背景:通过从烟道气中回收热量来对燃烧空气进行预热是提高炼油和石化过程总体热效率的一种经济有效的方法。因此，在过去40年左右的时间里，空气预热器(APH)在炼油厂的使用已经得到了广泛的应用。
然而，多年来，炼油厂运营商经历了传统APH类型的众所周知的问题，这些问题包括:
- 可靠性和维护。
- 过早的失败和替换。
- 在寒冷天气内发生酸凝结时无法使用。
- 漏风过度。
本文介绍了热管空气预热器(HP-APH)如何解决传统APH类型的局限性，并提供了一种经过验证的有效替代解决方案。
常规APH技术
许多类型的APH在炼油厂中使用，最常见的类型是板式和框架，DEKA和旋转轮。操作人员报告了APH设备的一系列问题，主要是由烟道气酸冷凝引起的，这会导致设备过早故障和空气泄漏。操作人员和设备供应商都很清楚这个问题，他们已经开发了一系列解决方案，通过将最低金属温度保持在烟道气的酸露点以上来避免酸凝结。这些解决方案都需要小心操作，以避免在APH中发生“凝结事件”。
在传统的APH中，不受控制的酸冷凝的影响是深远的，通常会导致腐蚀突破，导致泄漏和交叉污染，需要限制使用，最终需要旁路。
大多数传统的APH设备都是出了名的难以修复，并且通常会降低性能并最终关闭。
然而，现有的防止酸冷凝解决方案的有效性有限，并且存在许多缺点，包括降低APH性能，导致能量回收率较低。
防止酸冷凝解决方案
常见的防止酸冷凝解决方案包括:
- 冷空气旁路(CABP) -这涉及绕过APH周围的部分冷空气流，以减少被加热的风量。这样做的效果是将较低的气团提升到高于所需的出口温度，并通过这样做增加热交换器中的最低金属温度。旁路阻尼器被控制以保持烟气出口温度和环境空气温度的平均值高于已知的酸露点，安全裕度为20 - 30华氏度。
- 热空气再循环(HAR) -这通常与CABP一起使用，需要将一部分从APH排出的热空气再循环回冷空气入口。这具有提高APH温度的效果，以避免酸凝结。
上述解决方案在避免酸凝结方面只是中等有效，但通过降低对数平均温差(LMTD)，确实降低了APH的整体有效性。此外，即使使用了CABP和/或HAR，大多数作业者每年也会损失一些工作天数，因为寒冷的环境要求必须完全绕过APH，以避免酸凝结损害。损失的采油天数的成本通常是无法计算的，是不可预见的额外生产成本。
热管空气预热器特性
HP-APH利用布置在冷热流中的热管阵列作为其传热机制。
HPAPH内的每个热管都有效地作为一个独立的独立热交换器，这一特性非常有利，因为它在机组中创建了显著的多重冗余，并解决了传统APH设备中的一个关键漏洞。
下表概述了传统APH设备的已知问题，以及如何在HP-APH中解决这些问题:
| 常规空气预热器 | 热管空气预热器 |
| 问题 | 导致 | 微分电路 | 有益的影响 |
| 酸凝结形成 | 在大型APH设备中很难实现温度均匀分布。这必然会导致局部酸凝结发生的“冷角”。 | 根据热力学定律，热管本质上是等热的。这种特性消除了“冷角”的可能性，从而避免了意外的酸冷凝。 | 根据热力学定律，热管本质上是等热的。这种特性消除了“冷角”的可能性，从而避免了意外的酸冷凝。 |
| 低最低金属温度 | 传统APH中的最低金属温度在很大程度上是环境空气温度和烟气出口温度的函数。虽然这可以在实践中计算，因为整个单元的温度分布不均匀，它不太可能是准确的。 | 热管工作温度不是环境温度和烟气出口温度的简单平均。通过设计，可以大大提高这一温度，使其高于环境和烟气出口的平均温度。 | 提高和已知的最低金属温度有利于避免烟道气酸凝结。它还允许降低烟气出口温度，从而提高热回收。 可以减少甚至避免使用CABP。 |
| 脆弱性 | 传统的APH设备依赖于薄金属表面来实现良好的传热。换热面厚度与换热系数成反比关系。这就产生了相互矛盾的要求，因为增加金属厚度需要腐蚀余量，但这有降低传热效率的效果。 | 热管换热系数受管壁厚度的影响比常规换热小。 | 通常可以在热管中使用较厚的材料厚度，从而增加了腐蚀余量。 |
| 材料选择 | 传统的APH结构不容易容纳混合材料。在最有可能发生酸凝结的区域使用不锈钢的选择通常是不可用的。完全用不锈钢建造大型APH的成本过高。 | 由于每个热管都是独立的，因此只有在APH的较冷端和其他地方的非合金钢牌号中使用SS材料是可能的。 | 混合材料方法结合了成本效益和额外的保护。 |
| 弹性 | 常规APH的腐蚀失效会立即导致泄漏，并最终退出使用。 | 每根热管都是独立自备的。在管壁失效的情况下，不会有泄漏，因为管道仍将保持密封在管板中。 | 单个热管故障的影响最小化。 |
| 维护 | 众所周知，一旦发生腐蚀损坏，传统的APH设备很难修复。在使用寿命结束时，需要更换整个设备 | 热管可单独更换。 | 热管可单独更换。避免更换整个机组，因为可以在现场更换单个热管，而不需要卸载机组。 |
| 控制 | 由于温度分布不均匀，在传统的APH中测量真实的最低金属温度是不现实的。 因此，防止酸性露点凝结的保护依赖于环境空气温度和烟气出口温度的计算，而不是实时测量。 |
在HP-APH中，通过设计可以知道最冷点的精确位置。这样就可以实时测量APH最冷排中所选热管的温度。 | 最冷的管道实时温度可用于控制CABP，以确保烟气出口的目标是最低可接受的温度，从而最大限度地提高热回收负荷，同时避免酸冷凝。 |
通过与传统APH类型的简单比较，HP-APH提供了降低故障风险和降低故障后果的好处。在20世纪80年代和90年代安装的全面运行的HPAPH设备的证据证实了HP-APH即使在最恶劣和苛刻的条件下也能使用寿命。
意的灵活性
HP-APH具有多种配置，可定制设计，以适应最小的管道变化，作为故障或寿命结束的传统APH设备的翻新替代品。
所有机组在关键位置都采用了温度传感热管，在机组的冷端还配置了多达4排不锈钢热管，以适应启动和关闭条件下的任何瞬态冷凝。
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马克Boocock
Econotherm (UK) Ltd
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