常压蒸馏装置加热炉板式空气预热器的改造及应用

王 静，郭 阳，冯蕾博

（陕西延长石油（集团）延安炼油厂，陕西 延安 727406）

引言

延安炼油厂260 万t/a 常压蒸馏装置建于1998 年，原设计加工能力为150 万t/a，后经过扩能改造加工量到260 万t/a。为节约能源，该装置加热炉余热回收系统采用热管式空气预热器，空气在进入炉膛前通过预热器与炉膛内燃烧产生的高温烟气进行换热，从而达到提高空气温度，节约燃料的目的。

该装置在实际运行过程中，随着运行时间的增加，逐渐出现空气预热器了换热效果降低、热量损失大的问题，经过热器的加热的空气温度为150 ℃，而排烟温度为177 ℃，引起加热炉热效率下降，燃料消耗量增加、能耗增大。伴随着我国能源行业的发展需求以及“双碳”政策的管控，原空气预热器效率已不能满足生产需求。为有效解决该问题，就需要对热管式空气预热器的优缺点以及工作原理进行分析。

1 热管式空气预热器特征分析

虽然热管式空气预热器传热效率高，热管的冷、热侧均可根据需要采用缠绕翅片来增加传热面积，但受其结构上局限，在我国西北地区，尤其对于使用燃料油或燃料含硫量大的加热炉，近些年不能满足长周期、高效率运行的要求，主要存在以下不足：

1）受温度影响较大：热管式空气预热器采用钢质热管，烟气温度一旦超过300 ℃时，会使管内压力增高，容易发生爆管事故，造成部分热管失效。

2）换热面积不足：装置经过扩能改造后，空气使用量和烟气排放量增加，在换热面积不变的基础上，出现了空气进炉温度降低、排烟温度升高，造成热效率损失较大。

3）阻力较大：扩能改造之后空气使用量增加，为满足工艺需求，鼓风机与引风机长时间处于满负荷状态，为装置长周期运行造成安全隐患。

4）易结灰积垢：为了提高热管式空气预热器的提高传热系数，在换热管上设有间距为2 mm～3 mm 的翅片，这样就导致换热管上容易积灰。同时烟气在经过空气预热器换热温度降低容易冷凝，使得烟灰粘在换热管上而且不容易被吹灰器吹掉，导致换热管的传热系数降低，造成加热炉效率降低[1]。

5）检修费用高：热管式空气预热器在每三年一次检修期间都需要对热管进行更换，以确保下个生产周期平稳运行。

2019 年与洛阳森德石化工程有限公司沟通讨论之后，根据260 万t/a 常压装置现场布局及工艺参数组织相关专家进行空气预热器进行重新选型，参考我国相关行业常压加热炉余热回收系统最终决定采用板式空气预热器，同时于2020 年5 月进行项目改造实施。

2 板式空预器与热管式空预器对比分析

板式空气预热器具有换热面积大及热效率高等优点。目前，大型热交换器为方便运输和零件更换多采用模块设计和分模块制造[2]。同时，板式空气预热器可以根据烟气流动特性实现错流和逆流的单流程和多流程组合安装，并且根据烟气温度选择合适的材料，实现高温预热和低温预热的多组合布置。

2.1 传热系数大

板式空气预热器在设计制造过程中多采用钢板作为传热元件，与热管式空气预热器比起来更容易两侧气流的传热系数，而且不需要像热管式空气预热器那样借助中间工质进行传热。板式空气预热器之间通常设有加强筋，这样既起到了加固板面的作用同时又可以强化两侧气流的传热系数。因为在加强筋的作用下，两侧气流可以在低速状态下达到湍流，由于湍动程度提高，因此传热系数增加。西安交通大学曾对板式空气预热器进行传热系数测试[3]。试验结果表明，当气流速度和Re相同时，板式空气预热器和热管束式空气预热器的传热系数分别为27.5 W/（m2·K）、22.3 W/（m2·K）。

试验结果表明，板式空气预热器传热系数通常为管束式空气预热器传热系数的1.2 倍～1.5 倍[1]。

2.2 换热面积结构紧度高

当气流流动面积相同时，圆形通道面积占比最小，由于结构限制，热管式空气预热器换热管不可能紧密排列，因此大部分空间都不能被利用起来。同时与板式空气预热器相比，热管式空气预热器单位体积下提供的换热面积较小，而且制造成本相对较高。

例如，单位体积的空气预热器：采用热管式空气预热器：Φ30 mm 的管子，管心距60 mm，排心距60 mm，每排可放16 根管子，共16 排，全部换热面积为：16×16×0.03×π×1=24.12 m2。采用板式空气预热器：1×1 m 的钢板，20 mm 的板间距，可排钢板50 张，换热面积50 m2，是管式空气预热器的2.07 倍。

2.3 阻力小

由于设计结构不同，气流在板式空气预热器流动时几乎畅通无阻，因此与热管式空气预热器相比，气流在板式空气预热器中压降要小很多。同时，热管式空预器中管内气体在经过换热管进口时流通面积变化较大，使得局部阻力损失较大。板式空气预热器气流通道进出口截面变化率较小，而且可以使气流呈线性状态，这样就极大地降低了局部阻力损失。热管式空气预热器管外侧气体在经过换热管时由于翅片存在容易产生边界脱体现象，因此产生阻力也相对较大。板式空气预热器由于是直板通道，因此不存在这种边界层脱体现象，所以阻力损失也就相对较小[4]。

综上所述，气流在经过板式空气预热器时阻力较小，这样就可以减少对风机的动能消耗，降低风机负荷。

2.4 污垢系数小

由于烟气在板式空气预热器内部流动扰动较大，因此污垢不容易沉积，同时在板材材质选用时灵活性更高，可以根据介质腐蚀强度选用不同材质。

2.5 寿命长，方便检维修

由于板式空气预热器不存在烟气真空度下降问题，因此不存在热管失效或者爆管现象，同时即使两侧介质互窜对装置影响也比较小。

3 板式空气预热器应用效果

2020 年5 月完成设备改造，截至2021 年12 月，260 万t/a 常压装置已平稳运行20 个月，在此期间，新型板式空气预热的使用取得了良好的效果。改造前后的加热炉运行参数如表1 所示。

表1 加热炉余热回收系统改造前后参数对比

1）由于板式空气预热器阻力小，使得鼓风机和引风机负荷降低，降低设备操作费用。

2）由于进加热炉的空气温度升高，这样就使得燃料燃烧更加充分，而且烟气中的氧含量也明显降低，这样加热炉效率就会提高，同时烟气中的CO 和NOx含量降低，更加有利于环保。

从2020 年5 月开工对加热炉余热回收系统观察发现，这次改造基本达到了预期设想，并且对提高加热炉热效率有直接意义。

经标定常压装置在年加工量255 万t 时，可节省燃料气299.166 万m3，按燃料气1.202 元/m3，每年可节省费用359 万元。

4 结语

通过长期使用证明，板式空气预热器更加适用于260 万t/a 常压装置，相对于热管式空气预热器，能显著降低常压加热炉排烟温度，提高加热炉热效率，经济效益明显提升，确保装置安全运行。与此同时，为防止空气预热器在运行过程中压差过大，专门设置水冲洗口，最大化地提高加热炉效率。