新型热管技术在石化装置的应用

新型热管技术在石化装置的应用马金祥 陆桂清 王明军（南京圣诺热管有限公司 江苏南京）
摘要：随着石化行业节能降耗以及排放环保要求的日益提高，南京圣诺热管有限公司新型热管技术及新型热管换热器在石化装置重要工序上发挥了良好的节能减碳效果，改变了人们对传统热管技术的认识，进一步证明了热管技术的先进性和良好的适应性，拓展了传统热管技术的应用领域，焕发了新的活力；将为石化装置节能减碳效果及绿色低碳发展能力的不断提升，为装置能效水平的早日达标，带来更多的实用价值，发挥重要的作用。关键词：加热炉；硫磺回收；防腐型热管；分体式热管；节能减碳自上世纪80年代初，南京圣诺热管有限公司首次将热管技术应用于石化加热炉空气预热器以来，加热炉空气预热系统发生了革命性的变化，热管空气预热器以高效的传热性能、灵活的设备布置、热管壁温的有效控制、低温腐蚀工况的适应性，以及安全可靠、维修和更换便利等特点，在石化加热炉装置上得到了广泛的应用。随着石化行业节能降耗以及排放环保要求的日益提高，热管技术也在不断地进步和发展，新型热管技术在石化装置的重要换热设备上发挥了越来越重要的作用。本文就新型的热管换热器在石化加热炉、硫磺回收等装置的应用进行了较为详细的介绍。1、防腐型热管在石化炉空气预热器上的应用石化加热炉是石化行业的耗能大户，最大限度地降低加热炉的排烟温度，提高加热炉的热效率，节能减排，是每台加热炉追求的目标。对于加热炉热管空气预热器，目前采用的热管元件多为整体重力式热管，当采用普通材料的热管元件时，目前设计排烟温度一般在～110℃以上。要想使加热炉的排烟温度降得更低（比如≤90℃），必须有可靠的防腐技术，否则，烟气低温区域的换热管会处在烟气露点以下，空气预热器存在低温腐蚀或由于结露造成腐蚀积灰的问题，严重影响了空气预热器的换热效率及使用寿命，加热炉很难满足长期高效运行的要求。因此，为了使加热炉能最大限度地降低排烟温度，提高炉效，对于热管空气预热器而言，必须有效解决热管的防腐问题，这是问题的的关键所在。热管式空气预热器本体主要由壳体、热管元件组成。壳体为钢结构件，下方一侧为热流体烟气通道，上方另一侧为冷流体空气通道，中间由管板分隔。其特点为：（1）每根热管都是相对独立的密闭单元，冷、热流体都在管外流动热管的冷、热侧均可根据需要采用高频焊翅片强化传热，传热效率高，弥补一般气——气换热器换热系数低的弱点；设备更加高效紧凑，在现场改造空间受限制的时候尤其适合。通过调整翅片的换热面积，可以控制热管换热的热流密度，来调整热管壁面温度，可以调整换热面受露点温度影响的区域。（2）有效保证冷、热流体之间的密封热管受热段与放热段之间有隔板结构，形成对冷、热流体的有效密封，使它们互不窜漏。（3）有效的防止积灰，换热器烟气侧采用自清灰流速设计，达到自清灰的目的；（4）无任何转动部件，没有附加动力消耗，不需要经常更换元件；（5）安全可靠性高预热器由多根热管元件组成，即使有少量热管元件的失效也不会对设备运行及性能造成大的影响，不会造成冷、热流体间的窜流，具备比间壁式换热器更安全可靠的效果。如上所述，作为热管空气预热器的重要特点之一，热管基管冷、热侧均可设翅片以增强烟气——空气的换热效果，并可通过调整翅片的换热面积，来调整热管壁面温度。对于翅片管式热管的防腐，如果采用烧制搪瓷的方案，由于烧制搪瓷为脆性材料，加上运行时翅片与基管之间存在的温度变形，崩瓷、掉瓷在所难免，使得该种类换热器的防腐效果受到严重影响。为解决低温露点腐蚀环境下空气预热器的腐蚀问题，南京圣诺热管有限公司的专利技术——柔性金属搪瓷技术（ZL201310016433.1）在空气预热器低温烟气侧热管的防腐处理方面得到了很好的应用。这种防腐材料能有效地与换热管管壁结合为一体，其原理是在普通搪瓷料的基础上，加入具有抗腐蚀性能的金属元素，微尺度下其表面活性提高，并与助溶化合物之间形成牢固的化学吸附和化学键合状态，形成聚合物；使涂覆层的强度、柔韧性、耐蚀性（耐水、油、酸、碱、盐）、耐温性及抗结垢性等多种特殊功能得到了显著的提高。防腐型热管烟气侧翅片管见图1。

图1  防腐型热管烟气侧翅片管各种环境中柔性金属搪瓷的性能，见表1。

柔性金属搪瓷具有以下特性：

（1）三抗：

• 抗渗透性：金属元素和助熔化合物间形成了化学键合和化学吸附，阻塞了渗透通道；
• 抗腐蚀性：耐蚀性金属元素的加入，化学键合与化学吸附作用形成稳定的结构，阻止水、氧及其它腐蚀介质的腐蚀；          
• 抗垢性：由微粒子的填充作用表面光滑度很高，近壁流层薄不利于结垢形成憎水表面，排斥污垢粒子，使其不能粘附到涂层表面。

（2）导热性：

• 柔性金属搪瓷调制成黑色，所以其辐射热吸收率较高；
• 柔性金属搪瓷层中的立体网状结构形成导电的同时，也形成了导热通道，具有较高的导热系数，接近金属导热范围。

柔性金属搪瓷技术能使普通材料的在低温露点条件下长周期运行，实现了低端材料高端化使用，通过项目实践，取得了突出的使用效果：应用案例：某石化分公司800万吨/年常减压装置加热炉防腐型热管空气预热器项目：经过1年的运行，烟气侧阻力降无明显变化，防腐热管空气预热器操作温度参数如下：烟气：进口温度：151.7 ℃出口温度：88.9℃空气：进口温度：13℃出口温度：86.6℃    

图2防腐热管空气预热器操作参数从图2操作参数可以看出，空气预热器的排烟温度大幅下降（90℃以下），通过计算可以得出：加热炉的热效率为94.1%，使用效果超出了预期。

2、可调壁温分体式热管换热器的应用随着热管技术的不断发展，另一种典型的热管换热器——分体式热管换热器在石化装置上的应用场合范围越来越广。分体式热管换热管束内装有循环工质，通过工质相变传热，其设备灵活布置、无需外加动能，具有极高的导热性、良好的等温性、可长距离传热、在线性能修复、冷热流体分隔彻底等一系列优点。因此，对于石化装置气——气换热器，尤其是冷热流体间密封要求高、设备可靠性程度要求高的换热器，如：PO/SM装置工艺气——气换热器、装置尾部脱硫烟气与原烟气的换热器等，分体式热管换热管取得了很好的应用效果。为了进一步提高分体式热管换热的使用性能，尤其是提高换热器低温段管束在各种工况条件尤其是低负荷条件下免受低温露点腐蚀的能力。南京圣诺热管有限公司成功开发出一种新型的管壁温度可调型分体式热管换热技术，在传统分体式热管换热器的基础上进行了技术升级与延伸，它能使换热管壁面温度在线自动调节，避免因低温烟气结露引起低温腐蚀和灰堵现象。通过设置温度测点和调节系统在线自动调节换热管束内的工质冷凝液流量，避免管壁温度低于露点温度；同时，本技术通过南京圣诺独有的现场造真空技术，可以现场对换热管束密闭系统快速高效地制造真空，有效地提高了设备的热启动与换热性能。本技术已获授权专利（专利号：ZL 202020483549.1），其工作原理如下：管壁温度可调型分体式热管换热技术中冷、热流体换热管束分开布置，每排管束分别通过蒸汽上升管和冷凝液回流管连接形成独立的循环回路。通过在热流体低温部位换热管束壁面上设置温度计，以温度信号连锁控制冷凝液回流管上的调节系统。当壁温低于露点温度时，通过连锁控制，自动调节控制冷凝液回流量，提高管壁温度，从而避免换热管露点腐蚀。该技术具有以下特点：1）热流体换热管束和冷流体换热管束可视现场情况而分开布置，因此可以远距离传热，给工艺规划与设备布置带来较大的灵活性，也为换热器的大型化以及热能利用系统的优化创造了良好的条件；2）热流体换热管束和冷流体换热管束彼此独立，彻底实现流体分隔密封，并且也可实现一种流体与多种流体的同时传热；3）热流体换热管束和冷流体换热管束可根据运行工况的变化在线实现换热管热流密度可控，换热管壁温可调，从而有效地避开露点腐蚀、积灰等问题；4）据工艺要求，可以进行顺、逆流混合布置，适应较宽的温度范围；5）采用独特的技术手段，对换热管束密闭系统快速高效地制造真空，有效地提高了设备的热启动与换热性能；6）当换热器运行热效率下降，可根据情况可进行在线修复换热器的性能；可调壁温分体式热管换热器技术通过在加热炉空气预热器以及在硫磺回收烟气——尾气换热器上的应用，取得了较好的使用效果。应用案例：某石化公司加热炉尾部有一套余热回收系统，利用加热炉的烟气余热加热助燃空气，原设备排烟温度为130℃以上，空气预热器漏风严重，使得加热炉热效率偏低。为了提高该加热炉热效率，对该余热回收设备进行了改造，将原有的换热器拆除，并根据现场空间及烟风管道走向，在空气预热器低温段布置了一套分体式的抗低温露点腐蚀高效热管换热器（见图5，图6），将排烟温度降至110℃，以达到进一步节能增效的目的。在装置开停车、负荷变化、加热炉燃料调整、低工况操作等各种环境下，本换热器能自动调整热管的管壁温度，使其始终保持在低温露点以上。正常运行参数如下：烟气：进口温度：190 ℃出口温度：110℃空气：进口温度：20℃出口温度：111℃ 

通过上述设备改造，加热炉排烟温度有了较大幅度地下降，空气预热器漏风问题得到了很好地解决，加热炉热效率有了明显的提升，取得了显著的节能效果。另外，受热面抗低温露点腐蚀能力的提升，大大增大了设备的使用寿命，有效保证加热炉装置的长期、高效运行。3、带前置加热装置组合式硫磺回收烟气换热器的应用硫磺回收装置被广泛应用到炼油化工、天然气、煤炭化工等领域。随着近年来环保形势的日益严峻以及人们环保意识的增强，对硫磺回收装置尾部烟气SO2的排放控制要求也相应提高，硫磺回收装置排放烟气湿法脱硫技术（如钠碱法等）得到了广泛地应用，对于该技术路线，有下列问题需要解决：(1)未净化烟气（以下称原烟气）入口温度较高，湿法脱硫汽液接触过程需要大量水分，新鲜水补给量需求较大；(2)脱硫塔出口净化烟气（以下称净烟气）温度较低（～60℃），后续管道、阀门、风机及原系统现有烟囱在尾气排放过程中面临硫酸低温露点腐蚀风险；(3)不利于烟气扩散的气象条件下，烟囱周围会有小液滴产生（烟囱雨），烟囱顶部有大白烟现象； 为解决上述问题，现有技术采用烟气——烟气换热器，用原烟气加热净烟气，以降低原烟气温度，提升净烟气的排放温度。但在运行过程中，该换热器的换热管低温区域始终处于烟气的酸露点温度以下，换热器的腐蚀失效严重影响了装置烟气的达标排放，也影响了烟气换热器后系统及设备的安全。“带前置加热装置组合式硫磺回收烟气换热器技术”有效地克服了现有技术的不足，在不影响硫磺回收以及烟气脱硫主工艺流程、操作参数的情况下，有效降低了进入脱硫设施的原烟气温度，同时，净烟气温度升高至指定温度。与现有技术单一的烟气——烟气换热器不同，本技术通过特殊的前置加热装置和烟气——烟气换热器协调配合，使烟气——烟气换热器管壁温度越过烟气酸露点，直接处在露点温度以上，避免了换热器设备的露点腐蚀。本技术已获授权专利：专利号：ZL 202020886311.3。综上，采用“带前置加热装置组合式硫磺回收烟气换热器技术”，能够确保烟气——烟气换热器安全长效运行，为装置尾部烟气的达标排放及装置系统长周期稳定运行奠定了基础。该技术有下列特点： (1)不影响硫磺回收及烟气脱硫主工艺流程。采用本技术后，烟气——烟气换热器的换热管始终处于酸露点以上，解决了现有技术单一的烟气——烟气换热器受低温腐蚀困扰的问题，确保了设备的安全运行 ；(2)本技术采用热管换热技术，同时原烟气与净烟气间采用特殊的密封结构，既实现了原烟气——净烟气的高效换热，又确保了原烟气、净烟气腔室间的密封效果，避免了原烟气窜入净烟气而影响装置烟气达标排放。(3)热管基管外设置翅片以强化传热，通过调整翅片的结构参数，有效地调节热管换热的热流密度，并与前置加热装置的配合，能有效地控制换热管壁温。热管换热器管束由数根热管元件组成，每根热管元件独立运行，少量热管破损或失效不影响设备正常使用；(4)当硫磺回收装置工况发生变化，烟气流量及温度波动时，可以通过调节前置加热装置的负荷，调整热管烟气换热器净烟气侧入口温度，确保低温侧热管的壁温高于烟气酸露点温度。(5)前置加热装置与烟气——烟气换热器组合结构紧凑、合理，其结构型式方便脱硫装置的工艺规划与设备布置；(6)通过设置吹灰器，有效解决设备积灰的问题，确保烟气换热器稳定运行。(7)该换热器技术，既实现了原系统尾部烟道、烟囱及相关设备的安全利用，又有效消除了烟囱雨及烟囱顶部白烟现象。同时，降低进入脱硫塔的原烟气温度，节约了新鲜水补给，也减少了烟气体积量。应用案例：目前，带前置加热装置组合式硫磺回收烟气换热器技术已在多家炼化企业成功应用。2018年，某石化公司硫磺回收烟气排放达标项目烟气换热器项目中，首次采用了带前置加热装置组合式硫磺回收烟气换热器（见图7），自开车以来，设备运行稳定可靠，各项性能指标符合设计要求，设备低温部位有效防止了低温酸露点腐蚀，净烟气升温效果显著，消除了烟囱的白色烟羽现象，湿法脱硫工段节水效果明显。同时，得益于本设备的稳定运行，硫磺回收装置环保升级改造时保留利旧的尾部烟道、设备及烟囱等，能够安全使用，运行完好。

图7  带前置加热装置组合式硫磺回收烟气换热器本技术的采用，为该项目装置尾部烟气的达标排放及装置系统长周期稳定运行提供了有力的支撑，获得了业主的高度认可。4、结语新型热管技术及新型热管换热器在石化装置良好的使用效果，改变了人们对传统热管技术的认识，进一步证明了热管技术的创新与发展，使传统热管技术拓展了新的应用领域，焕发了新的活力。有理由相信：不断创新与完善的新型热管换热设备，将为石化装置节能降碳效果及绿色低碳发展能力的不断提升，为装置能效水平的早日达标，带来更多的实用价值，发挥积极的作用。