侯岩，高杰，任向东，张型波，吕庆欢，张向南，魏筱婷
（上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518）
[摘 要] 各种工业炉、锅炉耗能巨大，其烟气余热的回收和利用可在很大程度上节约能源、保护环境，对企业节能降耗、降低运行成本、提高效益具有重要意义。低温位烟气余热回收面临着露点腐蚀失效的危害，在余热利用、材料选择、经济合理等方面存在难题。为此，文章提出余热回收系统的优化，降低烟气中硫和氧含量，同时选用合适的设备和材料，可获得良好的经济效益的途径。 [关键词] 节能减排；烟气余热回收；露点腐蚀；低氧燃烧；金属壁温
作者简介：侯岩（1987—），男，黑龙江齐齐哈尔人，学士学
位，工程师。现从事热交换器、烟气余热回收设备设计工作。
能源是国民经济增长和社会发展必不可少的物质基础[1]。加热炉、各种工业炉、锅炉是高耗能窑炉，资源耗费量大；被列入《能源节约法》中工业节能的重点对象。工业炉燃烧时产生大量高温烟气，烟气余热往往通过对流传热加热物料予以回收，由于规避露点腐蚀、工艺粗放等原因，烟气排烟温度较高，烟气带走了大量的热量，二次能源浪费较大，热利用率较低。对低温位烟气余热加以回收和利用，提高能源利用率，不仅节能增效，而且节能减排，促进生态环境的改善。合理运用相关节能技术，降低排烟温度，实现烟气余热回收的最大化，意义重大。1 余热资源的分类
烟气余热按其温度划分可分为三类：高温余热（温度高于500℃的余热资源）；中温余热（温度在200~500℃的余热资源）；低温余热（温度低于200℃的烟气及低于100℃的液体）[2]。
烟气作为余热载体，烟气余热资源属于二次能源，是一次能源或可燃物料转换后的结果，或是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。2 烟气余热回收技术
烟气热量由两部分组成：(1)物理显热：通过降低烟温来实现；(2)汽化潜热：通过水蒸气冷凝成水的相变来实现。燃料中的硫燃烧后，生成SO 2及少量的SO 3，在高温或有原子氧的情况下，SO 2也可氧化一部分SO 3。SO 3与烟气中的水蒸气形成酸雾（硫酸蒸汽），酸雾凝结时的温度，称为烟气露点。当换热壁面的壁温低于露点时，就会
在换热壁面上凝结成液体硫酸，换热壁面发生腐蚀。通过选择合适的冷介质吸收烟气热量，对于高于烟气露点腐蚀温度的显热，通常通过空气、水等冷却介质在空气预热器、锅炉给水预热器等设备中回收烟气余热；对于低于烟气露点腐蚀温度的部分显热及潜热，需要选择耐露点腐蚀的材料、采用合适的工艺回收烟气余热。
高温余热回收的传热动力足，回收和利用相对容易，高温余热的回收与利用比较普遍；中低温余热热量大，温度分布范围广，但由于低温位传热温差小，易发生露点腐蚀，低温余热回收难度大，跨露点余热回收是难点所在。3 烟气余热回收设备3.1 传统烟气余热回收设备
目前烟气余热回收设备常使用间壁式换热器、蓄能式换热器、热管换热器、余热锅炉等。间壁式换热器中冷热流体分别在固体壁的两侧流动，使热量经过固体壁由热流体传到冷流体，常用的有钢管式换热器、玻璃管式换热器、搪瓷管式换热器、波纹板式换热器、平板式换热器、铸铁板式换热器等多种类型。龚曲此里
（1）钢管式换热器，由钢管、管板和壳体组成，钢管一般采用Φ40mm ×1.5mm 、Φ51mm ×1.5mm 或Φ60mm ×2mm 。将钢管式换热器直接放置在对流室顶部的，称为上置式；将对流室烟气引下来、通过换热器和引风机后再将
- 97 -第1期
烟气由烟囱排出的，称为下置式[3]。
（2）玻璃管换热器，结构形式和钢管式换热器基本相同，但不能承受高温，适宜在烟气露点温度以下工作。搪瓷管换热器在钢管外表面搪瓷，结构与钢管式换热器相同，应避免低温露点腐蚀[4]。
（3）蓄能式换热器，其中冷热流体交替地流过同一固体壁面，实现热量传递，主要类型为回转式换热器。回转式换热器受热面安装在可转动的圆筒形转子中，转子被分割成若干个扇形仓格，并在每个仓内装满了金属薄板做成的传热器件。圆形外壳顶部与底部上下被平分成烟气流通区、密封区、空气流通区，烟气流通区与烟道相互连接，空气流通区与风道连接。受热面的转子旋转，经过烟气流通区，受热面吸收烟气热量，到达空气流通区时，受热面就会将吸收来的热量释放，加热空气，转子每转动一周就完成一个热交换[5]。
（4）热管热交换器由一根根独立的靠工质流体在一端沸腾、另一端冷凝来传递热量的封闭管子组成。热管内蒸发段工质受热后将沸腾或蒸发，吸收外部热源热量，产生汽化潜热，由液体变为蒸汽，产生的蒸汽在管内一定压差的作用下，流到冷凝段，蒸汽遇冷壁面及外部冷源，凝结成液体，同时放出汽化潜热，并通过管壁传给外部冷源，冷凝液靠重力作用下回流到蒸发段再次蒸发。如此往复，实现对外部冷热两种介质的热量传递与交换[6]。
（5）余热锅炉一般由汽包、省煤器、蒸发器、过热器、烟道等组成，分为若干循环回路，每个循环
回路由落水管和上升管组成。锅炉给水首先要通过省煤器，然后水在省煤器中吸收散发的热量，直到上升到略低于汽包压力的饱和温度进入汽包。汽水混合物离开蒸发器，通过汽水分离设备进入上汽包分离水进入汽包内的水空间，进入下降管继续吸热并产生蒸汽，蒸汽从上汽包进入过热器吸热，使饱和蒸汽变成过热蒸汽[7]。
钢管式换热器板式换热器回转式换热器热管式换热器余热锅炉占地面积大小小中小积灰易不易易易易
耐腐蚀性差良好一般差一般
烟气温度低于420℃低于700℃低于400℃低于350℃低于900℃热效率提升5%~15%5%~15%5%~12%5%~12%20%~40%清灰差良好良好差一般压降高中高中中
表1 常见烟气余热回收设备性能对比表
3.2 新型烟气余热回收设备
为根本解决低温烟气余热回收过程中露点腐蚀难题，研制出耐腐蚀性能优异的非金属材料取代金属材质，具有非常重要意义。目前已有氟塑料、石墨、陶瓷等非金属换热器成功地应用在低品位烟气余热回收装置中。
（1）氟塑料烟气余热回收换热器，以小直径氟塑料软管作为换热管束的耐腐蚀热交换设备。常用的氟塑料余热回收换热器的材料有可熔性聚四氟乙烯（PFA）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚全氟乙丙烯（FEP）[8]。氟塑料换热器主要用于工作压力为3～4MPa、工作温度在200℃以下的各种强腐蚀性液态介质。通过对聚四氟乙烯材料的各种填加改性可使其综合性能得到改善。采用高导热系数的塑料换热器，经过优化设计和制作工艺，其综合换热性能可与金属换热器相当[9]。
（2）石墨制成的余热回收换热器，从结构型式上可以采用管式和块孔式两种。由于石墨材料属于脆性材料，而换热器在使用过程中由于温差的变化，易产生应力变形。石墨传热管一般外径较小，长度可达数米，其抗弯强度不足，极易发生断裂，影响换热器的可靠性[10]。从可靠性考虑，更多的采用承压能力强、使用温度高的块孔结构型式。石墨块孔换热芯体是由若干块长方体石墨块堆叠而成，通过特制粘结剂组成整体的石墨块孔芯体结构[11]。
（3）碳化硅换热器，是一种利用碳化硅陶瓷材料作为传热介质的新型换热器。由于碳化硅陶
侯岩等 烟气余热回收中节能设备的应用
节能减排
石油和化工设备
◆参考文献
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策[EB/OL].v/zwgk/2007-12/26/content_844159.
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京：中国标准出版社，2010.
加碳化硅等成分。莫来石陶瓷由于含有比例较高
的玻璃相，其力学、热学性能较差，导热率仅为
1.6W/m•K[13]。碳化硅陶瓷硬度更高，耐腐蚀性能
和热力学性能更好。碳化硅的导热系数高，膨胀
系数低，抗热震性能良好[14]。以莫来石陶瓷为基
体、添加碳化硅成分制成的结构陶瓷提高了单体
材料的力学性能，并使材料的导热率大幅提高，
达到7~8W/m•K[15]。
4 余热回收设备优化
实现烟气余热回收最大化，烟气低温露点腐
蚀带来的设备腐蚀失效难题，可通过装置系统、
设备形式、材质等设计优化综合应用达到余热回
收的理想效果。
科技情报检索4.1 系统工艺优化
烟气余热回收系统中控制烟气硫和氧的含量
从根本上解决烟气露点问题。
藏文网站
（1）控制烟气硫含量可通过系统设置脱硫装
置，采用成熟的脱硫技术进行烟气脱硫。目前脱
硫工艺可分为湿法、半干法、干法三大类。最常
见的脱硫方法为钙法脱硫与氨法脱硫。
（2）控制烟气氧含量可采用低氧燃烧技术，
在对稳定的燃烧工况下，适当降低炉膛出口过剩
空气系数，使送入炉内的氧气既能满足燃料的燃
烧，又能使排烟热损失保持在较低的数值。一般
炉膛出口处过量空气系数控制在低于1.05，最佳控
制在a=1.02~1.03。
4.2 设备形式优化
从烟气露点温度入手，采用提高设备金属壁
温方法，降低液态水的含量，减少液态硫酸对金
属壁面的腐蚀。
（1）采用水热媒技术，利用除氧水作热媒
（中间载热体），建立一个闭路循环系。在水热
媒设备进口和循环水泵入口之间，设置旁路调节
阀，控制换热器的换热量，保证进烟气换热器热
媒水的温度高于露点温度，即烟气换热器的最低
壁温高于露点（一般设计值为130～150℃）。
（2）采用冷端空气幕技术，主要用于平板式
换热器中，通过使空气在入口端形成1~1.5mm的滞
留空气幕，降低入口换热板的换热效率，提高换
热板的板面金属温度。
金属材质，一味地选用耐腐蚀能力更强的金属，
必然增加设备成本，合理地运用非金属材质，可
使低温余热回收装置的经济性得到提升。
（1）采用金属搪瓷技术，接触烟气空间内进
行全部搪瓷，隔绝金属与烟气接触，提高设备使
用寿命。
（2）采用整体非金属材质，在低温烟气中
非金属优异的耐腐蚀能力解决露点腐蚀，目前已
经工业应用的非金属材质有四氟乙烯、石墨、玻
璃、碳化硅陶瓷等。
5 结论
（1）合理选用余热回收设备，考虑综合经济
效益。在烟气高温余热回收中采用余热锅炉、板
式换热器；中温余热回收中采用钢管式换热器、
板式换热器、热管式换热器等；低温余热回收中
采用热媒水设备、冷端空气幕技术的板式换热
器、非金属换热器等。
（2）烟气余热回收系统中工艺上采用脱硫技
术降低硫含量，采用低氧燃烧技术降低氧含量，
设备上提高金属壁温降低液态水析出，将烟气低
温露点腐蚀破坏程度降到最低。
（3）在低温烟气余热回收设备选材中，考虑
设备整体经济性，低温露点温度高于130℃，采用
非金属材质；低温露点温度低于130℃，采用金属
材质。以充分发挥金属材质传热效率高，非金属
材质耐腐蚀强的特点。
（下转95页）
业务流程重组- 95 -第1期
射火焰的热辐射为4.73kW/m2时，中小火焰的影响范围为7～42m，由于喷射火的影响是有方向性的，此时人员可根据火情选择其它路线进行逃生。当热辐射超过4.73kW/m2的较大火焰出现时，火焰可能吞没整层甲板，但出现较大火焰的频率约2×10-4/年，较大火焰影响平台逃生的频率约
3.3×10-5/年，在可容忍的1×10-4/年范围内。高辐射火焰对人员逃生具有灾难性的影响，此时人员无
法按照EER流程逃生，而直接跳海可能成为唯一生还的可能。
盖革计数管3.3 集合
集合区应设置在相对安全的区域，并留出足够的时间使平台人员集合和有序的撤离。根据逃生路线布置图，集合区净面积应按平台定员和0.35m2/人的定额确定，并考虑一定余量。
集合区位于下层甲板，甲板镀有防火防腐涂层，根据表2，甲板能在不低于5分钟时间内防止喷射火焰通过。超过5分钟喷射火发生的频率约1.5×10-5/年，在可容忍的1×10-4/年范围内。如果发生这样的火灾，逃生至集合区的人员直接跳海可能成为唯一生还的可能。
3.4 撤离
平台应提供可靠的撤离措施，保证应急工况下人员从平台安全撤离。撤离方式主要包括救生筏、速降装置等。
另外，平台需配备足够数量的救生设备，比如救生衣等。
研究发现，立管泄漏导致的喷射火焰影响导管架桩腿的持续时间可能超过15分钟，大于导管架桩腿的失效时间。单个导管架桩腿失效频率在8×10-7/年～1×10-6/年之间，处于可容忍的1×10-4年范围内。
根据第二章计算，平台最大撤离时间约26.5分钟。假如导管架桩腿在经过15分钟火灾影响后失效，平台结构失去完整性，此时逃生至集合区的人员无法按照EER流程撤离，直接跳海可能成为唯一生还的可能。
3.5 救援
当人员在应急工况下成功从平台上撤离至海平面上，将等待平台附近的守护船或工作船的救援。
当海底管道泄漏后，大多数中小量的泄漏在海平面不会产生可燃气体云团。假如海管出现大量泄漏，海平面经点燃后会出现持续的火焰，救援船此时可能无法靠近平台。当出现海平面火灾，救援取决于火势大小、风向和水流方向，只有这些条件均满足救援条件时才能安全的靠近平台，实施救援。海平面火灾频率约2×10-6/年，在可容忍的1×10-4/年范围内。
4 结语
对于海上油气开发，各国均要求开展大量的HSE风险评估，中国以定性和半定量风险评估方法为主，在风险评估技术上相对滞后。如果向定量分析的方向发展，应系统地统计各种事故发生的频率并随时更新，与ALARP原则相匹配。
收稿日期：2020-07-31；修回日期：2020-11-16
收稿日期：2020-09-03；修回日期：2020-11-23
[8] 王岩. 氟塑料低温省煤器在燃煤电站的应用[J].能源与节能，2013，(5)：119-120.奥密克戎BA.5.2变异株
[9] 戴传山，李彪，王秋香. 氟塑料换热器研究进展[J].化工进展，2011，30（增刊）：633-636.
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（上接98页）
刘佳等 安全撤离与救生分析在海上油气开发的应用
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