玻璃板式空气预热器在熔盐炉上的应用

刘明国 尹建新 王希华

摘 要：本文介绍了一种新型的玻璃式空气预热器，阐述了在滨化集团股份有限公司装置内的应用情况，达到了降低排烟温度、提高熔盐炉效率的效果，为下一步节能减排及安全环保运行提供了经验。新型玻璃板式換热器的投用可获得可观的经济效益和环保效益，具有十分广阔的应用前景。

关键词：熔盐炉效率；玻璃板式空气预热器；节能减排

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.024

1 引言

滨化集团股份有限公司（以下简称“滨化集团”）位于黄河三角洲腹地的滨州市，为主业突出、产业链完整的综合型化工企业集团，产业涵盖石油化工、盐化工、精细化工、热电、口岸仓储、金融等领域，具有40多年丰富的烧碱生产经验，是我国重要的烧碱产品供应商，是国内氯碱行业具有较大影响力的企业。目前滨化集团具有固碱装置的生产能力40万吨/年，在运行的熔盐炉4台。

1.1 熔盐炉空气预热器的现状

熔盐炉空气预热器原设计为热管式空气预热器，选用抗露点腐蚀的ND钢材质，避免烟气温度过低造成露点腐蚀。装置自2012年投产以来，因全公司各装置依据市场行情优化调整生产能力，导致固碱装置生产能力未能高负荷运转，甚至有时一段时间内半负荷的情况，因此造成熔盐炉运行负荷变化大，空气预热器温度调节难度大，造成露点腐蚀泄漏，五年间已经更换3次，对装置的安全经济运行造成很大影响。固碱装置中熔盐炉是加热装置中的主要耗能设备，其耗能约占所有装置的50～80%。为避免露点腐蚀，只能通过提高排烟温度的方式，但排烟温度越高，熔盐炉热损失越大，热效率也就越低。

同时，为提高熔盐炉热效率，关键在于降低排烟的热损失，降低排烟温度，需要充分回收加热炉烟气中的热量。正常情况下，排烟温度越低，即空气预热器回收的热量越多，加热炉热效率越高。并且预热器换热原件的表面温度介于烟气温度与空气温度之间，当烟气温度降低至100℃以下时，换热原件表面温度远低于烟气温度，其表面会有冷凝现象发生，冷凝过程中会释放大量的气化潜热，这部分气化潜热则会显著的提高余热回收的效率，进一步增加空气预热器回收的热量，显著的提高加热炉热效率。因此为了获得较高的加热炉效率，降低排烟温度是最直接最有效的方式。

但是，原设计空气预热器虽然为抗露点腐蚀的ND钢材质，但是天然气等化石燃料燃烧产生的烟气中，或多或少的会存在部分硫氧化物，这部分硫氧化物受自身浓度的影响，会在150-100℃的温度区间内逐渐冷凝形成酸液腐蚀换热设备，即酸露点腐蚀。熔盐炉空气预热器的设计排烟温度在120-150℃左右，但是这样的排烟温度并不能完全避免酸露点腐蚀情况的发生。因为生产负荷的变动，排烟温度进一步降低，冷凝情况会逐渐加剧，冷凝液量逐渐增加，腐蚀情况加剧。

尽管热管式空气预热器在使用过程中也采取了一些防腐措施，如使用ND钢材质、增加防腐涂层、控制排烟温度，确保其高于露点温度等，但空气预热器还是存在着不同程度的低温露点腐蚀现象，导致空气预热器腐蚀报废。

1.2 选用新技术路线的分析

1.2.1 采用新型空气预热器

（1）采用防腐非金属材质作为空气预热器低温段主要换热材质。目前已开发出来的产品包括玻璃换热器、石墨换热器、碳化硅材质换热器、四氟材料换热器等。其中，玻璃这种材质在耐酸露点腐蚀方面有着天然的优势，基本上除了HF酸，玻璃不惧其它所有的酸腐蚀；此外玻璃相较于其他几种材质来说，国内的加工技术更为成熟，玻璃板/管材质量更有保证，且供应商众多，价格适中，便于大量使用。

（2）采用非直接换热形式换热器，如水热媒形式换热器。这类型的换热器系统包含转动设备，操作和维护比传统直接换热的预热器更为复杂。此外为保证使用寿命，也需要在烟气放热端换热表面进行防腐处理。

（3）搪瓷式换热器，目前国内已开发出搪瓷板式换热器，较传统的搪瓷管式换热器的来说，其结构更紧凑，传热效率更高。搪瓷工艺水平的高低是该类型换热器能否大规模推广使用的关键。

1.2.2 新型加热炉热效率提升工艺路线概述

（1）为追求更高的加热炉效率，最有效的且比较成熟的技术路线是采用防腐材质玻璃或其他非金属材质换热器做空气预热器的低温段，大幅度降低排烟温度。

（2）硫化物蒸汽与水蒸气冷凝过程中，蒸汽首先变成粒径在200μm左右的小液滴，液滴会吸附烟气中的粉尘颗粒作为凝结核，逐渐团聚成为大液滴后落下。这个团聚吸附的过程会自发的吸收烟气中大量的粉尘和二氧化硫，因此经过深度降温冷凝后的烟气中的固体颗粒物会大量减少，烟气洁净程度会大幅度提升。

（3）为确保冷凝液的腐蚀不会对整个加热炉尾气排放系统造成损害，需要对烟道、引风机及烟囱进行必要的防腐处理和改进。

综上所述，采用玻璃材质空气预热器可以在有效降低排烟温度的同时，避免露点腐蚀问题，同时玻璃材质的价格适中，适合工业化推广使用。

2 玻璃板式空气预热器的技术性能

2.1 玻璃在工业换热上的应用

近些年，随着工艺及技术的进步，一种新型板式结构，不易积灰，结构紧凑，易清洗的玻璃板式换热器逐步应用。

玻璃板式换热器采用平板玻璃作为主要换热板片，非焊接形式组装，其内部所有支撑和密封材料也都采用玻璃或聚四氟乙烯等非金属材料，既克服了管式换热器结构不紧凑，易积灰，不易清洗的缺陷，同时完全保留了玻璃完全防腐的性能优势。

2.2 玻璃板式空气预热器在熔盐炉上应用的优势

2.2.1 耐腐蚀性能优良

除氢氟酸和强碱外，玻璃几乎不与任何物质发生反应，而目前我公司熔盐炉烟气中主要的酸性物质是含硫及含氮化合物，玻璃板式换热器可完全抵抗该类型物质的酸性腐蚀。

2.2.2 流动阻力低

在管式换热器（管束式和热管式）内部，烟气垂直流过各换热管，绕过管道后会形成窝街，造成流场紊乱。流场的紊乱会增大传热系数，但同时会加剧阻力损失。当气流从管道上脱出的频率与管道声学驻波频率近似时，还会引起震动。

而平板式换热器内部流动相对均匀，虽然相对于紊流，均匀的层流换热系数相对较低，但板式换热器结构更为紧凑，正常情况下，同样体积的板式换热器因换热面积更大，其总传热负荷高于管式换热器。

2.2.3 不易积灰堵塞

烟气垂直流过换热管束时，管子迎风面会发生截流作用，背风面会产生窝街，这两种流体力学现象会加剧灰尘在管壁某些区域上堆积。而平板式换热器因避免了大面积的截流和窝街现象，因此从结构上大大降低了积灰情况的发生。

除了结构外，另外一个影响表面积灰的因素是材料表面粗糙度。镜面平板玻璃表面粗糙度极小，只有2-10μm，遠远小于灰尘颗粒直径（50-200μm），也就是说灰尘颗粒直径远大于玻璃表面的“缝隙和凹槽”，所以灰尘很难在玻璃表面“生根”，因而最大程度上避免了表面积灰极灰堆的生长。

2.2.4 热变形量小

玻璃板式换热器采用的特种耐热玻璃，其本身的热涨率很低，通过试验实测，温度每变换150℃，其形变量约3‰左右，加热炉工况变换对其尺寸变形的影响很小。

3 改造应用

3.1 改造方案介绍

该装置原采用热管式换热器作为空气预热器，年平均排烟温度大约125℃。加热炉效率大约92.5%左右。每个运行周期末端，因腐蚀导致部分换热管失效，预热器总体传热效率下降，压降上升。需投入大量费用进行检修更换。

鉴于这种情况，对该热管式预热器进行更换，改用玻璃板式换热器设备改造，降低维修工作量，提升加热炉效率。

3.2 运行情况介绍

（1）该装置自2017年4月改造运行以来，烟气进口温度一直控制在140-170℃左右，预热器平均排烟温度在100℃左右，排烟温度降低约25℃，熔盐炉热效率由原92%提升到93.5%。

（2）现场依照实际操作需求，将排烟温度控制在100℃左右，提高熔盐炉综合热效率。

（3）相较于传统金属预热器（排烟温度为120-150℃），玻璃板式换热器通过深度降低排烟温度（平均100℃左右，冬季时可到80℃），大量回收烟气显热及部分汽化潜热，因而极大的提高了加热炉热效率。

（4）预热器2017年至今的排烟温度一直控制在80-110℃，在投用近一年后，预热器换热板及框架状态良好，完全没有出现腐蚀情况。同时预热器板间通道通畅，表面几乎无灰尘，抗积灰堵塞性能优良，使用至今无需另外维护。

3.3 试验结论

该技术方案可有效降低排烟温度，提高加热炉热效率。自投用以来，有效应对了生产负荷变化导致的熔盐炉负荷调整，在保证熔盐炉安全稳定运行的基础上，降低出口温度25℃，每台炉年节约燃料成本达92万元。

依据目前使用情况来看，该装置检修周期可减免大量维护成本，今年的大修检修计划中仅需要对该空气预热器检查即可，可节省大量人力物力以及设备更换的费用，约计35万元。

空气预热器的主要失效损坏原因是腐蚀和堵塞，但玻璃板式空气预热器可完全抵抗腐蚀并极大程度上减缓积灰，因而其可预期的使用寿命会很长。

4 结语

通过对熔盐炉空气预热器改造，深度降低加热炉排烟温度，提高加热炉热效率。同时烟气中的酸性蒸汽与水蒸气发生冷凝时，可以吸附大量粉尘和酸根离子，可以很大程度上提高烟气洁净度，减少污染物排放。采用玻璃板式换热器可以有效抵抗露点腐蚀，抵抗换热器积灰堵塞，同时实现超低温排烟和烟气冷凝除尘，具有良好的经济效益和环保效益。

参考文献：

[1]章世斌.LPEC板式空气预热器的性能实验与研究[D].华中科技大学，2011（01）.

[2]刘志成.板式空气预热器在制氢转化炉低温段应用[J].炼油技术与工程，2012，42（11）：44-46.

[3]马学虎，林乐，兰忠.低Re下板式换热器性能的实验研究及热力学分析[A].热科学与技术，2007，6（01）.

[4]栾辉宝，陶文铨，朱国庆.全焊接板式换热器发展综述[A].2013，

43（09）.

作者简介：刘明国（1967-），男，本科，设备动力部副经理，从事设备管理及招标工作。