加热炉空气预热器热管失效原因分析

张立喆 秦洪涛 谷轶群（辽阳石化分公司炼油厂，辽宁 辽阳 111003）

2009年为了燃料天然气替代项目，650万吨/年常减压装置加热炉的空气预热器进行重新改造，采用辽宁抚顺阳光石化设备厂生产的热管式空气预热器技术。

1 热管式空气预热器的结构

加热炉热管式空气预热器分上下两管箱，两层上下管箱之间分别与空气和热烟气连接口连接，每个管箱沿气体流动方向各布置38排无机传热元件，每排64根无机传热元件均与水平成90°安装。设计工况下元件的最高管壁温度为153—94℃。单支传热元件内容积为5.74L。

设备中所用的无机传热元件是以无缝钢管为壳体，无机混合物为传热工质的传热元件，其壳体外表面上带有高频焊接翘片，以增加换热面积。无机传热元件的基管采用Φ38X3,20#（GB8163）无缝钢管，翘片材质为08AL（表1）。

表1，A-1011技术特性表

2 热管式烟气余热回收系统的工作原理

为了防止烟气侧翘片堵塞，翘片间距大于空气侧。热管内的液体工质的主要成分是水，工质在加热段吸收高温烟气的热量，使液态工质吸热汽化变成蒸汽，上升到热管上部压力较低的冷却段，被冷空气吸收热量后冷凝成液体，在重力作用下重新返回到加热段，如此循环往复。热管传热以潜热和显热两种方式进行，因此，热管式空气预热器具有较高的传热效率①。

3 热管式空气预热器热管失效的原因

3.1 烟气的露点腐蚀

为了防止烟气的露点腐蚀，设计烟气出口温度不低于120±5℃控制，而在运行中实际烟气余热回收系统的排烟温度达到了186℃，高出了设计值，在这种工况下，烟气的低温位靠近烟气出口9排414根热管产生严重的腐蚀，仅仅运行42天加热炉的炉膛负压已经无法满足加热炉正常运行的需求。

3.2 热管积灰垢的影响

常减压加热炉是以炼厂的200#燃料油为主要燃料，燃料油中的硫含量，机械杂质，灰分较多，所以常减压加热炉对流室钉头管外壁、空气预热器热管外壁积灰比较严重(图1）。尽管加

图1 热管外壁积灰

热炉对流室和空气预热器设置了声波式吹灰器，但在实际生产运行中，由于吹灰后有一定温度的灰垢与腐蚀物结合在一起，形成了很坚固的沉积物，沉积在对流室钉头管以及空气预热器热管的翘片的夹缝里，热管很快失去了传质传热的能力，最后到全部失效为止。

4 防止热管腐蚀的发生与对策

4.1 腐蚀机理

采用200#燃料油的常减压加热炉，由于其燃料中的硫含量近年来呈不断上升的趋势，引起硫酸的露点腐蚀。大致可分为以下几个过程：

在腐蚀产物中有FeS，Fe2O3还有S单质，所以热管表面的硬垢沉积物一般表现为深黄色。烟气中的SO2大约有2-3%需要转化成SO3，当SO3含量达10ppm时，烟气的露点温度也越高，SO3含量达到50ppm时，露点温度不在上升，其极限大约在160℃左右。

4.2 减轻热管腐蚀的措施

4.2.1 减少各种燃料中的硫含量

4.2.2 烟气中的SO2小部分转化成SO3，必须有过量O2的存在，过剩空气越大，SO3的生成量生成浓度就越大。因此，必须减小加热炉烟气的过剩空气系数；

5 热管积灰原因与对策

5.1 积灰产生的原因

脱后原油中的Na、Ca、Fe、Mg等金属杂质，绝大部分存在减压渣油中，以减压渣油为主要成分的200#燃料油是常减压加热炉主要燃料，在燃烧过程中，金属杂质和未燃烧的炭粒以灰的形式沉积在受热面上，形成灰垢。

5.2 灰垢的成分及种类

对灰垢进行采样分析（图2，表2），样品中Fe的含量达到20%，Ca的含量0.38%，水溶液中硫酸根含量达到30%以上。

图2 灰垢样品成份

说明灰垢的主要成分是Fe，Ca，硫酸盐是由于硫酸的露点腐蚀产物吸附在热管壁上形成的，因此积灰与露点腐蚀是相互影响。

表2，灰垢样品分析数据

6 防止热管失效的措施

加强加热炉平稳操作，保证热管加热端温度低于热管内工质允许使用温度，减少热管失效的可能性。

定期按一定的频次对空气预热器进行吹灰，防止热端积灰垢，影响传热效果。

利用现有的条件最好选择热管与平面成90℃角度安装，热管内的工质是靠重力作用回到加热端，倾斜角度越大流回到加热端的速度就越快。缺点是，成90℃角安装后，东北冬天停用时需增加防冻保护设施。

7 结语

加热炉烟气余热回收系统运行效果好与坏可直接影响加热炉的热效率，而热管式空气预热器是目前回收加热炉烟气余热普遍采用的设备，它有着效率高投资省，维修方便等优点，正确使用热管式空气预热器可提高加热炉的热效率在5%以上。在烟气余热回收系统运行中，必须解决好热管翘片的腐蚀和积灰等问题，通过实验证明降低燃料的硫含量和金属杂质含量降低加热炉的过剩空气系数防止SO3的生成，提高最终排烟温度避开烟气的露点腐蚀，均是防止热管式空气预热器热管腐蚀失效的有利措施，充分利用现有的声波吹灰器设施；解决热管积灰问题，实现热管式空气预热器长周期安全平稳运行。

[1]《炼油化工设备腐蚀与防护案例》，中国石化出版社，胡安定主编.

[2]《原油蒸馏工艺与工程》，中国石化出版社，李志强主编.