铸铁式空气预热器及工业应用 *

王德瑞

( 中国石化集团洛阳石油化工工程公司 ， 河南省洛阳市 471003)

摘要:铸铁具有很强的耐硫酸腐蚀能力 ， 因此 ， 采用铸铁材料制作的空气预热器具有耐腐蚀 、 长寿命的特点 ， 特 别适合在工业炉烟气余热回收系统中的低温段采用 。 介绍了铸铁式空气预热器在国内锅炉 、 钢铁和石化行业过去 和现 在的工业应用情况 ， 以及中国石化近年开发的大型铸铁板式空气预热器的最新进展 。 目前 ， 国产大型铸铁板 式空气预 热器已在多台火焰加热炉的设计中采用 ， 设计 、 制造 、 安装技术日臻成熟 。2010 年 4 月 ， 武汉石化 2 号常减压蒸馏装置投 用了国产第一台新型铸铁板式空气预热器 ， 运行 19 个月 ， 加热炉热效率一直稳定在 92% 以上 ， 排烟温度一直稳定在 130 ℃ 以下 ， 运行良好 。

关键词:铸铁 空气预热器 露点腐蚀

空气预热器是通过高温烟气加热燃烧用的空 气的传热设备 ， 利用空气预热器回收加热炉烟气余 热 ， 是提高加热炉效率的主要措施之一 。 然而烟气 中的酸性气体遇冷结露将腐蚀空气预热器 ， 特别是 腐蚀预热器的低温段 ， 在使用高含硫燃料时 ， 这一问 题更加突出 。 为了延缓或防止这种腐蚀 ， 世界各国 做了大量的研究工作 ， 取得了一系列成果 ， 但离完全 解决却仍有距离 。 从现行的炼油厂火焰加热炉的 国内外标准即可大致了解当今石化行业空气预热 器的发展水平 。 例如 ， 炼油厂火焰加热炉国内外标 准 API 560，ISO 13705 和 SH/T

3036 的加热炉数据表中 ， 提供了 3 种空气预热器 供选择 ， 顺序依次是 : 铸铁式 、 板式和热管式 。 其中的 铸铁式对管子材质 、 厚度等条件有要求 ， 还提供了是 否有玻璃管选项 ; 板式对板厚 、 空气通道宽度 、 烟气通 道宽度 、 空气侧肋距和烟气侧肋距等条件有要求 。 这 两种空气预热器均提供了是否水冲洗选项 。 第 3 种 形式是热管式 ， 对管数 、 管外径 、 壁厚 、 材质和管心距等 条件有要求 。

上述 3 种空气预热器中 ， 第 3 种热管式空气 预热器报道较多 ， 在国内的炼油厂火焰加热炉中 广泛应用 ， 由于良莠不齐 ， 使用寿命大多在 1 ～ 2 a， 超过 3 a 的很少 ; 次选的板式空气预热器 ， 近 几年来 ， 在制氢 、 合成氨和甲醇等装置上也普遍采 用 ， 寿命在合成氨装置中 般较长在制氢装置中 长短

国内处于刚刚起步阶段 ， 与国外差距很大 ， 国内行 业之间差距也很大 。 因此 ， 了解 、 掌握 、 应用铸铁 式空 气预热器技术 ， 对缩小国内外差距 ， 进一步促 进石化 行业的节能减排 ， 具有重要的现实意义 。

1 低温露点腐蚀的机理

钱余海等 ［1］ 认为 ， 加热炉空气预热器的烟气 露点腐蚀可分为 3 个阶段 ， 各个阶段的特点 如 下 :

第 Ⅰ 阶段 : 加热炉开始运行或刚刚停止运行 ， 烟气温度低于露点 ， 硫酸质量分数低于 60% ， 材料 处于活性腐蚀状态 。 其腐蚀速率最高 ， 但由于时间 短 ， 影响基本可以忽略 。

第 Ⅱ 阶段 : 处于正常运行状态 ， 烟气温度在露 点附近 ， 硫酸质量分数为 85% 左右 ， 受高温高含 量硫酸的腐蚀 ， 对于一般钢材而言仍处于活性腐 蚀状态 。

第 Ⅲ 阶段 : 烟气温度与硫酸含量等同于第 Ⅱ 阶段 ， 但在未完全燃烧的碳的催化作用下 ， 生成大 量 的 FeSO3 ， 使耐露点腐蚀材料 ( 铸铁 、Corten 钢和 ND 钢等 ) 处于第一次钝化状态腐蚀速率降 低

收稿日期 : 2011 －10 －11; 修改稿收稿日期 : 2011 －12 －30。

作者简介 : 王德瑞 ， 教授级高级工程师 ，1986 年毕业于抚顺石 油学院石油加工专业 ， 长期从事火焰加热炉设计工作 。 电话 : 0379 －64868278，E-mail: wangdr．lpec@ sinopec．com。

• 中石化科技开发部项目 ( 309021) 。

2 铸铁耐露点腐蚀机理 申泽骥等认为 ［2］， 在浓硫酸中 ， 铸铁处于钝化 态 ， 在铸铁表面形成不溶的硫酸铁薄膜 ， 这种腐蚀 产物和铸铁中的石墨结合在一起 ， 形成了附着在铸 铁表面的钝化保护膜 ， 保护了下层基体 ， 减缓腐蚀向 铸铁纵深发展 ， 从而提高了铸铁的耐腐蚀能力 。 铸铁 腐蚀与普通碳钢腐蚀的主要区别在发生露点腐蚀

的第 Ⅱ、Ⅲ 阶段 ， 在这两个阶段铸铁表面 产生钝化是铸铁耐硫酸露点腐蚀的根本原因 。

另外 ， 铸造表面的耐蚀性优于加工过的表面 ， 也 是铸铁比普通碳钢耐露点腐蚀的另一个原因 。 因为 在高温下铸件表面与型砂相互作用 ， 使铸件表面形 成一层硅酸盐保护膜 ， 提高了铸造表面的耐蚀性 。

3 铸铁管式空气预热器

铸铁管式空气预热器在锅炉 、 钢铁行业应用

广泛 ， 且形式多样 。

3． 肋片 - 齿形铸铁管空气预热器 1 据文献 ［3］ 介绍 : 河南洛阳热电厂的 TII-170-1 型锅炉 ， 系前苏联制造的煤粉炉 ，1957 年底投产 ， 其烟气余热回收系统最后一段空气预热器为肋 片 - 齿形铸铁管预热器 ， 空气走管内 ， 烟气走管外 。 1988 年改造前 ， 锅炉排烟温度在 168 ℃ 左右 。

上述肋片 - 齿形铸铁管式空气预热器的寿命非 常长 ， 在出口烟气温度 170 ℃ 左右情况下可以工作 25 ～30 a 之久 ， 这是目前文献记载的使用最久的空 气预热器肋片齿形铸铁管的结构见图 1

图 1 肋片 - 齿形铸铁管结构

Fig．1 Structure of fin-tooth cast iron pipe

注 : 图中数值单位为 mm， 下同

金属片状管换热器具有结构紧凑 、 气密性好 、 经 济耐用和适应性强等优点 。 据文献 ［4］ 介绍 : 在消化 从日本引进的片状管换热器技术的基础上 ， 结合 中国国情 ， 北京钢铁设计研究总院设计出了定型的 片状管 ， 并在国内定点生产 。1979—

1983 年 ， 仅两个换热器生产厂就为国内 90 多家 钢厂提供了 123 套金属片状管换热器 。

片状管结构见图 2。 与片状管相似的还有

• “ 针状管 ”， 见图 3。 片状管空气预热器见图 4。

图 2 片状管结构

Fig．2 Structure of fin-tube cast iron

图 3 针状管结构

Fig．3 Structure of needle-tube cast iron

图 4 片状管空气预热器结构 Fig．4 Structure of fin-tube air proheater

针状管 、 片状管换热器在推广中也出现了问 题 。 据文献 ［5］ 介绍 ， 国内金属换热器主要存在 两 个问题 ， 一是生产厂家太多 ， 产品粗制滥造 ; 二是由 于种种原因用户的使用质量不高 。

3．2 复合强化传热铸铁烟管空气预热器

据文献 ［6］ 介绍 : 东南大学设计了一种铸铁 空气预热器 ， 烟气在管内作纵向流动 。 空气预热 器 的铸铁管为圆形 ， 管外有横向肋片 ， 管内有纵向 翅片 ( 见图 5) 。

1992

年前后东南大学与生产 家合作推

在此种铸铁式空气预热器已经为多个锅炉厂的多 款定型锅炉配套 。

图 5 铸铁翅片管

Fig．5 Cast iron fin-pipe 内螺纹外肋 3． 片铸铁烟管空气预热器据文献 ［7］ 介绍 : 内螺 3 纹烟管在国内工业锅 炉上已有 10 余年的应用经验 ， 仅 2 ～3 mm 高 的

螺纹即可使传热系数达到普通光烟管的 1．

7

图 6 内螺纹外肋片铸铁管

Fig．6 Cast iron tube with female screw and side fins

这种内螺纹外肋片铸铁空气预热器在 1 ～ 40 t/h 工业锅炉和 65，80 t/h 发电锅炉上都有应 用 。 据文献 ［8］ 介绍 : 截止 2004 年 ， 内螺纹外肋片 铸铁管式空气预热器己有近 300 台在运行中 ， 有

4 铸铁板式空气预热器

铸铁板式空气预热器具有传热系数高 、 体积

小 、 不易积灰和压力降小等特点 。 4． 铸铁双翅片管空气预热器 1 据文献 ［9］ 介绍 : 中国石油抚顺石化公司石 油一厂热裂化装置 1982 年 4 月投运了一台铸铁 双翅片空气预热器 ， 该铸铁双翅片管空气预热器 内部排列铸铁双翅片管 250 根 ( 即 500 片 ) 。 每片 铸铁双翅片管的外型尺寸为 : 长 × 宽 × 高 = 1 832 mm ×525 mm × 75 mm。1982 年 6 月 ， 对该 空气预热器系统进行了工艺标定 ， 标定结果见表 1。

由于这种铸铁管内外侧都带有翅片 ， 具有表 面积大的特点 ， 如烟气侧的表面积达 5．44 m2 / m2 光管 ， 因此 ， 铸铁双翅片管传热系数大 。 另外 ， 铸铁 双翅片管空气侧与烟气侧的实际压力降均为 360 Pa 左右 ， 非常小 。 尽管优点很多 ， 可惜的是 ， 此装 置后来停产拆掉了 。 限于种种原因 ， 铸铁双空气预

表 1 铸铁双翅片管空气预热器标定结果 Table 1 Cast iron two-side fin pipe air

preheater standardization data

空气预热器负荷 /MW 2．407 空气量 /( kg·h^－1 ) 52 790 烟气量 /( kg·h^－1 ) 56 035 烟气入预热器温度 /℃ 328 烟气出预热器温度 /℃ 136 烟气侧总压力降 /Pa 360 空气入预热器温度 /℃ 28 空气出预热器温度 /℃ 185 空气侧压力降总传热系数 /( W·m/Pa ·K ) 10．360 34

4． 抚顺洗化厂引进的铸铁式空气预热器 2 据文献 ［10］ 介绍 : 抚顺洗化厂 1989 年建成 投产的 2 台热油加热炉 H-501 /H-502， 其引进的 空气预热器由三组铸铁翅片换热器和一组玻璃管 换热器组成 。2009 年左右加热炉改造时 ， 原空气 预热器没有更换 ， 依然留用 ， 说明还没有损坏 。

4．3 BY-CAST 的铸铁板翅管

比利时的 BY CAST 公司的铸铁式空气预热 器基本单元为铸铁板翅管 ， 结构示意见图 7^［11］ 。

图 7 BY-CAST 铸铁板翅管 Fig．7 BY-CAST’s cast iron tube

BY-CAST 的铸铁板翅式空气预热器采用水 冲洗技术清灰 ， 冲洗水的流向与烟气流向相同 ， 自 上 而下冲洗 。

2006 年 ， 在阿尔及利亚凝析油项目的加热炉 设计中 ， 中国石化集团洛阳石油化工工程公司首 次采用铸铁板式空气预热器 ， 由 BY-CAST 公司提

供产品该装置已于 2009 年建成投产 4． KABLITZ 的铸铁翅片板式换热器 4 德国的 KABLITZ 公司的铸铁翅片板式换热 器结构示意见图 8［12］。

2009 年 4 月 18 日建成投产的中海油惠州 炼油分公司 4．2 Mt / a 焦化装置 ， 焦化炉烟气余 热回收系统采用了 KABLITZ 公司提供的铸铁翅 片板式换热器 。