加熱爐余熱回收系統(tǒng)常用預(yù)熱器選型

吳昊 楊振澤 楊溪榮

摘 ?????要：加熱爐是煉油企業(yè)的主要耗能設(shè)備。利用煙氣余熱回收技術(shù)可以在相當(dāng)程度上降低加熱爐排煙溫度，使加熱爐運(yùn)行中的熱效率得到相應(yīng)的提高，進(jìn)而提高能源利用率，這對(duì)于煉油企業(yè)降本增效具有非常重要意義。從技術(shù)原理、技術(shù)特點(diǎn)、適用范圍、節(jié)能效果等多方面，分析了目前煉油企業(yè)加熱爐上常用的幾種煙氣余熱回收技術(shù)，指出應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的需要、節(jié)能效果分析等，針對(duì)不同排煙溫度的加 熱爐采用不同的余熱回收技術(shù)。

關(guān) ?鍵 ?詞：加熱爐;熱效率;余熱回收;空氣預(yù)熱器

中圖分類號(hào)：TQ 052 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）02-0431-03

Abstract： The heating furnace is a main energy consumption equipment in refining enterprises. The exhaust temperature of the flue gas can be significantly reduced by means of the waste heat recovery， thus the heat efficiency can be improved， which has the important meaning for reducing costs and improving efficiency in refining enterprises. The common waste heat recovery technologies for the heating furnace were analyzed in terms of principle，characteristics，applicability and energy-saving effect. It's pointed out that， according to actual situation and energy conservation effect， different waste heat recovery technologies should be adopted on the basis of different exhaust temperatures.

Key words： Energy conservation effect; Heat efficiency; Waste heat recovery; Air preheater

加熱爐作為在石油煉化和工業(yè)化學(xué)品生產(chǎn)行業(yè)的加工裝置的主要能耗設(shè)備，它消耗的燃料在整套運(yùn)行裝置中的能源消耗比重比較大，平均占到 39%，加熱爐在裝置運(yùn)行時(shí)能量利用率的高低影響著煉化生產(chǎn)單位的生產(chǎn)狀態(tài)和盈利狀況。但與此同時(shí)，也不能盲目單一追求過(guò)高的熱效率，使得一次投資過(guò)高或產(chǎn)生尾部換熱面低溫露點(diǎn)腐蝕與粘灰堵塞的情況，影響整個(gè)裝置的長(zhǎng)周期安全生產(chǎn)。以下生產(chǎn)線中的加熱爐燃料消耗量，占整個(gè)生產(chǎn)裝置總能耗的比例為：常減壓蒸餾裝置一般為 82%～92%，焦化裝置約為 90%，連續(xù)重整裝置約 為 82%，柴油加氫裝置約為30%[1]。所以，將加熱爐在運(yùn)行過(guò)程中的能量利用率在一定范圍內(nèi)合理提高，以此手段來(lái)降低加熱爐燃料消耗量，對(duì)于響應(yīng)習(xí)近平總書記“綠水青山就是金山銀山”的口號(hào)、落實(shí)各地方政府“節(jié)能減排”政策、優(yōu)化煉油化工企業(yè)生產(chǎn)商的經(jīng)濟(jì)效益和改善地方環(huán)境水平，都有著非常積極的作用。

1 余熱回收技術(shù)

能量利用率是評(píng)價(jià)加熱爐在設(shè)計(jì)層面上合理性與經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)關(guān)鍵因素， 煉化裝置加熱爐運(yùn)行時(shí)熱量利用效率直接影響著煉油裝置運(yùn)行時(shí)能量消耗的多寡，將石化加熱爐能量利用率適當(dāng)提高，即意味著減少燃料的消耗量、降低生產(chǎn)成本、減小裝置在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中的能量消耗。將加熱爐運(yùn)行能量利用率提高的目的是為了減少能量消耗，而煉化裝置中的加熱爐可以采用的節(jié)能解決方案，比一般工業(yè)用爐可選擇的手段更多，因?yàn)榻?jīng)過(guò)的傳熱流體介質(zhì)，在進(jìn)入其他環(huán)節(jié)完成蒸餾或后續(xù)加工工序之后，需要將介質(zhì)熱量減小到一定程度才可以流出裝置進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)。一系列復(fù)雜的熱交換過(guò)程往往在溫度較低的原料和溫度較高的產(chǎn)品之間發(fā)生。一套裝置內(nèi)通常有多臺(tái)加熱爐，除此之外，還有各種其它的熱量交換器，可以將熱量在它們之間循環(huán)利用以提高能量利用率。

優(yōu)化加熱爐運(yùn)行時(shí)的熱量利用率常用手段，主要有使排煙時(shí)的溫度盡可量低、使過(guò)?？諝庀禂?shù)盡量小、避免不充分燃燒、降低能量在傳遞過(guò)程中的耗散等。上面提到的這幾種解決方案中，煙氣中剩余熱量的回收和二次利用、減少排煙帶走的熱量是實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中優(yōu)化加熱爐熱量利用率、減少加熱爐運(yùn)行時(shí)能量消耗的最可靠和最穩(wěn)定的成熟解決措施。

將煙氣的余熱進(jìn)行回收來(lái)提高加熱爐熱效率的手段非常多：盡可能的降低對(duì)流室末端的溫差;在對(duì)流室的尾部引入其它需要加熱的低溫流體介質(zhì);將煙氣余熱鍋爐外置進(jìn)而產(chǎn)生蒸汽;設(shè)置空氣預(yù)熱器以對(duì)燃燒用空氣的溫度升溫以達(dá)到預(yù)熱的目的等。其中煉油裝置中經(jīng)常采用的就是設(shè)置煙氣-空氣熱量交換器來(lái)對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱的方案。本文重點(diǎn)闡述煙氣-空氣熱量交換器的各種方案。

收集并利用煙氣剩余熱量將燃燒用空氣升溫的方案五花八門，但具體可將其分為用煙氣的熱量間接將空氣升溫預(yù)熱和用煙氣的熱量直接將空氣升溫預(yù)熱兩個(gè)種類。

把煙氣的熱量間接傳遞給空氣并使其升溫的方案可分為工藝分支物流預(yù)加熱空氣、冷進(jìn)料熱油預(yù)加熱空氣、熱載體預(yù)熱空氣等等。各種煙氣間接預(yù)熱空氣方案的不可替代的優(yōu)越性和先進(jìn)性體現(xiàn)在，將液體介質(zhì)引入煙氣和空氣中間，在氣相和液相之間進(jìn)行熱量的交換過(guò)程，管束外的介質(zhì)為氣相，可以將釘頭或翅片設(shè)置在換熱管上來(lái)使傳熱面積增大進(jìn)而加強(qiáng)傳熱效果，進(jìn)而使材料面積減小?？墒牵瑹煔鉄崃块g接傳給空氣預(yù)熱的缺點(diǎn)也無(wú)法忽略，它在實(shí)際過(guò)程中通常都會(huì)因工藝流程的因素而產(chǎn)生約束，很難獨(dú)自成為體系，而且還會(huì)使實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的工藝操作難以掌握。所以，只有在特殊介質(zhì)載熱體爐和塔底二次沸騰爐使用熱載體對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱方案，間接預(yù)熱空氣的方案在新建的煉油化工裝置項(xiàng)目中一般都不予考慮。

煙氣直接預(yù)熱空氣的方案就不需要熱量交換第三方介質(zhì)，煙氣可以直接經(jīng)過(guò)熱量交換器的交換面，將熱量傳遞給空氣。雖然存在氣相給氣相傳熱效率低的短板，可是它不受其它工藝過(guò)程的影響，獨(dú)自成為一個(gè)孤立的體系，就算是余熱回收系統(tǒng)發(fā)生故障停止工作時(shí)，也不會(huì)使整個(gè)的工藝過(guò)程和裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)流程受到波及，所以，它在石油化工裝置的管式爐上得到了非常普遍的應(yīng)用[2-4]。

由于不同類型剩余熱量再利用技術(shù)設(shè)備的構(gòu)造與運(yùn)行機(jī)理以及適用條件不一樣，下面主要探討鋼管形式的煙氣-空氣熱量交換器、熱管形式的煙氣-空氣熱量交換器、板狀形式的煙氣-空氣熱量交換器、鑄鐵形式的煙氣-空氣熱量交換器等剩余熱量回收技術(shù)和設(shè)備。

2 常用預(yù)熱器的類型

2.1 鋼管式空氣預(yù)熱器

鋼管式空氣預(yù)熱器具有構(gòu)造形式簡(jiǎn)單、制造加工方便、市場(chǎng)價(jià)格低廉等優(yōu)越性;但其不足之處是進(jìn)行熱量交換時(shí)，熱流量密度相對(duì)來(lái)說(shuō)不大，而當(dāng)量直徑尺寸較大，需要的幾何面積或空間較多，特別是在低溫工況運(yùn)行的情況下，其受熱面因積灰導(dǎo)致堵塞與露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題較為嚴(yán)重。

即便在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以采用各種措施降低低溫露點(diǎn)腐蝕的程度，但除了過(guò)多地提高排煙溫度、降低熱效率外，露點(diǎn)腐蝕和積灰堵塞仍然存在。所以在設(shè)計(jì)之初，預(yù)熱器低溫部位受熱面的檢查、積灰的清理和零部件更換等問(wèn)題應(yīng)要充分考慮。對(duì)于上置式空氣預(yù)熱器，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)便于從側(cè)面抽出，這樣可以在不起吊煙囪和鋼構(gòu)件的前提下對(duì)鋼管進(jìn)行更換。

由于預(yù)熱器的受熱面采取了可拆卸結(jié)構(gòu)，并且構(gòu)件的熱膨脹也要考慮進(jìn)去，所以各連接部位的密封應(yīng)特別注意。如果煙氣中混入空氣，就會(huì)大大降低煙氣的溫度，造成不必要的露點(diǎn)腐蝕與積灰堵塞。

2.2 ?熱管式空氣預(yù)熱器

熱管是一種熱效率很高的傳熱元件，管的兩端為密封形式，并將管內(nèi)抽成真空后引入工質(zhì)。當(dāng)加熱管的一端（熱端）時(shí)，工質(zhì)開始吸熱，并蒸發(fā)，然后向另一端（冷端）流入，在冷端，工質(zhì)將吸收的熱量傳遞給管外的冷介質(zhì)，從而產(chǎn)生冷凝液，冷凝液又流回?zé)岫?，再吸收熱量并蒸發(fā)，循環(huán)往復(fù)，將管兩端的熱量進(jìn)行傳遞。由于工質(zhì)在溫度不變時(shí)汽化過(guò)程中所吸收的熱量數(shù)值比較大，所以在非常微小的溫差工況下就能來(lái)回傳遞管子兩端大量的熱量。將若干根上述熱管按照一定形式排列組裝起來(lái)，就組成了熱管空氣預(yù)熱器。熱管式空氣熱量交換器的一般構(gòu)造，主要包括熱交換管管束、熱量阻隔板和外殼三個(gè)基本部分。這三部分組成了煙氣和空氣的通道。蒸發(fā)發(fā)生段與冷凝發(fā)生段用隔板將熱管隔離，與此同時(shí)，煙氣通道與空氣通道也被隔離開來(lái)。由于煙氣側(cè)的壓力為負(fù)（微真空狀態(tài)），空氣側(cè)的壓力為正（微正壓狀態(tài)），所以隔板與熱管之間需要嚴(yán)格密封，一旦有空氣大量地流進(jìn)煙氣，就會(huì)大大降低了熱效率。

從以上的熱管工作原理敘述中可知，它利用的是蒸發(fā)與冷凝兩個(gè)換熱效率很高的相變傳熱過(guò)程和一個(gè)流動(dòng)與熱力阻力極小的流動(dòng)過(guò)程，所以具有極好的傳熱性能。相變傳熱的條件只需極小的溫差，且傳遞的是汽化潛熱，其傳熱量比顯熱大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而且熱管在軸向方向的導(dǎo)熱熱阻非常小，且對(duì)管長(zhǎng)的敏感性極小，幾乎是一個(gè)不變的常數(shù)。傳熱流程尺寸越長(zhǎng)，采用熱管的優(yōu)勢(shì)越明顯。

2.3 ?板式煙氣-空氣熱量交換器

板式空氣熱量交換器的傳熱的核心元件是板片。傳熱的板片為波紋制式的薄金屬板。波紋不但可以使傳熱效果得到強(qiáng)化，還可以在一定范圍內(nèi)使薄板的許用強(qiáng)度和剛度提高。波紋還可以促使介質(zhì)的流態(tài)逐漸擺脫層流，而趨向湍流，可以減小沉淀物和污垢的形成的概率，起到一定的自清灰效果。若干板片按照一定規(guī)律排列組合，組成板束。板束主要有可拆卸的夾緊式與不可拆卸的焊接式兩類結(jié)構(gòu)。一般地，可拆卸的夾緊結(jié)構(gòu)用于溫度低于250 ℃，設(shè)計(jì)壓力低于2.5 MPa時(shí)的設(shè)計(jì)工況。板式空氣熱量交換器的操作壓力并不高，一般情況下，在低溫段工況下運(yùn)行時(shí)主要采用可拆卸的夾緊結(jié)構(gòu)，更有利于在進(jìn)行清洗或者更換被腐蝕了的板片時(shí)拆開板片。不可拆卸的焊接結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于板式空氣預(yù)熱器的高溫段，其原因是由于在高溫段工況下，較少發(fā)生積灰情況，或積的是干灰，吹掃清理比較容易;另一個(gè)原因是避免在高溫工況下?lián)p壞夾緊墊片，導(dǎo)致空氣流入，使傳熱效果大打折扣。

板狀形式的煙氣-空氣熱量交換器中，氣流在兩板之間流動(dòng)，氣體流動(dòng)通道的流動(dòng)阻力幾乎可以忽略不計(jì)， 所以其氣體側(cè)壓降與其它類型的空氣預(yù)熱器相比較要小很多。板狀形式的煙氣-空氣熱量交換器氣流流動(dòng)截面面積，僅相當(dāng)于進(jìn)出口截面面積的一半， 截面的變化程度不大; 熱量傳遞板片與管子比較亦不一樣，板片的進(jìn)口處和出口處可以很方便地加工成流線形狀， 所以，由于截面的變化而產(chǎn)生的局部阻力系數(shù)基本為零。一般情況下， 板狀形式的煙氣-空氣熱量交換器的沿程阻力，約等于同樣流通長(zhǎng)度管束式煙氣-空氣熱量交換器的2/5～3/5， 這對(duì)于風(fēng)機(jī)減少動(dòng)力消耗， 降低成本大有裨益。

2.4 ?鑄鐵空氣預(yù)熱器

鑄鐵空氣預(yù)熱器具有獨(dú)特的鑄鐵翅片結(jié)構(gòu)，傳熱表面包括了幾排水平鑄鐵管，互相疊加，煙氣在管外側(cè)垂直向下流過(guò)?？諝庠诠茏觾?nèi)部以交叉和逆流的方向流過(guò)，管排都是獨(dú)立的，提供了多管程的布置，保證了最大的傳熱面。低溫爐管外側(cè)翅片，內(nèi)側(cè)光滑，在接近露點(diǎn)時(shí)提供較高金屬溫度，整個(gè)煙氣外表面的垂直翅片成線性布置，全部的表面被煙氣掃過(guò)，因此不易積灰，可以長(zhǎng)時(shí)間不做清掃處理。

鑄鐵段通常采用灰鑄鐵，其材質(zhì)自身的物理特性，使其具有較好的彈性、耐高溫性以及對(duì)大部分侵蝕金屬的化合物具有惰性，因此灰鑄鐵比鋼材質(zhì)的部件在相同的操作條件下具有更長(zhǎng)的使用壽命，即使鑄鐵和鋼部件具有相同的厚度。另外，灰鑄鐵在特殊加工后，比球墨鑄鐵擁有更好的抗腐蝕性，但需要注意的是，鑄鐵本身并不能徹底解決腐蝕問(wèn)題[5-7]。

3 ?結(jié) 論

受國(guó)內(nèi)外能源供需形勢(shì)的影響，能源供應(yīng)緊張，降低能耗提高能源利用率已成為石化行業(yè)當(dāng)務(wù)之急。煉油化工裝置中加熱爐是該行業(yè)的主要耗能設(shè)備之一，如何設(shè)計(jì)好利用好余熱回收系統(tǒng)以提高加熱爐的熱效率，進(jìn)而提高能源利用率，優(yōu)化煉油化工企業(yè)生產(chǎn)商的經(jīng)濟(jì)效益和能效水平都有著十分深遠(yuǎn)的意義。。

煉油廠很多裝置的圓筒爐和立式爐的對(duì)流室和煙囪位于輻射室上部，預(yù)熱器直接放在對(duì)流室頂部，稱為上置式;將空氣預(yù)熱器置放于爐側(cè)地面的基礎(chǔ)或鋼架上，先引出對(duì)流室里的煙氣，通過(guò)空氣熱量交換器和新風(fēng)引入機(jī)后，再將煙氣通過(guò)煙囪排出的，叫下置式。上置式空氣預(yù)熱器的優(yōu)越性是占用面積小，構(gòu)造簡(jiǎn)單，利用煙囪的自然抽力抵消由預(yù)熱器和加熱爐其他部位產(chǎn)生的阻力，無(wú)需引風(fēng)機(jī)，故節(jié)省耗電量，操作成本低。不足之處是預(yù)熱器的荷載由加熱爐框架本體承受，舊加熱爐改造時(shí)需對(duì)爐框架強(qiáng)度進(jìn)行核算，必要時(shí)還要加強(qiáng)爐體鋼架結(jié)構(gòu);而且預(yù)熱器的位置在爐頂，增加了更換和檢維修難度，也不能拋開預(yù)熱系統(tǒng)對(duì)加熱爐進(jìn)行獨(dú)立操作。下置式空氣預(yù)熱器的優(yōu)越性體現(xiàn)在空氣預(yù)熱器在更換和檢修時(shí)比較簡(jiǎn)便、操作過(guò)程靈活;但占地面積較大，鋼材消耗量和資金投資均較多。

良好的余熱回收系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)除占地、預(yù)熱器的煙氣適應(yīng)性、壓降、所需抗露點(diǎn)腐蝕性能、安裝、檢修是否方便等以外還應(yīng)考慮以下原則：

1）在選用余熱回收系統(tǒng)方案時(shí)應(yīng)通過(guò)詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較論證來(lái)確定。選用的解決方案在技術(shù)上應(yīng)是安全可靠成熟，且能滿足長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)周期要求;經(jīng)濟(jì)上通常要求三年內(nèi)回收投資成本;

2）所選用的余熱回收系統(tǒng)方案必須滿足當(dāng)?shù)卣块T環(huán)保的要求;

3）在選用余熱回收系統(tǒng)方案時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮充分利用對(duì)流室的受熱面，降低排煙溫度的措施方案;

4）決定余熱回收方案選取的關(guān)鍵因素是煙氣側(cè)換熱面低溫露點(diǎn)腐蝕與積灰堵塞，在選用余熱回收方案，確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與參數(shù)時(shí)應(yīng)給予足夠的重視。

從中我們可以看出，選擇空氣預(yù)熱器需要根據(jù)場(chǎng)地面積、預(yù)熱器的煙氣適應(yīng)性、壓降、所需抗露點(diǎn)腐蝕性能、安裝、檢修是否方便等來(lái)綜合考慮。

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