管式加熱爐燃燒器改造及熱效率探討

張浩(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

管式加熱爐廣泛應(yīng)用于石油化工、天然氣化工和有機化學(xué)工業(yè)，是一種有燃燒的連續(xù)運轉(zhuǎn)加熱設(shè)備。主要優(yōu)點是加熱溫度高，傳熱能力大和便于操作管理。加熱爐的熱效率，影響著裝置生產(chǎn)運行的安全性和經(jīng)濟性。重視加熱爐的技術(shù)改造和加熱爐日常管理，提高加熱爐煙氣質(zhì)量和熱效率，是滿足環(huán)保、降低能耗、提高經(jīng)濟效益的關(guān)鍵[1-2]。針對某加氫裝置排放煙氣氮氧化物含量大于100mg/m3的《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 31570—2015)排放要求，對燃燒器進行改造，改造后加熱爐煙氣氮氧化物含量達標(biāo)，但加熱爐熱效率仍存在較大提升空間。

1 加熱爐燃燒器改造

1.1 工藝流程簡圖

裝置設(shè)有一臺反應(yīng)加熱爐F101(純輻射單室箱式爐，28個燃燒器)、一臺分餾加熱爐F201(對流輻射圓筒爐，4個燃燒器)和一臺減壓加熱爐F202(純輻射單室箱式爐，20個燃燒器)，燃燒器均采用燈塔型的火嘴設(shè)計，加熱爐煙氣共用一套余熱回收系統(tǒng)：3臺加熱爐煙氣匯合后在空氣預(yù)熱器中與F101、F201空氣(鼓風(fēng)機出口)進行換熱，F(xiàn)202為自然通風(fēng)。

加熱爐工藝流程如圖1所示。

圖1 加熱爐系統(tǒng)工藝流程圖

裝置工藝加熱爐煙氣中氮氧化物含量結(jié)果如表1所示。

表1 加熱爐改造前煙氣中污染物含量分析結(jié)果

1.2 技術(shù)路線選擇

氮氧化物在工業(yè)裝置上的控制方法有以下兩種方案。

(1)產(chǎn)生前：低氮氧化物燃燒技術(shù)。主要包括低過?？諝庀禂?shù)燃燒、低氮氧化物燃燒器等。

(2)產(chǎn)生后：脫硝裝置。主要包括選擇性非催化還原法(SNCR)、選擇性催化還原法(SCR)、臭氧氧化法等

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，方案①與方案②對比結(jié)果如下：方案①具有初期投資小，運行成本低，改造施工周期短，對加熱爐運行影響小，脫硝率較低。

結(jié)合加熱爐燃燒器為普通燃燒器和氮氧化物超標(biāo)值較小的情況，裝置將加熱爐全部燃燒器(52臺)更換為低氮氧化物燃燒器(采用燃燒分級燃燒、空氣分級燃燒、煙氣回流技術(shù))的方式降低煙氣中氮氧化物含量。

1.3 加熱爐燃燒器改造

裝置檢修期間，將3臺加熱爐燃燒器(52臺)全部更換為超低氮氧化物燃燒器。加熱爐燃燒器改造設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 加熱爐燃燒器改造設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2 加熱爐燃燒器改造后運行情況

加熱爐火嘴改造完成后，對加熱爐進行檢測。爐設(shè)備相關(guān)檢測數(shù)據(jù)及計算結(jié)果匯總?cè)绫?、表4所示。

表3 爐設(shè)備煙氣成分測試結(jié)果匯總(環(huán)境溫度：35℃)

表4 爐設(shè)備相關(guān)檢測數(shù)據(jù)及計算結(jié)果匯總(環(huán)境溫度：35℃)

加熱爐的燃燒器經(jīng)更新改造后，3臺加熱爐火嘴燃燒狀況良好，火焰呈藍(lán)色，短促有力，無發(fā)紅發(fā)飄現(xiàn)象。從表3數(shù)據(jù)可知，加熱爐的氮氧化物排放濃度為：46mg/m3，二氧化硫排放濃度為：0mg/m3。

3 影響加熱爐熱效率的因素和改進措施

影響加熱爐熱效率的因素很多，如裝置處理量、空氣預(yù)熱溫度、爐出口溫度、煙氣含氧量以及通過對加熱爐內(nèi)壁在耐火磚及陶纖模塊表面噴涂高溫輻射涂料[3]等。從表4數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)101、F201、F202 加熱爐熱效率均為90.84%，略低于91%的規(guī)定指標(biāo)。從降低排煙溫度、氧含量控制及加熱爐日常管理幾個方面提高加熱爐熱效率進行討論分析。

3.1 排煙溫度

從加熱爐總體運行情況看，加熱爐的熱量損失最大的是由排煙帶走的。將排煙溫度降低，管式加熱爐排煙所釋放的熱量就能得到有效降低，從而提高加熱爐的熱效率。裝置余熱回收系統(tǒng)現(xiàn)安裝一臺聲波清灰器，日常操作中通過采用空氣預(yù)熱器熱管聲波吹灰來減少熱管與對流管積灰結(jié)垢，提高預(yù)熱器效率，但對降低排煙溫度的效果并不明顯。2019年停工檢修期間，除對加熱爐燃燒器進行改造外，對加熱爐余熱回收空氣預(yù)熱器熱管進行更換。加熱爐正常運行后，排煙溫度162.9℃，超過《加熱爐管理細(xì)則》中 140℃的規(guī)定指標(biāo)，加熱爐排煙熱損失計算為3068KJ/kg燃料，分析主要原因可能是加熱爐煙氣直排煙道擋板可能關(guān)閉不嚴(yán)，部分煙氣回抽再次進入空預(yù)器，造成煙、空氣量不匹配。

根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，計劃將原熱管預(yù)熱器拆除，在原熱管預(yù)熱器的地方更換一臺新的空氣預(yù)熱器，將加熱爐的排煙溫度降到110℃。另外，將加熱爐余熱回收系統(tǒng)中F202爐的自然通風(fēng)燃燒器更換為強制通風(fēng)燃燒器，增加環(huán)型風(fēng)道及輔助風(fēng)道、快開風(fēng)門和擋板閥，將進入F202爐的助燃空氣引入空氣預(yù)熱器預(yù)熱后再送入F202爐。經(jīng)過改造后，預(yù)計加熱爐的熱效率由90.8%提高到92.8%，提高2%。初步估算新空氣預(yù)熱器負(fù)荷約為1344kW，新增負(fù)荷473KW，標(biāo)油價格按3000元/噸，預(yù)熱器每年運行時間按8000小時計算，則預(yù)熱器改造后多回收的熱量為1702800kJ/h，每年多回收熱量折合標(biāo)油為340.56噸，每年可節(jié)約資金102.168萬元/年。

3.2 氧含量

煙氣氧含量[4]的高低直接影響到加熱爐的熱效率及安全平穩(wěn)運行。煙氣氧含量高，熱效率低，爐管易氧化；煙氣氧含量低，容易造成不完全燃燒。在加熱爐熱效率測試期間，爐膛氧含量在線儀表顯示數(shù)據(jù)均大于空預(yù)器煙氣入口氧含量數(shù)據(jù)，氧含量儀表可能安裝位置不合理或測試不準(zhǔn)確。煙氣含氧量是影響加熱爐燃燒效果的主要參數(shù)，氧含量測定不準(zhǔn)確，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。

F101加熱爐風(fēng)道為直通風(fēng)道，導(dǎo)致南北風(fēng)壓不均衡，火嘴進風(fēng)量偏差大，尤其是強制通風(fēng)門關(guān)小時，問題更加明顯。6條分支煙道管煙氣量不均衡，且流型偏向中心集合管，造成中間多、南北少。且僅有的爐膛溫度兩個測點恰恰位于南北兩側(cè)的煙道分支管上，造成測量不準(zhǔn)確，無代表性。通過增減火嘴的非正常方法調(diào)節(jié)南北溫差。氧化鋯和一氧化碳分析儀分別位于南北兩側(cè)的分支煙道，南北間隔10米，且所測位置均為煙氣流量不穩(wěn)定區(qū)域，因此，所測數(shù)值沒有代表性，極易誤導(dǎo)操作。針對以上情況，需要對加熱爐風(fēng)道及氧含量數(shù)據(jù)測量點進行位置改造。

3.3 操作管理

提高加熱爐的自控系統(tǒng)的運行效率，加強加熱爐內(nèi)部的總量、分支流量以及溫度等各種參數(shù)的平穩(wěn)控制，提升加熱爐的運行效率。本加氫裝置共用1臺引風(fēng)機，在現(xiàn)有實際情況下，優(yōu)化3臺加熱爐煙道擋板開度，控制好空氣預(yù)熱器入口溫度，提高空氣預(yù)熱器的使用壽命，降低加熱爐排煙溫度。此外，還應(yīng)對操作人員還需要定期地進行技術(shù)培訓(xùn)以及測試，提高其操作技能以及理論水平，改善操作人員對野加熱爐系統(tǒng)的認(rèn)知程度，提升其運行保障技術(shù)。

4 結(jié)語

通過對加熱爐燃燒器改造效果評價，分析運行狀況存在問題，提出以下改進、完善措施：

(1)加熱爐的燃燒器經(jīng)更新改造后，其氮氧化物排放濃度較上年度測試數(shù)據(jù)下降72%左右，效果顯著。改造后的加熱爐CO排放值、氮氧化物、二氧化硫排放濃度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；

(2)采用新技術(shù)改良現(xiàn)有空氣預(yù)熱器，優(yōu)化調(diào)整爐膛配風(fēng)，降低排煙溫度，預(yù)計加熱爐熱效率預(yù)計提高2%，年節(jié)約燃料氣102.168萬元；

(3)操作過程中，加熱爐對流頂氧含量控制在2%～5%之間，還應(yīng)對爐膛氧含量儀表安裝位置合理性或測試準(zhǔn)確進行校核。

(4)為實現(xiàn)節(jié)能降耗，除通過控制好排煙溫度、煙氣氧含量，還可以通過以下手段改善加熱爐操作：爐膛溫度、爐出口溫度、爐膛負(fù)壓、燒焦等[5]。