葛玉龍　時國軍　葛源清

摘 要 某500 kt/a常減裝置的熱管式空氣預(yù)熱器運行一年后出現(xiàn)排煙溫度大幅升高的情況。檢修檢查發(fā)現(xiàn)高溫段熱管出現(xiàn)爆管問題，低溫段熱管出現(xiàn)腐蝕失效現(xiàn)象。分析問題得出，操作溫度相對較高、熱管內(nèi)工質(zhì)的分解及腐蝕、結(jié)構(gòu)缺陷等，是高溫段熱管爆管的主要原因；垢下腐蝕、露點腐蝕是低溫段熱管失效的主要原因。通過使用304+玻璃板式空氣預(yù)熱器，解決了傳統(tǒng)空氣預(yù)熱器熱管失效、使用壽命相對較短的問題，降低了燃料氣用量及CO2、NOx等污染性氣體的排放量，提高了加熱爐的熱效率，延長了空氣預(yù)熱器的使用壽命，值得推廣使用。

關(guān)鍵詞 板式空氣預(yù)熱器 304+玻璃組合 加熱爐 垢下腐蝕 露點腐蝕 積灰

中圖分類號 TQ051.5? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B? ?文章編號 0254?6094（2023）02?0267?06

工藝加熱爐作為煉油企業(yè)中的主要耗能設(shè)備，其能耗約占所有裝置的50%～80%。排煙溫度越高，加熱爐熱損失越大，熱效率就越低。提高加熱爐熱效率，降低燃料消耗量，可為企業(yè)實現(xiàn)挖潛增效增加經(jīng)濟效益，對企業(yè)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)具有重大意義［1～4］。

空氣預(yù)熱器作為煉油化工裝置加熱爐煙氣余熱回收裝置，利用加熱爐排煙余熱來預(yù)熱入爐空氣。通過降低加熱爐設(shè)備的排煙溫度，提高入爐空氣溫度，使燃料易于著火、燃燒穩(wěn)定，進(jìn)而提高燃燒效率［5］。增大空氣預(yù)熱器換熱面積、降低排煙溫度是提升裝置效益的重要手段，但常規(guī)熱管式空氣預(yù)熱器降低排煙溫度受低溫露點腐蝕限制。筆者介紹某500 kt/a常減裝置空氣預(yù)熱器出現(xiàn)的失效問題、失效原因、應(yīng)對措施及使用效果，為解決同類空氣預(yù)熱器的問題提供借鑒。

1 出現(xiàn)的問題

某500 kt/a常減裝置的常壓爐、減壓爐共用一臺熱管式空氣預(yù)熱器進(jìn)行余熱回收，換熱量為0.90 kW，其余設(shè)計參數(shù)見表1。

預(yù)熱器累計運行一年后，排煙溫度由開工初期的140 ℃上升到180 ℃，熱效率大幅度降低。為查找問題原因，2016年檢修期間打開空氣預(yù)熱器，檢查熱管狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)高溫段熱管爆管，低溫段熱管結(jié)垢、堵塞及腐蝕等問題。

1.1 高溫段爆管失效

如圖1所示，高溫?zé)煔馊肟诘?排、第3排分別爆管1根，均位于空氣側(cè)頂端，距離裝液口約12～20 mm。爆管部位管內(nèi)粗糙不平，有明顯減薄，呈撕裂狀，腐蝕形態(tài)明顯表現(xiàn)為內(nèi)部介質(zhì)腐蝕。熱管原始厚度3.0 mm，經(jīng)測量，爆裂處厚度最薄0.1 mm，其余部位厚度在2.3～2.9 mm。

資料介紹，為預(yù)防空氣預(yù)熱器熱管腐蝕一般采取兩種措施：

a. 采用化學(xué)預(yù)處理或蒸汽預(yù)處理方法使熱管內(nèi)表面鈍化，形成Fe3O4保護(hù)膜；

b. 介質(zhì)中加入緩蝕劑，在熱管內(nèi)表面形成鈍化膜，同時也可以吸收一些反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣。

1.2 低溫段熱管結(jié)垢、堵塞、腐蝕

低溫段熱管翅片間塞滿灰白色的厚垢污，腐蝕嚴(yán)重，尤其低溫部位第3、4排熱管翅片腐蝕產(chǎn)物厚度達(dá)2～3 mm，并且用干冰除垢后效果不明顯（圖2）。通過高壓水清洗除垢，在壓力較低時僅能清除表面垢物，翅片內(nèi)部垢物無法完全清理（圖3a）。當(dāng)清垢壓力升至80～85 MPa后，內(nèi)部垢物清理仍然困難，腐蝕的翅片被高壓射流打碎，只能靠人工用鋸條等工具清理，清理效率極低。清垢后發(fā)現(xiàn)原厚度1.2 mm的翅片外部卷曲變形，顏色呈墨綠色，局部仍牢固掛著一層土黃色銹垢（圖3b），干燥后呈黑褐色（圖3c）。翅片外緣呈刀鋒狀，參差不齊，局部腐蝕脫落，厚度不足0.3 mm，翅片根部厚度不足0.25 mm，比外部腐蝕嚴(yán)重。

2 失效原因分析

2.1 高溫段熱管失效原因

高溫段熱管爆管的原因如下：

a. 操作溫度高。爆管位置位于高溫?zé)煔馊肟?，溫度高達(dá)350 ℃，超過碳鋼熱管使用溫度不高于300 ℃的要求，管內(nèi)的介質(zhì)壓力急劇增加，產(chǎn)生的不凝氣體會導(dǎo)致爆管，造成部分熱管失效［6，7］。

b. 管內(nèi)工質(zhì)沖刷。熱管換熱原理如圖4所示，工質(zhì)在熱管下部被高溫?zé)煔饧訜幔鼰崞癁檎羝诤芪⑿〉膲翰钕?，上升到熱管的上部與管外空氣交換熱量后凝結(jié)為液體，冷凝液在重力作用下沿管內(nèi)壁返回下部受熱段，然后再次受熱汽化，循環(huán)往復(fù)，連續(xù)不斷地將熱量由煙氣側(cè)傳向空氣側(cè)，介質(zhì)運行過程中如此往復(fù)循環(huán)［8］，反復(fù)沖刷管壁，尤其是爆管部位沖刷得更嚴(yán)重。當(dāng)長期使用時，會產(chǎn)生不凝氣并聚集在低溫段，又因高溫段溫度過高，以及管內(nèi)介質(zhì)腐蝕等諸多因素引起低溫段爆管［9］。

c. 管內(nèi)工質(zhì)分解及腐蝕。管內(nèi)腐蝕也是導(dǎo)致熱管爆管失效的主要因素。高溫段熱管管內(nèi)介質(zhì)為有機工作介質(zhì)萘，在高溫、高壓環(huán)境下長期運行，使其理化性能逐步發(fā)生改變，介質(zhì)逐漸分解，分解物與熱管本體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致管內(nèi)腐蝕，若加入管內(nèi)的緩蝕劑劑量不夠或者防腐蝕條件不達(dá)標(biāo)，同時在溫差、雜質(zhì)等因素的作用下，會加劇管壁腐蝕，引起熱管強度下降直至失效。翅片對空氣預(yù)熱器熱管有徑向加強作用，而爆管位置為空氣側(cè)頂端，沒有翅片的加強，在溫度、應(yīng)力和介質(zhì)的共同作用下，腐蝕和材質(zhì)劣化導(dǎo)致發(fā)生爆管問題［10～14］。

2.2 低溫腐蝕

2.2.1 硫酸露點腐蝕

在低溫?zé)煔猸h(huán)境中，空氣預(yù)熱器后端低溫部位容易發(fā)生低溫積灰腐蝕現(xiàn)象［15］，當(dāng)空氣預(yù)熱器的排煙溫度低于煙氣的酸露點時，在其低溫受熱面上燃料燃燒產(chǎn)生的大量水蒸氣和硫酸蒸汽凝結(jié)，生成金屬硫酸鹽，導(dǎo)致管壁腐蝕［16］。

降低排煙溫度有利于提高加熱爐的熱效率，但加熱爐的排煙溫度并不是越低越好，因燃料氣（或燃料油）中的硫一般以H2S的形式存在，燃燒后部分轉(zhuǎn)化為SO2，SO2在鐵銹、垢物等的催化作用及煙氣中過量氧氣的作用下部分轉(zhuǎn)化為SO3，SO3在低溫部位受熱面上與凝結(jié)的水蒸氣結(jié)合，形成腐蝕性較強的硫酸溶液，腐蝕金屬表面［17～19］。

2.2.2 潮濕環(huán)境下的垢下腐蝕

形成潮濕環(huán)境下的垢下腐蝕的因素主要有3個方面：

a. 燃料燃燒產(chǎn)生大量的水。眾所周知，天然氣的主要成分為C、H元素，與氧發(fā)生反應(yīng)時，主要生成CO2和水蒸氣，經(jīng)核算，該常壓爐理論上1 kg天然氣燃燒，產(chǎn)生約1.99 kg H2O（g）及2.50 kg CO2，因此計算該3 Mt/a常壓爐燃料在其中燃燒每小時產(chǎn)生約4 t H2O（g），再加上空氣中帶入的水，水蒸氣的量會更大。若空氣預(yù)熱器低溫部位達(dá)到露點溫度，將會產(chǎn)生大量的凝結(jié)水。

b. 灰垢?？諝忸A(yù)熱器的高溫段一般不會積灰，即使積灰也是干灰，氣流的湍流狀態(tài)會將其清理干凈。而其低溫段排煙溫度低于煙氣露點溫度導(dǎo)致大量氣態(tài)水凝結(jié)，可能出現(xiàn)露點濕態(tài)積灰。另外，燃料氣非常潔凈時，煙氣露點溫度低于水的飽和蒸汽壓，會產(chǎn)生明水。隨著運行時間的延長，燃料不完全燃燒產(chǎn)生的有機顆粒物、助燃空氣帶入爐內(nèi)的灰塵、襯里脫落顆粒等在熱管翅片部位受到碰撞速度變慢，在管壁及翅片部位發(fā)生積灰，積灰導(dǎo)致熱管的傳熱性能下降，受熱面溫度因此降低。明水使變黏的灰垢粘附在預(yù)熱器低溫翅片管上。氣流的自清灰能力無法清除濕灰垢，隨著時間的延長，灰垢逐漸變厚，堵塞預(yù)熱器流道，煙氣壓降增大，換熱效率降低［20～22］。

c. 氧。加熱爐一般為燃料過氧燃燒，通常對流室頂部煙氣中的氧含量為，燃?xì)饧訜釥t控制在2%～4%，燃油加熱爐控制在2%～5%，再加上進(jìn)出加熱爐管道、人孔、看火孔、防爆門、對流室檢修擋板以及風(fēng)機法蘭等靜密封點存在漏風(fēng)現(xiàn)象，氧含量可能更高。濕態(tài)的灰垢在熱管的低溫部位積聚，形成致密的濕態(tài)垢物，垢物內(nèi)部氧氣進(jìn)不去，垢物外部氧含量在2%～5%，形成氧濃度差，產(chǎn)生嚴(yán)重的垢下腐蝕［23］。企業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場清洗低溫?zé)峁軙r，發(fā)現(xiàn)翅片根部的腐蝕情況比頂部的更嚴(yán)重，有力證明了垢下腐蝕的存在（圖3b）。

同時，經(jīng)分析可知還可能存在低溫潮濕環(huán)境下的細(xì)菌腐蝕。

3 處理措施及效果

3.1 處理措施

鑒于傳統(tǒng)熱管式空氣預(yù)熱器因存在高溫爆管、低溫結(jié)垢腐蝕、介質(zhì)易析氫失效［24］、密封不嚴(yán)煙氣側(cè)竄空氣等問題，導(dǎo)致每年檢修拆裝清理、更換熱管，檢維修費用過高，熱效率偏低。

2016年裝置檢修期間，將傳統(tǒng)熱管式空氣預(yù)熱器整體更換為304+玻璃組合板式空氣預(yù)熱器，高溫段為304不銹鋼，低溫段為專用玻璃，換熱量為1.1 kW，其余設(shè)計參數(shù)見表2。

對304+玻璃組合板式空氣預(yù)熱器與傳統(tǒng)熱管式空氣預(yù)熱器進(jìn)行對比，結(jié)果列于表3。

3.2 應(yīng)用效果

304+玻璃組合板式空氣預(yù)熱器投用后，排煙溫度下降到103 ℃，運行3年排煙溫度仍然未變，運行3年檢修時，拆裝空氣預(yù)熱器檢修孔，檢查低溫部位玻璃板幾乎無垢，表面僅有輕微的白色垢物痕跡（圖5a）；殼體底部幾乎無垢物，僅有少量可見的黃色顆粒物（圖5b）。而檢修更換前運行僅1年的傳統(tǒng)熱管式空氣預(yù)熱器底部積存大量黃色垢物（圖5c）。

更換304+玻璃組合板式空氣預(yù)熱器前后空氣預(yù)熱器運行參數(shù)對比見表4。結(jié)合上述分析可以看出，304+玻璃組合板式空氣預(yù)熱器較傳統(tǒng)熱管式空氣預(yù)熱器杜絕了漏風(fēng)環(huán)節(jié)，使用初期熱效率提升1.91%、末期提升3.80%，且運行時間長，基本不結(jié)垢，無露點腐蝕問題。經(jīng)熱力計算可知節(jié)省了燃料用量，CO2、NOx排放量降低約20%～30%，節(jié)能、環(huán)保效果突出［29］。

4 結(jié)論

4.1 操作溫度相對較高、工質(zhì)分解及腐蝕、結(jié)構(gòu)缺陷等原因是傳統(tǒng)熱管式空氣預(yù)熱器高溫段爆管的主要原因；垢下腐蝕、露點腐蝕是低溫段熱管失效的主要原因。

4.2 更換304+玻璃組合板式空氣預(yù)熱器，解決了傳統(tǒng)熱管式空氣預(yù)熱器高溫段熱管爆管、低溫段熱管腐蝕問題，且降低了燃料氣用量及CO2、NOx等污染性氣體的排放量，提高了加熱爐熱效率，延長了空氣預(yù)熱器使用壽命，值得在煉化企業(yè)推廣使用。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2022-09-30，修回日期：2023-02-13）

作者簡介：葛玉龍（1974-），高級工程師，從事腐蝕防護(hù)及加熱爐節(jié)能降耗，設(shè)備預(yù)防性維護(hù)，項目及檢維修管理工作，geyl@cnooc.com.cn。

引用本文：葛玉龍，時國軍，葛源清.加熱爐熱管式空氣預(yù)熱器失效原因分析及應(yīng)對措施［J］.化工機械，2023，50（2）：267-272.