摘 要：本文介绍了工业炉所使用的各种空气预热器，并分析了各类型空气预热器的优缺点，通过对各类型空气预热器的阻力特性、传热性能、密封性能、耐露点腐蚀性能的分析，认为最新出现的板管式空气预热器的结构最能代表未来空气预热器结构发展方向，空气预热器材质采用金属和非金属结合的形式是未来预热器材质的发展趋势。通过板管式空气预热器的具体工业应用情况分析，新型板管式空气预热器效率高、零泄漏、完全解决了低温露点腐蚀难题，有极高地推广利用价值。
关键词：工业炉，板管，玻璃，空气预热器。
引言：空气预热器是工业炉余热回收系统的主要设备，它利用工业炉出口烟气的余热加热工业炉燃烧所需的空气。通过回收工业炉出口烟气的热量，降低了排烟温度，从而提高工业炉的效率，理论上排烟温度越低即回收余热越多，加热炉效率越高，但实际生产中排烟温度受多种因素的限制，并非能随意降低。当前工业炉常用的空气预热器类型包括列管式、板式、热管式、蓄热式（回转式）、水热媒式等，近两三年出现了板管式空气预热器，由于空气预热器是重要的节能设备，对空气预热器未来的发展方向研究具有重要意义。
1、工业炉空气预热器现状
1.1 目前常用空气预热器结构形式分析
1.1.1 列管式空气预热器（图1）
列管式空气预热器因其高可靠性（零泄漏、易维修）在各种工业炉上曾得到广泛的应用，但在生产运行中逐渐发现其传热效率低、体积大，为进一步提高传热效率，工程技术人员采用了在光管外部加装翅片及管内部增加扰流子的方法，极大提高了普通列管式的传热效率，但随之而来的积灰不易清理，甚至堵塞的问题，使其在工业生产中的应用越来越少。目前已基本被其他形式预热器所替代。
图1 列管式空气预热器
1.1.2 板式空气预热器（图2）
板式空气预热器采用板片作为传热元件，一定数量的板片叠合成板束，烟气与空气通过板片换热。在板式空气预热器中，传热板片之间采用密封垫片或焊接方式连接。其优点是结构紧凑，可满足大型化装置的要求，传热效率更高、压降低。板式空气预热器缺点也非常明显：对于焊接型式，制造难度大，薄板（0.8-1mm)焊接容易使板片焊穿，导致烟气-空气互窜而使换热效率下降；非焊接型式泄漏率高，不小于2%，高的超过10%；换热板一旦损坏将无法单独更换某一层板片，只能整体更换换热模块，检修维护成本高。
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图2 板式空气预热器
1.1.3热管空气预热器
热管式空气预热器由箱体、热管束、中间隔板组成。箱体分为两侧：一侧流体为烟气，一侧流体为空气。热管空气预热器充分利用热管传热速度快、传热效率高的特点，热管两端的外壁传热面积利用翅片可作适度扩展，强化了管外传热，有效地减少了空气预热器的体积。同时，通过调整热管加热侧和放热侧的热流密度，改变加热侧和放热侧的传热面积，可一定程度上减轻流体对换热管的酸露点腐蚀程度。工业应用的热管主要是碳钢－水热管型式，运行过程中，碳钢与水二者会发生电化学反应，产生不凝气体，导致热管传热效率下降甚至失效，一般使用寿命为3-5年，有些热管甚至使用一年就失效，不利于装置长周期高效运行的要求。
1.1.4蓄热式空气预热器
蓄热式空气预热器的两种主要形式是固定床型和旋转型。固定床式的蓄热式空气预热器，通常需要两个床体维持连续的热量传递，因此在任意时刻总是一个床体运行在加热周期，而另一床体运行在冷却周期。蓄热式空气预热器内的流向变换是通过切换阀实现的。在旋转型蓄热式空气预热器中，通常冷热两种流体连续的流经蓄热体，所流经的圆柱形填料蓄热体沿着与气流的流向平行的轴从一侧转动到另一侧，另外一种旋转型蓄热式空气预热器的设计中，冷热流体进行旋转的切换，而填料蓄热体则固定不动。由于蓄热式空气预热器并不能像板式或热管式空气预热器那样完全隔绝烟气和空气，会导致烟气和空气相互流窜严重，石化行业工业炉应用较少。
1.2 空气预热器防露点腐蚀技术进展
排烟温度越低，加热炉效率越高，为了进一步降低排烟温度，提高加热炉热效率，近年行业内专业人员从结构及材料方面对空气预热器的耐腐蚀性能进行了改进和提升。常见的方法有使用非金属防腐层、开发耐低温露点腐蚀金属材料及使用非金属材料。
使用非金属防腐层就是在空气预热器烟气出口端的金属换热面外表面涂镀非金属的防腐层，其中在金属管表面涂覆瓷釉的搪瓷管应用相对较多。瓷釉耐低温露点腐蚀性能好，但瓷釉与金属管材的彭胀系数存在差异，易出现开裂剥落；搪瓷工艺技术所限，无法100%覆盖金属基层，通常一个针孔瓷釉缺陷即可导致出现大面积腐蚀、泄漏。所以搪瓷管空气预热器在炼化行业应用极少。
炼化行业常用的耐低温露点腐蚀的金属材料有ND钢、考登钢、铸铁等。当冷凝液中硫酸浓度较高时，会形成一层致密且与基体金属粘附性好的钝化膜，其形成时间和膜厚对金属材料的耐腐蚀性能起决定影响。耐低温腐蚀钢只能保证空气预热器在露点温度附近工作，当烟气温度低于露点温度，冷凝液中的硫酸质量分数改变，随之钝化膜消失。这些金属材料就无法抵御烟气的低温露点腐蚀，目前炼化行业应用较多的铸铁板式就是很明显的例子，调研发现，低温段采用铸铁板的空气预热器，凡是排烟温度低于130℃的工况，内漏及堵塞现象极为普遍。
部分非金属材料优越的耐腐性能为空气预热器从根本上解决低温露点腐蚀提供了可能，目前主要有玻璃空气预热器、石墨空气预热器，聚四氟乙烯空气预热器等。其结构形式同样有板式、管式、管板式等多种形式。玻璃的主要组分是硅酸盐，硅酸盐不与除氢氟酸以外的多数酸反应，具有良好的耐酸露点腐蚀性能，且玻璃的加工性、强度、热震稳定性、价格等综合性能也优于石墨、聚四氟乙烯等非金属材料，近年已成为空气预热器低温段材料研究和选用的热点。
1.3 新型板管式空气预热器
随着行业对空气预热器性能要求的提高，近年出现一种新型的空气预热器——板管式空气预热器，该空气预热器目前在石化行业工业炉中得到了极大关注并在部分装置上得到了成功应用。
1.3.1 新型板管式空气预热器结构特点
板管式空气预热器是结合现有管式及板式空气预热器的优点于一身的新型节能设备，巧妙地利用了管式空气预热器零泄漏、检修维护方便、可靠性高及板式空气预热器效率高、结构紧凑、压降低的特点，换热元件——板管呈矩阵式排列。用在高温段的金属换热模块，每一个板管两端焊接在管板上，使每一个板管构成独立的密闭单元。检修维护时不需对整个换热模块进行拆除，只需对单个有问题的换热板管进行更换或封堵，检修维护方便，利于装置长周期高效运行；低温段换热模块所用的换热原件结构形式与高温段一样，只是采用玻璃作为换热元件的材质，排烟温度做到极致（100℃以下）也不会发生腐蚀。
1.3.2 板管式空气预热器工艺性能
板管式空气预热器每一个换热元件截面长宽比高达15-40，板管平直侧壁面面积占整支板管换热面积的90-95%。其流道截面与板式空气预热器流道形状相同，板管布置密度高，传热面积大，具有与板式空气预热器相近的紧凑度，气流在板管平直侧壁面之间流动，呈活塞流，流动阻力小，压降低。
2 板管式空气预热器的工业应用
板管式空气预热器作为一种新型预热器，受到石化行业设计单位及同行广泛关注，目前已在全国已有10多套装置应用，使用效果良好。
2.1装置应用情况
现以中石化某分公司延迟焦化装置加热炉板管式空气预热器的应用情况为例说明：该装置位于我华东沿海，空气湿度大，对室外运行设备的环境适应性要求较高。2018年初，装置加热炉余热回收系统节能改造中选用了板管式空气预热器，改造要求在原热管式空气预热器安装空间基础上进行，相关管道不做大幅度更改，排烟温度降至110℃。
该预热器自投入运行以来各指标正常，图3为装置现场照片。
图3 板管式空气预热器现场照片
改造后空气预热器出口烟气为109℃，较改造前烟气出口温度152℃有明显下降，空气预热器结构紧凑，换热效果达到设计要求并较改造前提高了余热回收效率。设计中预热器的所有高温段烟气出口温度均远高于烟气露点温度，确保预热器高温段不发生露点腐蚀；烟气在预热器内部换热至180℃时，进入低温段换热，低温换热段采用玻璃板管，在预热器底端设置有冷凝水排放口，实时将产生的酸性冷凝液排出预热器。
2.2该装置空气预热器实际运行参数（运行半年后的数据）
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燃料气理化性质和热工性质都可按各组分的体积百分数和各组分的性质计算得到。通过表1燃料气组分及表2烟气氧含量（实测值），核算得出实际运行时进入预热器烟气总流量为42124.7kg/h，空气总流量38386.6kg/h。通过空气预热器烟气进、出口氧含量可以看出，进、出口氧含量没有明显变化，说明空气预热器密封严密，零泄漏。
现场实测预热器的烟气侧和空气侧的压降分别为548.2pa和209.6pa，压力损失较低，均在允许压降范围内。表3 所示为该装置空气预热器工艺性能参数，该预热器高温段烟气出口温度162℃，高于露点温度，可有效防止高温段露点腐蚀，低温段烟气出口温度109℃，符合设计要求。
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3 结 语
通过对目前常见的各类型空气预热器优缺点的对比分析，本文认为新型板管式空气预热器的结构最能代表未来工业炉预热器结构发展趋势，空气预热器材质采用金属和非金属（主要是玻璃材料）结合的形式是未来预热器材质的发展趋势。通过对某炼化企业延迟焦化装置加热炉使用的板管式空气预热器应用情况的分析，认为：新型板管式空气预热器有效解决了低温露点腐蚀难题，空气与烟气之间完全零泄漏、换热效率高、检修维护方便，满足装置长周期安全高效运行的要求，具有极高的推广应用价值。
参考文献
[1] 周建新，宋秉棠，陈韶范，赵殿金，田冲，板式空气预热器的推广应用， 《石油化工设备》，
2007 年 1 月，第 36 卷，第 1 期
[2] 张小筠， 陈韶范， 板式空气预热器的应用及优化设计， 《石油化工设备技术》，
2011 年，第 32 期，第 3 卷
[3] 钱家麟，于遵宏，李文辉，等．管式加热炉：第2版 ［M］．北 京：中国石化出版社，
2003：25 －29
[4] 王礼建，任承钦，林清明，等．热管空气预热器在动力工业炉中的应用与分析［J］．湖南大学学报，
1997：24（5）：50 －54
[5] 武寨虎，程学君，田亮．铸铁双向翅片空气预热器的工业应用［J］．石油和化工设备，
2015，18（2）：52 －54