长效钢-水热管的研究与工业应用(海南会议).doc

长效钢-水热管的研究与工业应用

周丽纯 颜祥富 刘群
（岳阳长岭设备研究所有限公司，湖南岳阳，414012，07308477601）

摘 要 碳钢-水热管在使用过程中不凝气（H2）的积聚是常见的问题。通过几年的开发研究，成功地开发出一种既适合于中温又适用于常温下的在线氧化除氢技术。用该技术生产的长效钢—水热管，在石油、化工行业已成功的进行了工业应用。在相同热管数量下，热风平均温度提高20℃以上，节能效果明显；而使用寿命是普通热管两倍以上，取得了节能、降本双重增效的作用。
关键词 热管 不凝气 氧化除氢剂 研究 工业应用

1 前言
热管是一种很好的传热元件，但由于钢-水化学不相容性，导致热管的工作寿命不够长、传热性能不够稳定。尽管目前采取了管内壁钝化、工质中添加缓蚀剂等手段，但热管的生产工艺流程决定了不论表面处理得有多好，在最后的焊接成型过程中内表面钝化膜或多或少的要受到高温破坏。因此，相当多的钢-水热管的工作有效寿命仅在两年左右，远不能满足现有生产周期的要求。
上述问题的存在，迫使国内、外专家进行专题的研究，研制出了热管用氧化除氢剂。早在八十年代初国外专利报道，使用CuO氧化剂可消除热管内不凝气体（氢气），但反应温度需在160℃以上。随着节能工作的深入，人们节能意识的增强，排烟温度较早期的大幅降低，这样，对除氢剂的反应温度提出了新的要求 。目前国内报道最低反应温度不得低于65℃，而国外最新的报道，最低的反应温度为70℃。尽管这样，仍不能满足工业应用要求，尤其在石化行业。为此，我们开始了这一实用技术的开发研究。

2. 氧化除氢剂的反应机理
所研制的氧化除氢剂由电极电位为正值的多种氧化剂复合而成，这些物质具备以下性质：在碳钢-水热管的正常工作温度下不会自行分解，但容易被还原；能与氢发生反应，反应后产物无毒、无腐蚀，且能与热管内工质很好相容；成本较低，存在量大，不与水蒸汽起反应。针对已有的氧化除氢剂反应速度慢、起始温度高等不足，本氧化除氢剂采用了吸附技术及新型复合配方，反应速度提高数倍，反应温度降至常温。其反应机理为氧化还原反应。

3. 试验室研究
本项目的各项研究工作分为：冷态单剂筛选试验研究、热态单剂试验、热态复配试验、热态复配改进试验及除氢剂强度试验等以上几个阶段。通过各阶段的试验研究，最终，我们获得了最优的氧化除氢技术的配方组成。试验结果分别见图1、2、3。

图1 复配后热态强化试验始末端温差趋势图
从图1可以看出：
（1）按配方1生产的热管，在不同条件试验下均具有很好的除氢性能，整个试验阶段无不凝气积聚，热管始终保持了良好的等温性；
（2）添加有配方2、4、5、6、9氧化除氢剂的热管在试验进行5小时后，冷端顶部温度有明显下降。但在其后的试验过程中，通过改变工况，冷端始末点温差逐渐减小，热管温度逐步恢复至启动时状态，直至试验结束；
（3） 配方3、7、8热管开始性能下降后，改变试验工况仍无明显影响，温差随着时间延长逐步增大，到一段时间后趋向稳定。
根据上述分析，配方1的氧化除氢效果最好。因此，后阶段的试验将重点围绕本配方进行。

普通热管 长效热管 普通热管 长效热管

试验启动时红外热像图 试验结束时红外热像图
试验说明：

1.热管内表面进行了酸化去膜处理，工质为蒸馏水，热管制作后马上开始试验。

2.长效热管内除加有氧化除氢剂外，其余制作过程与普通热管一致。

3. 试验条件：冷热端比3:1，光管，自然通风冷却，炉功率6kw

图 2 热管热态对比试验结果

从图2中红外热像图可清晰地看到，添加有氧化除氢剂的长效钢—水热管在运行过程中冷却端温度无明显变化，而普通热管端部出现明显的低温区即不凝气聚积区，两种热管等温性能相差明显；再从趋势图来看，试验启动时，长效热管始末点温差为8℃，普通热管温差为10℃，二者相差不大，运行约70小时后，普通热管始末端两点温差达到最大值51℃，其后基本趋于稳定；而长效热管在整过试验过程，温差在8～10℃范围内波动，无明显变化，说明氧化除氢剂在线去除不凝气的效果明显。普通热管内不凝气的积聚大部分是在启动初期形成的，积聚量达到一定程度后与温度有一定的关系，但与时间无关。

普通热管红外热像图 长效热管红外热像

试验说明：

1.热管内表面进行了酸化去膜处理，工质为加酸蒸馏水，热管制作后静放1个月再开始试验，考察常温下除氢效果。

2.长效热管内除加有氧化除氢剂外，其余制作过程与普通热管一致。

3. 试验条件： 冷热端比1.5:1，光管，自然通风冷却，炉功率12kw

图 3 酸性工质热管冷态、热态对比试验结果

为了考察常温下氧化除氢剂的使用效果，我们在热管工质内加入适量的酸，让其在常温下就能产生不凝气体。长效钢—水热管与普通热管制作后同时静放1个月再进行热态试验，试验结果见图3。从趋势图来看，试验一开始普通热管始末点温差为80℃左右，而长效热管始末点温差只有7℃左右；再从红外热像图看，新型长效热管等温性能极好，整过试验过程均无不凝气聚积区，而普通热管有明显的低温区，即不凝气聚积区，说明该氧化除氢剂在常温下对不凝气就有很好的去除效果。
4. 工业应用情况
4.1 巴陵分公司环己酮部的应用
2003年5月在设备大检修时，对炉3001热管空气预热器原用的萘管改为长岭设备研究所有限公司生产的长效钢-水热管，投用两年多来，使用情况满意，节能效果明显。改造前后，炉子操作参数变化情况见表1。
从两年后设备检修时检查发现，由萘管修复制作成的256支长效钢-水热管中，真空度检测237支合格，4支略有下降，15支失效，合格率94.14％，与同期使用的某厂生产的200支新热管比合格率还高出4.14%，使用效果很好，为此，得到用户好评。

表1 巴陵分公司环己酮部炉3001操作参数变化情况
测试时间
排烟温度
（℃）
热风温度
（℃）
炉实际负荷
（KW）
燃料耗量
（T/h）
2002.9
244
80
22204
1872
2003.5
189
186
24681
2080
2005.4
199
185
24349
1890

4.2 长岭分公司1#联合热管空气预热器
该台位共有热管1034支，其中萘热管318，钢水热管716支，在2003年5月，新更换萘热管120支，钢水热管300支，修复钢水热管207支。投用三年，经测试热管运行很好，热风出口温度一直维持在280℃以上，与前一周期使用的普通热管比，热风温度提高26℃以上，相当于节省燃料费用为103.05万元。
本周期检修时检查，2003年用氧化除氢技术更新及修复的507 支热管，不能使用的热管34支，其中因热管失效25支，另9支热管真空度很好，但因翅片严重腐蚀减薄或脱落，不能继续使用，热管失效率仅为4.93%。这是该台位自使用热管以来，一个运行周期内预热器传热效果保持稳定，热管失效率如此之低，这是前所未有的。
4.3 铂重整炉701应用情况
炉701在2003年大检修时，热管全部更新，共计100支。从运行测试数据看，运行效果很好，在热管支数比前一周期少10%的情况下，热风温度较前一周期高出20℃以上，取得了很好的节能效果，仅此每年可节省标油77.9吨，约节省费用为23.57万元。

表2 长岭分公司铂重整炉701热管预热器监测数据
测试项目
前周期开工
初期监测数据
本周期开工
监测数据
炉701
烟气入口温度℃
222
237
烟气出口温度℃
177
184
空气入口温度℃
32
29
空气出口温度℃
85
108
瓦斯量 （Nm3/h）
750
629
热管数量 （支）
113
100

在本次大检修中，对炉701空气预热器进行了改造，由原来的地面布置改为顶制式，且由原内螺旋片加热管组合式，改造为纯热管式，项目从设备设计到热管预热器制造，全由我公司承担。
从运行标定情况看，各项数据全部达到设计要求，尤其是热效率达90.54%，较改造前提高3个百分点以上，具体数据见表3。

表3 铂重整炉701热管预热器改造前后测试数据对比

排烟温度（℃）
炉效率（%）
热风温度（℃）
改造前
184
87.23
199
改造后
168
90.54
226

4.4 铂重整炉501应用情况
在2003年5月的大检修，炉501 新更换热管100支，修复热管143支，有60支采用普通热管生产的方法修复，另83支热管采用长效钢—水热管的生产方法修复，用两种不同的修复方法考察长效钢—水热管工业应用对比效果。
从炉501运行初期及运行6个月后的数据对比发现：采用长效钢—水热管生产方法修复的热管，冷端顶部温度一直处于较高温度，只有约6%左右略有下降；而采用普通方法修复的热管，冷端顶部温度有66%的温度下降，平均温度降幅为63℃，即大部分在端部有不凝气积聚，二者对比效果非常明显，测试数据见表4、5。
表4 开始投用时两种不同方法修复的热管测试数据对比表
单位 （℃）

序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
9
117
146
150
147
142
145
127
136
127
142
152
151
152
143
10
159
153
147
156
156
148
148
153
147
152
151
152
143

11
121
167
163
154
163
143
157
142
161
153
161
163
179
146
12
179
162
175
158
141
173
179
127
175
169
158
180
183

13
163
183
177
134
167
143
177
179
139
183
151
189
170
156
14
173
195
191
153
152
184
186
183
153
176
191
194
186

15
160
162
185
201
143
173
193
189
186
191
175
153
181
137
16
170
202
176
206
201
198
182
178
187
191
159
179
193

17
147
186
169
210
201
194
174
186
187
208
203
199
167
151
18
166
206
207
187
189
188
181
193
207
213
206
176
159

表5 投用半年后两种不同方法修复的热管测试数据对比表
单位 （℃）
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
9
79
149
148
157
144
152
139
143
154
149
90
85
81
67
10
161
163
158
156
166
148
158
158
142
163
166
162
148

11
91
174
103
93
177
83
166
173
62
76
167
102
175
169
12
181
175
181
175
154
168
178
78
173
182
163
182
186

13
164
198
124
104
96
85
91
175
83
178
99
168
116
86
14
178
200
185
114
99
187
156
193
183
183
199
199
195

15
175
112
133
175
117
101
101
106
96
183
97
97
193
101
16
196
211
210
218
201
204
206
104
91
128
89
200
196

17
171
200
215
221
216
220
108
204
214
204
220
209
176
163
18
189
217
231
226
216
219
214
222
223
218
223
196
168

注： 表4为开始投用时数据，表5为运行6个月后的测试数据，黑体数据为普通钢—水热管冷端顶部温度，其余为新型长效钢—水热管冷端顶部表面温度
使用两年半后，热风温度在170℃左右，较改造前提高20℃左右，取得的节能收益为17.27万元/年。
本周期检修抽出检查，2003年用氧化除氢技术新生产的100 支热管和修复的83热管，失效14根，失效率7.65%；60支用普通热管生产方法修复的热管，失效38支，失效率63.3%，对比效果非常明显。

4.5 铂重整汽油加氢炉应用情况
2004年9月投用，运行一年左右的时间，经测试热管运行很好，热风温度为199℃，与前一周期使用的热管比，热风温度提高21℃。单支热管测温情况也很好，使用一年无一支失效，测试情况见表6。
表6 炉601热管空气预热器热管测温表
单位： （℃）
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
114
117
118
123
112
116
116
124
111
116

2
145
140
137
140
134
140
139
138
151
145
166
3
158
159
164
166
166
173
166
166
164
184

4
164
170
184
186
183
183
176
190
177
183
179
5
196
205
199
198
191
191
185
184
187
192

6
200
212
209
213
213
219
208
207
203
193
168
7
185
224
228
192
214
236
224
212
208
190

8
222
231
245
241
246
246
246
234
213
212
204
9
237
242
245
256
206
258
247
224
232
229

10
227
249
249
247
263
229
264
261
251
230
197
11
253
247
234
237
229
233
232
269
254
246

12
206
261
275
243
266
250
251
217
226
243
231

4.6 铂重整新区炉1101、1102、1202、1203的应用情况
2006年大检修,将铂重整新区炉1101、1102、1202、1203四台内螺旋片预热器,全部重新设计,改用长效热管预热器，开工投用两个月后的测试结果表明,全部达到设计要求,且预热后空气温升最少提高30℃以上，测试结果见表7。
表7 新区热管预热器温度测试表
测试时间
炉名
烟气进口温度（℃）
烟气出口温度（℃）
空气出口温度（℃）
04.09 （改造前）
1101
220
173
87
06.05 （改造后）
1101
246
168
137

04.09 （改造前）
1102
217
180
77
06.04 （改造后）
1102
253
164
149

04.09 （改造前）
1202
185
146
79
06.04 （改造后）
1202
244
162
163

04.09 （改造前）
1203
241
172
99
06.04 （改造后）
1203
238
159
132
4.7 巴陵石化烯烃厂炉1002的应用情况
岳化烯烃厂373支修复热管于今年5月份安装，5月中旬已开始投用。从烯烃厂给我们反馈的信息，使用效果非常好。在烟气入口温度降低30℃的情况下，热风出口温度仍能保持原来的温度，传热性能优于普通热管。

4.8 克拉玛依焦化炉上的应用情况
5月初，为克拉玛依焦化装置设计制作的两台预热器现已进行投用。用户调查反馈表明，经重新设计制作的热管预热器，在外型尺寸没变的情况下，排烟温度降低近40℃，节能效果相当明显。

4.9 南京扬子石化炼油厂加热炉上的应用
国庆期间为扬子石化炼油厂常减压、焦化装置修复热管约1700支，现已安装完毕，正准备开工投用。

4.10 岳化树脂事业部丙烯炉上的应用
丙烯炉在近几年的加热炉测试中，排烟温度一般在270℃以上，尽管对排烟氧含量进行在线优化，但炉子效率一般也只能在85%左右，造成高温余热的浪费。为此，我们对该炉子进行节能改造，增设热管空气余热回收系统，改造前后设计数据见表8。
表8 岳化树脂事业部丙烯炉炉热管预热器改造前后测试数据对比

排烟温度（℃）
炉效率（%）
热风温度（℃）
改造前
270～290
～85
/
改造后
170
90
139～159

本项目11月底进行安装施工，增加预热器后，预计年节省燃料费用约39万元，回收投资期限约10个月。
5 结论
(1) 研制的氧化除氢剂在常温下即具有很好的除氢效果；
(2) 工业应用节能效果明显，在相同热管数量下，热风平均温度提高20℃以上，其效果明显优于普通热管；
(3) 热管使用寿命及性能较普通热管明显提高，使用一个生产周期（三年），垂直放置合格率94%以上，倾斜放置合格率达92%。
(4) 该技术用于热管修复也收到很好效果，但成本相对于新购热管可降低40～60%左右。

6 结语
该技术成果2004年先后在国内第九届热管会议及国际第十三届热管会议发表，获得与会专家一致好评，2006年5月通过了中石化集团公司科技部组织的技术鉴定，2006年8月该技术申报的国家发明专利已被批准并授权。
新型长效热管的研发成功，具有很好的经济效益和社会效益。在同样的热管数量下，因为该热管始终处于高效运行状态，余热回收稳定，炉效率高，可以减少燃料耗量；另一方面，新型长效钢—水热管使用寿命较普通热管提高一倍以上，最大限度的满足了各不同开工周期的要求，同时降低了设备投入成本。因此，真正起到了节能、降本双重增效作用，可大大降低企业的生产运行成本。
该技术既适用于新热管的制作，也适用于旧热管的修复，对石化、冶金、电力等要求长周期运行行业的余热回收设备尤其适用，具有广阔的应用前景。该项技术大面积推广应用，对各行业节能降耗工作将起到一定的推进作用。