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(jī)化學(xué)工業(yè)，是一種有燃燒的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)加熱設(shè)備。主要優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)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(jì)效益的關(guān)鍵[1-2]。針對(duì)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(duì)燃燒器進(jìn)行改造，改造后加熱爐煙氣氮氧化物含量達(dá)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(jiǎn)圖

裝置設(shè)有一臺(tái)反應(yīng)加熱爐F101(純輻射單室箱式爐，28個(gè)燃燒器)、一臺(tái)分餾加熱爐F201(對(duì)流輻射圓筒爐，4個(gè)燃燒器)和一臺(tái)減壓加熱爐F202(純輻射單室箱式爐，20個(gè)燃燒器)，燃燒器均采用燈塔型的火嘴設(shè)計(jì)，加熱爐煙氣共用一套余熱回收系統(tǒng)：3臺(tái)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(jī)出口)進(jìn)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)。主要包括低過剩空氣系數(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(duì)比結(jié)果如下：方案①具有初期投資小，運(yùn)行成本低，改造施工周期短，對(duì)加熱爐運(yùn)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(tái))更換為低氮氧化物燃燒器(采用燃燒分級(jí)燃燒、空氣分級(jí)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(tái)加熱爐燃燒器(52臺(tái))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(jì)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(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2 加熱爐燃燒器改造后運(yùn)行情況

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

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

表4 爐設(shè)備相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)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(tái)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(jìn)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(duì)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(gè)方面提高加熱爐熱效率進(jìn)行討論分析。

3.1 排煙溫度

從加熱爐總體運(yùn)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(tái)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(duì)流管積灰結(jié)垢，提高預(yù)熱器效率，但對(duì)降低排煙溫度的效果并不明顯。2019年停工檢修期間，除對(duì)加熱爐燃燒器進(jìn)行改造外，對(duì)加熱爐余熱回收空氣預(yù)熱器熱管進(jìn)行更換。加熱爐正常運(yùn)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(jì)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(jìn)入空預(yù)器，造成煙、空氣量不匹配。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，計(jì)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(tái)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(qiáng)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(jìn)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(jì)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(jià)格按3000元/噸，預(yù)熱器每年運(yùn)行時(shí)間按8000小時(shí)計(jì)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(yùn)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(cè)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?jī)x表可能安裝位置不合理或測(cè)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(cè)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(jìn)風(fēng)量偏差大，尤其是強(qiáng)制通風(fēng)門關(guān)小時(shí)，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(gè)測(cè)點(diǎn)恰恰位于南北兩側(cè)的煙道分支管上，造成測(cè)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(cè)位置均為煙氣流量不穩(wěn)定區(qū)域，因此，所測(cè)數(shù)值沒有代表性，極易誤導(dǎo)操作。針對(duì)以上情況，需要對(duì)加熱爐風(fēng)道及氧含量數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行位置改造。

3.3 操作管理

提高加熱爐的自控系統(tǒng)的運(yùn)行效率，加強(qiáng)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(yùn)行效率。本加氫裝置共用1臺(tái)引風(fēng)機(jī)，在現(xiàn)有實(shí)際情況下，優(yōu)化3臺(tái)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(duì)操作人員還需要定期地進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)以及測(cè)試，提高其操作技能以及理論水平，改善操作人員對(duì)野加熱爐系統(tǒng)的認(rèn)知程度，提升其運(yùn)行保障技術(shù)。

4 結(jié)語

通過對(duì)加熱爐燃燒器改造效果評(píng)價(jià)，分析運(yùn)行狀況存在問題，提出以下改進(jìn)、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(cè)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(jì)加熱爐熱效率預(yù)計(jì)提高2%，年節(jié)約燃料氣102.168萬元；

(3)操作過程中，加熱爐對(duì)流頂氧含量控制在2%～5%之間，還應(yīng)對(duì)爐膛氧含量?jī)x表安裝位置合理性或測(cè)試準(zhǔn)確進(jìn)行校核。

(4)為實(shí)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]。