管式加熱爐節(jié)能技術(shù)分析與應(yīng)用

秦書順 李偉英 張中軍（錦西石化公司）

錦西石化加氫精制裝置反應(yīng)加熱爐為雙面輻射臥管箱式爐，于1994年8月投產(chǎn)，由北京石化工程公司設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)規(guī)模80×104t/a。2004年由錦西煉化總廠設(shè)計(jì)院進(jìn)行擴(kuò)能改造設(shè)計(jì)至100×104t/a，年加工時(shí)數(shù)8400 h，該加熱爐設(shè)計(jì)負(fù)荷7.559MW，設(shè)計(jì)熱效率87%。

該加熱爐已服役20年，熱效率已遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)值，而且外部鋼板腐蝕漏風(fēng)，爐襯老化脫落，空氣預(yù)熱器腐蝕結(jié)垢十分嚴(yán)重，燃燒器燃燒效果差，難以滿足生產(chǎn)需求并且造成能源的巨大浪費(fèi)。2013年裝置大檢修期間對加熱爐進(jìn)行了大規(guī)模的節(jié)能技術(shù)改造，由東北煉化工程葫蘆島設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，此次設(shè)計(jì)爐效率為89.4%，在加熱爐原有的基礎(chǔ)上對加熱爐進(jìn)行節(jié)能改造。

1 封堵漏風(fēng)

加熱爐所用空氣，應(yīng)全部從燃燒處供給，從其他部位漏入的空氣，難以起到有效的助燃作用，而且這部分空氣沒有經(jīng)過預(yù)熱，不參與燃燒的空氣勢必會增加過剩空氣量，造成排煙熱損失增大，而且會加劇爐內(nèi)部構(gòu)件氧化，提高SO2向SO3轉(zhuǎn)化率，加劇露點(diǎn)腐蝕，嚴(yán)重影響加熱爐熱效率。據(jù)資料介紹，過?？諝饬棵吭黾?%～8%，加熱爐熱效率降低約1%。改造前的加熱爐輻射室、對流室爐皮鋼板腐蝕嚴(yán)重，有很多縫隙，防爆門、看火孔、人孔、風(fēng)道等密封不嚴(yán)，大量環(huán)境空氣進(jìn)入爐體，導(dǎo)致過?？諝庀禂?shù)高。針對這樣的現(xiàn)狀，檢修改造期間做了如下措施：一是更換了全部爐皮鋼板，包括防爆門、看火孔、人孔、風(fēng)道等附屬設(shè)施；二是對物料管進(jìn)出口管套，對流室管板縫隙、空氣預(yù)熱器與爐體連接處等易漏風(fēng)部位重點(diǎn)檢查和封堵，有效控制爐體的漏風(fēng)現(xiàn)象，提高爐體密封性。改造后的過?？諝庀禂?shù)可保持在1.1，對使用多年的加熱爐來說封堵漏風(fēng)是一項(xiàng)非常有效的節(jié)能措施。

2 襯里改造

加熱爐襯里在加熱爐內(nèi)部和外部環(huán)境之間起到隔熱的作用，爐體的散熱損失是加熱爐熱損失的重要部分，能夠有效地降低這部分損失也是提高加熱爐熱效率的有效途徑。

原加熱爐輻射室采用耐火纖維襯里，雖然絕熱性能較好，但是耐火纖維強(qiáng)度低，抗氣流沖刷能力差，而且安裝時(shí)層間和接縫等部位多使用粘結(jié)劑粘接，隨使用時(shí)間推移會出現(xiàn)損壞甚至脫落。改造前的加熱爐輻射室外表面溫度就有明顯超標(biāo)，最高溫度可達(dá)170℃，為提高爐體絕熱性能，在節(jié)能改造中拆除原耐火纖維襯里，采用耐火澆注型襯里，澆注料是由骨料、耐火粉料和膠結(jié)劑按一定比例配制而成，施工時(shí)加水?dāng)嚢杈哂休^好的流動性，再經(jīng)成型、養(yǎng)護(hù)使其凝結(jié)、硬化即可，砌體具有結(jié)構(gòu)接縫少、整體性強(qiáng)、硬度高、抗沖刷能力強(qiáng)、密封性好、易于錨固等優(yōu)點(diǎn)。改造前后兩種襯里的對比見表1。

經(jīng)過改造，加熱爐爐體表面溫度顯著降低，圖1、圖2是輻射室上部兩塊爐體鋼板改造前后測點(diǎn)溫度，兩次測點(diǎn)的環(huán)境溫度比較接近，從數(shù)據(jù)對比可以看出改造后的襯里可以有效降低爐體的散熱損失。

表1 加熱爐襯里改造前后對比

圖1 改造前（2013年8月份）

圖2 改造后（2014年4月份）

3 余熱回收系統(tǒng)改造

加熱爐煙氣帶走的熱量是加熱爐熱損失占比最多的部分，高效地回收煙氣熱量對加熱爐熱效率的提高至關(guān)重要。一般加熱爐對流室排煙溫度大概在300～400℃，讓這部分煙氣在空氣預(yù)熱器內(nèi)與風(fēng)道內(nèi)的空氣換熱，提高入爐空氣的溫度，達(dá)到余熱回收的目的。原加熱爐空氣預(yù)熱器為鋼管式，其排煙溫度高達(dá)200℃，原因是空氣預(yù)熱器結(jié)垢、腐蝕導(dǎo)致?lián)Q熱效果差，改造中重新核算了空氣預(yù)熱器的負(fù)荷，確定合理的排煙溫度，更換了新的空氣預(yù)熱器。

隨著排煙溫度越來越低，在高效地回收了熱能的同時(shí)也凸顯出另外一個問題，那就是露點(diǎn)腐蝕。露點(diǎn)腐蝕的機(jī)理【1】：一般加熱爐的燃料中均含有少量的硫，硫經(jīng)過燃燒生成SO2，由于燃燒室內(nèi)有過量的氧氣存在，所以又有一部分SO2進(jìn)一步與氧結(jié)合形成SO3，高溫?zé)煔庵械腟O3不腐蝕金屬，但隨著煙氣溫度的降低，SO3將與水蒸氣結(jié)合生成硫酸蒸汽，當(dāng)硫酸蒸汽冷凝在金屬表面上就發(fā)生了露點(diǎn)腐蝕。露點(diǎn)腐蝕的溫度與燃料中含硫量有著直接的關(guān)系，所以排煙溫度應(yīng)根據(jù)燃料的含硫情況而定，燃料中的硫含量并非一成不變，而一般加熱爐的排煙溫度卻很難隨之做出調(diào)整，所以此次改造中為加熱爐的風(fēng)道增加了一套冷旁路控制系統(tǒng)（圖3），空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)排煙溫度為130℃，對應(yīng)燃料硫含量100mg/m3，若燃料含硫增加，可以通過空氣冷旁路調(diào)節(jié)排煙溫度，而且北方四季溫差較大，通過冷旁路的調(diào)節(jié)可以將排煙溫度始終保持在合理的溫度，這樣既有效地回收了煙氣的熱量，也可以最大限度地保護(hù)設(shè)備。

圖3 加熱爐余熱回收系統(tǒng)流程圖

4 燃燒器改造

燃燒器是管式加熱爐的重要部件，燃燒器的性能不僅直接決定著燃燒工況，對加熱爐的熱負(fù)荷、熱效率、爐管的熱強(qiáng)度、加熱的均勻性以及對環(huán)境污染都有著重要的影響。尤其在節(jié)能方面，采用低耗高效的新型燃燒器，是提高加熱爐熱效率的有效措施，隨著技術(shù)的進(jìn)步，燃燒器的種類也越來越多，燃燒器的選用依然要根據(jù)具體的爐型、結(jié)構(gòu)、燃料性質(zhì)、工藝要求等條件，合理正確地選擇燃燒器類型。

原加熱爐燃燒器為普通丁字管式，使用時(shí)間較長，噴嘴經(jīng)過長期使用出現(xiàn)孔徑變大、磨損，造成火焰過長而形成不完全燃燒，燃燒器各處密封不嚴(yán)等都導(dǎo)致燃燒工況較差。為了徹底改善燃燒工況，改造中采用了新型低NOx燃?xì)馊紵?，型號為WFNQ-DQ0.25，其適用于焦化、加氫等底燒附墻火焰加熱爐，該燃燒器獨(dú)特的火盆磚設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)最佳空氣流道，使火焰強(qiáng)力附墻燃燒，獨(dú)特的內(nèi)外氣槍結(jié)構(gòu)布置及各噴頭噴孔大小與噴射角設(shè)計(jì)，使燃料與助燃空氣在火盆內(nèi)腔混合點(diǎn)燃并產(chǎn)生強(qiáng)力渦旋燃燒，形成剛性好的寬扁平附墻火焰（圖4）。

圖4 燃燒器燃燒效果圖

5 結(jié)論

從加氫精制裝置加熱爐改造后的實(shí)際運(yùn)行效果和前后數(shù)據(jù)對比（表2）來看，此次改造比較理想，密封和保溫的改造有效地控制了過?？諝庀禂?shù)和散熱，空氣預(yù)熱器的更新降低了排煙溫度，同時(shí)冷風(fēng)路系統(tǒng)也有效地控制了排煙溫度降低帶來的負(fù)面影響，燃燒器的更新使加熱爐的燃燒工況非常理想，加熱爐整體效率提高6.9%。改造所投入的資金將在2年內(nèi)收回。

表2 加熱爐改造前后對比

6 新節(jié)能技術(shù)展望

加熱爐節(jié)能技術(shù)隨著科技的進(jìn)步也慢慢走向數(shù)字化，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于加熱爐的優(yōu)化運(yùn)行，將是加熱爐節(jié)能技術(shù)的未來方向，在國外已得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)也有大型加熱爐逐漸使用計(jì)算機(jī)技術(shù)。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用可以有效提高加熱爐運(yùn)行的自動化，通過計(jì)算機(jī)的分析控制，可以準(zhǔn)確、長期地保證加熱爐高效運(yùn)行，解決人為控制易偏離最佳工況和操作調(diào)節(jié)頻繁的弊端。目前可實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)有煙氣含氧量閉環(huán)控制、低氧燃燒控制、加熱爐熱效率在線計(jì)算等。

此外，輻射噴涂也在加熱爐節(jié)能方面取得不錯的效果，在管式爐爐膛內(nèi)表面噴涂高溫輻射涂料，可增加輻射傳熱量。其節(jié)能原理為：爐內(nèi)壁常用的耐火材料（耐火磚、耐火混凝土、耐火纖維氈三大類）輻射系數(shù)較小，高溫輻射涂料輻射系數(shù)高，涂抹后會增加熱源對爐壁的輻射傳熱量，使?fàn)t壁表面溫度上升，對爐管的傳熱量也顯著增加，可相應(yīng)減少燃料的消耗，從而到達(dá)節(jié)能的目的。

[1]代有凡.石油化工廠設(shè)備檢修手冊第七分冊加熱爐.北京:中國石化出版社,1995:14-18.