周麗純 汪李勝 顏祥富 錢志昂

作者通聯(lián)：周麗純 長嶺設(shè)備研究所有限公司 湖南岳陽市 414012

E-mail：sbszlc@sohu.com

一、概述

中石化上海高橋分公司的800×104t/a常減壓裝置于2002年8月份正式投產(chǎn)，是當(dāng)時最大常減壓裝置之一。為了使?fàn)t子熱效率提高到92%，2007年采用了國內(nèi)領(lǐng)先水平的新技術(shù)、新設(shè)備、新材料，對該加熱爐進(jìn)行技術(shù)改造，使之成為中國石化股份公司煉油示范加熱爐之一。長嶺設(shè)備研究所有限公司的長效鋼水熱管作為一種新技術(shù)，在改造中進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。

隨著能源的日趨緊張，節(jié)能顯得尤為重要。熱管預(yù)熱器作為一種高效節(jié)能設(shè)備，因其具有體積小、換熱能力大、阻力小、可靠性高、維護(hù)簡單、拆裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，受到用戶的普遍關(guān)注。然而，由鋼水化學(xué)不相容性導(dǎo)致熱管的工作壽命不長、傳熱性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象仍然存在。盡管在生產(chǎn)工藝流程及工質(zhì)的配方研究對此有所考慮，但在實(shí)際的應(yīng)用中仍顯得不足，相當(dāng)多的鋼水熱管的工作壽命都在兩年左右，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)有生產(chǎn)周期的要求。

近幾年，從對需要修復(fù)熱管的檢查情況看，因管外腐蝕穿孔造成熱管失效的僅占熱管總量的5%左右，大部分都是由于管內(nèi)腐蝕產(chǎn)生不凝氣體引起的失效。這些失效的熱管，在進(jìn)行切割時，不凝氣體均會產(chǎn)生燃燒，個別臺位的熱管甚至產(chǎn)生爆燃，燃燒時間可持續(xù)1min左右，說明管內(nèi)存在大量不凝氣體（H2）。公司在2003年自主開發(fā)研究出熱管在線氧化除氫技術(shù)，并用該技術(shù)對中石化近20家企業(yè)的60余臺爐子的熱管進(jìn)行了更新或修復(fù),取得了很好的節(jié)能效果，且使用壽命大幅延長。

二、熱管失效分析及長效鋼水熱管的技術(shù)特性

1.失效分析

由于管材與工質(zhì)的化學(xué)不相容性，使得鋼水熱管內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不凝氣體氫氣。氫氣越多，換熱效果越不好，積聚到一定程度可以使熱管完全失效，喪失傳熱功能。熱管中管壁發(fā)生腐蝕產(chǎn)生氫氣的原因有以下兩方面：

（1）化學(xué)腐蝕。熱管長時間在較高溫度下工作，鋼水會發(fā)生

化學(xué)反應(yīng)，過程如下：

反應(yīng)的結(jié)果使管壁發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生FeO、Fe2O3和Fe3O4，同時產(chǎn)生一定量的不凝氣體氫氣。上述氧化膜除Fe3O4外，其余兩種氧化層不能阻止水的侵入，仍要與鐵繼續(xù)反應(yīng)，生成氫氣。

（2）電化學(xué)腐蝕。在鋼水熱管內(nèi)，鐵、雜質(zhì)和水構(gòu)成一種原電池。其中，鐵為陽極，雜質(zhì)為陰極。雜質(zhì)一般為FeC3、石墨等，為碳鋼與水中所含。水的電離度雖小，但仍有少量的OH-和H+離子生成。管內(nèi)主要的電化學(xué)反應(yīng)過程如下：

可見H+得到兩個電子的產(chǎn)物是H2，F(xiàn)e（OH）2分解后得到的也有H2。在高溫有水的條件下這種反應(yīng)進(jìn)行得很快，所以，普遍認(rèn)為這是導(dǎo)致碳鋼與水不相容的主要原因。

2.長效鋼水熱管的技術(shù)特性

公司生產(chǎn)的長效鋼水熱管的核心技術(shù)是：在熱管管內(nèi)采用新型不凝氣消除技術(shù)，使熱管運(yùn)行過程中產(chǎn)生的不凝氣在線轉(zhuǎn)化成熱管工質(zhì)相似的物質(zhì)，從而避免了熱管運(yùn)行過程中不凝氣的積聚，確保熱管高效長周期運(yùn)行。主要特點(diǎn)是：

（1）常溫下即可反應(yīng)，比國外相關(guān)報道的反應(yīng)溫度76℃有較大降低，使得中低溫條件下的除氫成為可能。

（2）可高效、長周期運(yùn)行，有效使用壽命延長1倍以上。

在線除氫技術(shù)所使用的氧化除氫劑是由電極電位為正值的多種氧化劑復(fù)合而成。其反應(yīng)機(jī)理為氧化還原反應(yīng)。為使氧化除氫反應(yīng)速度快、起始溫度低，采用了催化反應(yīng)及吸附機(jī)理技術(shù)，這些技術(shù)的引進(jìn)與氧化劑復(fù)合配方優(yōu)化幾方面的良好結(jié)合，最終獲得了熱管內(nèi)在線快速除氫氧化劑，其反應(yīng)速度提高數(shù)倍，反應(yīng)溫度降至常溫。反應(yīng)后產(chǎn)物無毒、無腐蝕，能與管壁和工質(zhì)很好相容。鋼水熱管由于鋼水不相容導(dǎo)致熱管傳熱性能失效，使用壽命短的問題得到了解決。

從強(qiáng)化試驗(yàn)所獲得的紅外熱像圖像看，新型長效熱管的鋼水等溫性能極好，整個試驗(yàn)過程均無不凝氣聚積區(qū)，而普通熱管有明顯的低溫區(qū)，即不凝氣聚積區(qū)，說明該氧化除氫劑對不凝氣有很好的去除效果。

三、上海高橋示范爐應(yīng)用情況

1.修復(fù)前熱管檢查情況

修復(fù)前熱管結(jié)垢及腐蝕非常嚴(yán)重。其中有的熱管從中間腐蝕斷裂，有的熱端底部堵頭腐蝕掉落，還有的基管局部腐蝕穿孔，近200余支熱管翅片因腐蝕而明顯減薄，整批熱管經(jīng)檢查傳熱性能失效。

2.應(yīng)用效果

從表1測試情況看，預(yù)熱器運(yùn)行情況良好，排煙溫度較改造前降低56℃，多回收的熱量相當(dāng)于年減少燃料耗量1700t左右，預(yù)熱器部分投資改造回收期不到1年，節(jié)能效果明顯。

3.存在問題

（1）該臺位改造時因場地問題未設(shè)置空氣旁路，在冬天氣溫較低時排煙溫度過低易造成低溫露點(diǎn)腐蝕，應(yīng)盡可能想辦法增設(shè)空氣旁路或前置預(yù)熱器，通過調(diào)節(jié)冷風(fēng)量，合理控制排煙溫度，有效控制低溫露點(diǎn)腐蝕。

（2）熱管結(jié)垢非常嚴(yán)重，說明燃料硫含量較高，建議對燃料采取脫硫措施并定期進(jìn)行露點(diǎn)監(jiān)測。

四、結(jié)語

新型長效鋼水熱管在示范爐中得到了很好的應(yīng)用，始終處于高效運(yùn)行狀態(tài)，余熱回收穩(wěn)定，爐效率高，可以減少燃料耗量；另一方面，使用壽命較普通熱管大幅提高，可最大限度的滿足各不同開工周期的要求，因此，真正起到節(jié)能、降本雙重增效作用，大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行成本。

表1 改造前、后測試數(shù)據(jù)對比