)不定期清洗和排放烟气冷凝液。

6) 使用寿命长。在设计工况下，FAE换热器的使用寿命不低于6年。

3.2 改造效果

S Zorb装置加热炉余热回收系统改造于2017年9月底完成并投入运行，至今已连续稳定运行约15个月。期间对改造后的S Zorb装置加热炉余热回收系统进行了标定测试。改造后S Zorb加热炉余热回收系统运行数据见表2。

4 改造后经济和社会效益

改造后S Zorb装置加热炉燃料热效率由9.15%提高到94.3%，在满负荷工况下按年运行8 000 h 计算，每年可节省燃料276 t，减少烟气排放4 568 t，减少CO2排放398 t。

经核算，每年节省燃料可产生约82.8万元的经济效益，投资回收期不到2年。

表2 改造后S Zorb加热炉余热回收系统运行数据

4.2 改造后的不足

实际运行时，碳钢板式预热器烟气出口的温度为202 ℃，而FAE换热器烟气入口温度为186.5 ℃，温差约15 ℃，烟道散热损失较大，加热炉实际燃料热效率约为93.3%。应考虑增加保温层厚度减少该部分的散热损失。

5 结语

S Zorb装置加热炉余热回收系统采用组合式FAE烟气空气换热器进行改造，解决了原有加热炉余热回收系统存在的问题，改造后的余热回收系统运行至今情况良好，且无内漏、腐蚀等问题发生。

改造后的系统不仅提高了加热炉热效率，而且产生了可观的经济效益；同时，减少了烟气及其所含有的污染物的排放，为国家环保新标排放要求做出了一定的贡献。

组合式FAE烟气空气换热器的优势说明其不仅能应用于旧炉改造，也可应用于新装置建设中，为石化加热炉深度节能减排提供了参考。