管式加熱爐熱效率下降的原因分析及解決措施

王超

（大慶油田化工有限公司東昊分公司油氣處理廠，黑慶江 大慶 163000）

管式加熱爐廣泛應用于石油化工、天然氣化工和有機化學工業(yè)，是一種有燃燒的連續(xù)運轉(zhuǎn)加熱設備。其主要特點是長周期操作、加熱溫度高、傳熱能力大。

1 油氣廠加熱爐熱效率下降的原因分析

1.1 加熱爐的現(xiàn)狀

油氣廠加熱爐為立式圓筒管式加熱爐，目前加熱爐空氣預熱器排煙溫度的平均值為210℃，比設計值160℃高出50℃，同時爐體表面溫度較高，說明加熱爐熱損較大，工作效率有所下降。

1.2 加熱爐熱效率下降的原因分析

1.2.1 空氣預熱器換熱差，排煙溫度高

2012年1～12月加熱爐空氣預熱器排煙溫度的平均值為210℃，比設計值高出50℃。在2013年8月份檢修期間，抽出空氣預熱器換熱管檢查，發(fā)現(xiàn)煙氣側翅片大面積積垢，導致熱阻增加，換熱效率降低。同時，少數(shù)預熱器換熱管已嚴重損壞，失去換熱作用。

1.2.2 對流段爐管積灰，換熱效率低

檢查對流段爐管，發(fā)現(xiàn)對流段底部爐管表面有積灰，但無法確定積灰量。在8月份檢修期間打開加熱爐后，進入對流室檢查發(fā)現(xiàn)爐管表面積灰情況較嚴重，造成介質(zhì)傳熱阻力增大，傳熱效率下降。爐管積灰每增厚1mm，爐膛溫度就要上升60～70℃，排煙溫度上升20℃，熱效率下降1%。

1.2.3 爐體保溫有破損，散熱損失大

對相關參數(shù)進行測量后，計算了加熱爐的散熱損失量。加熱爐全年運行時間為330天，總供熱量約為19972.7×1010J/年，平均散熱強度以 658.8W/m2計算，可以得出散熱損失占其總供熱量的2.95%。同時對加熱爐爐體保溫進行檢查，發(fā)現(xiàn)保溫層表面出現(xiàn)少量裂紋，頂部表面出現(xiàn)少量粉化脫落情況。

1.2.4 爐火燃燒效果差，不完全燃燒損失大

煙氣含氧量和爐膛壓力是影響加熱爐燃燒效果的主要參數(shù)。目前工藝卡上對上述兩參數(shù)的控制范圍較大，容易造成燃料氣燃燒不充分，增加不完全燃燒損失，加熱爐熱效率下降。

2 解決加熱爐熱效率下降的措施

2.1 更新空氣預熱器換熱管

空氣預熱器是回收加熱爐排煙余熱的重要設備，空氣預熱器換熱管換熱效率的高低影響加熱爐熱效率。由于長期的運轉(zhuǎn)導致加熱爐空氣預熱器換熱管積硫結垢嚴重，并有少量換熱管已損壞。因此，對加熱爐空氣預熱器的326根換熱管進行更新，降低排煙溫度。改造結束后，加熱爐排煙溫度為150～160℃，達到設計值。同時每年定期對空氣預熱器換熱管進行除硫除垢處理，確保加熱爐排煙溫度在較低范圍。

2.2 清除對流段爐管積灰

對流傳熱是加熱爐能量交換的重要組成部分，傳熱阻力能夠影響對流換熱效率，進而影響加熱爐熱效率。利用高壓空氣對對流室爐管進行吹灰，清除了爐管表面積灰，達到降低傳熱阻力，增強傳熱效果，提高加熱爐熱效率的目的。

2.3 修復爐體保溫層

管式加熱爐外壁主要以輻射和對流方式向大氣散熱，爐壁散熱損失越大，熱效率越低。

為此，在保溫層破損處采用高鋁纖維模塊保溫耐火材料修復保溫層，該材料具有重量輕、導熱性能低、易安裝、纖維模塊彈性好不易裂縫等特點。修復后，加強爐體保溫效果，減小爐壁面的散熱損失。

2.4 正交試驗確定加熱爐運行參數(shù)最佳值

影響加熱爐熱效率的因素很多，如原油處理量、空氣預熱溫度、燃料氣品質(zhì)、爐出口溫度、煙氣含氧量、爐膛壓力等等。為優(yōu)化加熱爐燃燒效果，減少不完全燃燒損失，經(jīng)過全面考慮后，最后確定爐出口溫度、煙氣含氧量、爐膛壓力為本試驗的試驗因素，分別記作A、B、C，進行三因素四水平正交試驗，因素水平表見表1所示。

表1 加熱爐熱效率正交試驗設計表

試驗號并非試驗順序，為了排除誤差干擾，試驗中可隨機進行；安排試驗方案時，部分因素的水平是采用隨機安排的方式進行的。

由上表可知，三個因素的優(yōu)水平組合為A3B2C3，即影響加熱爐熱效率各因素的最優(yōu)控制條件為爐出口溫度為216℃，煙氣含氧量為4%，爐膛壓力為-31Pa。

觀察表中數(shù)據(jù)，比較各因素的極差R值的大小，可見RA＞RB＞RC，所以因素對試驗指標影響的主、次順序是ABC。即爐出口溫度的影響最大，其次是煙氣含氧量、爐膛壓力。通過試驗找到了加熱爐主要運行參數(shù)的最佳控制值，為燃料氣完全燃燒提供依據(jù)，同時減少不完全燃燒損失，確保加熱爐高效運行。

3 經(jīng)濟效益和社會效益

3.1 經(jīng)濟效益

所有措施耗費共計40萬元，若以2013年1～6月原穩(wěn)裝置加熱爐天然氣消耗量209×104m3為參照，當加熱爐熱效率由83.30%提高至89.42%，根據(jù)天然氣消耗量與加熱爐熱效率的關系，推算出全年可節(jié)約天然氣28.61×104m3，按照天然氣市場價格1.90元/m3計算，可創(chuàng)造經(jīng)濟效益54.36萬元。由此可計算出投資回收期為0.74年。

3.2 社會效益

節(jié)約天然氣28.61×104m3，可使溫室氣體減排約657.72t。本次活動節(jié)約能源消耗，減輕環(huán)境污染，同時為企業(yè)打造綠色化工企業(yè)做出了貢獻。

4 結語

針對原穩(wěn)裝置加熱爐熱效率下降的問題，通過采用正交試驗的方法，改善加熱爐燃燒效果；通過更新空氣預熱器換熱管、對爐管吹灰、修復保溫層的措施解決了加熱爐排煙溫度高、熱效率低的問題。措施實施后，原穩(wěn)裝置加熱爐熱效率提高了6.12個百分點，可節(jié)約天然氣28.61×104m3，為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益31.47萬元/年，投資回收期為1.27年；同時減少溫室氣體排放657.72噸，實現(xiàn)節(jié)能減排。管式加熱爐還有很多可以改造的空間，今后我們爭取在以下幾個方面取得進展。

（1）增加在線超聲波防垢設備對爐管進行除垢處理，超聲波防垢技術利用聲能量的作用，使灰垢脫落，被煙氣流帶走，從而清除爐管外部的積灰。

（2）煙氣余熱回收。采用新技術改良現(xiàn)有空氣預熱器，盡量減少結垢或容易除垢，降低維護成本。

（3）采用新型加熱爐全密封技術。高鋁纖維模塊雖然在材料性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，但在爐體拐角、開孔等處易產(chǎn)生分層、破損及脫落，可考慮在這些地方采用新的全密封技術，進一步控制加熱爐的泄漏和散熱。