煉油加熱爐節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀及展望

李斌，王茂生，戴曉輝，劉旭旭，邵曉榮

（陜西精益化工有限公司，陜西 榆林 719300）

隨著能源日益匱乏，科技革命和產(chǎn)業(yè)變革日漸深入，人們的活動(dòng)方式逐步向低碳化、智能化轉(zhuǎn)變，能源體系正在向非化石能源主導(dǎo)的階段發(fā)展?！笆奈濉逼陂g是中國(guó)能源低碳轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵時(shí)期，國(guó)家正在加速推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，加快實(shí)施重點(diǎn)行業(yè)節(jié)能降碳。

1 概述

煉油行業(yè)在發(fā)展過(guò)程當(dāng)中消耗大量能源，不僅影響經(jīng)濟(jì)效益，也為行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展帶來(lái)不利影響，同時(shí)伴有環(huán)保問(wèn)題，節(jié)能和提高能源利用效率成為社會(huì)共識(shí)［1］。

煉油加熱爐的能耗占整個(gè)煉油行業(yè)能耗的35%，只有挖掘煉油加熱爐節(jié)能技術(shù)、提高煉油加熱爐的能效，才能達(dá)到節(jié)能降碳的目的［2］。

加熱爐根據(jù)外形結(jié)構(gòu)、輻射盤(pán)管形式、燃燒器的布置及其組合劃分有很多種。各種爐型的優(yōu)缺點(diǎn)不僅是從投資的經(jīng)濟(jì)性比較得出結(jié)論，還要結(jié)合其適用性來(lái)評(píng)估。不同的爐型的適用場(chǎng)合也不同，應(yīng)將選用爐型在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的因素綜合納入考慮［3］。李文輝［4］針對(duì)加熱爐通風(fēng)方式展開(kāi)討論，并就4種通風(fēng)方式在強(qiáng)化燃燒和強(qiáng)化傳熱方面的可行性做了詳細(xì)的總結(jié)分析，為煉油加熱爐節(jié)能技術(shù)發(fā)展提供了參考依據(jù)。

2 能量損失分布和節(jié)能措施現(xiàn)狀

造成加熱爐熱效率低的因素很多，裴召華［5］將影響管式加熱爐熱效率的因素分類為過(guò)?？諝庀禂?shù)、不完全燃燒、排煙溫度等。鄒家民等［6］從能量轉(zhuǎn)化的角度對(duì)熱效率影響因素進(jìn)行了分析，認(rèn)為燃料在加熱爐燃燒后所放出的熱量除一部分被加熱的爐管內(nèi)介質(zhì)吸收外，剩余均被以煙道煙氣帶走、爐體散熱、以及不完全燃燒等方式損失，該熱量損失也是導(dǎo)致加熱爐熱效率低的主要因素。

2.1 爐體散熱損失

有分析結(jié)果顯示，加熱爐散熱損失58.21%在爐頂，爐墻和爐底散熱量遠(yuǎn)不及爐頂，所以爐頂可適當(dāng)調(diào)整保溫材料的厚度，可減少散熱損失［7］。Prasanth R［8］等對(duì)CPCL煉油廠原油蒸餾裝置加熱爐目前使用的保溫材料進(jìn)行了分析，并用先進(jìn)的保溫材料代替，最大限度減少通過(guò)輻射墻段的熱損失。

李振林［9］等通過(guò)以排煙熱損失、未完全燃燒熱損失和爐體散熱損失3種熱損失作為權(quán)數(shù)引出綜合指標(biāo)的概念，并分析總結(jié)得出相應(yīng)的計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)加熱爐在原有的單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上更加完善的評(píng)價(jià)，同時(shí)為加熱爐評(píng)價(jià)過(guò)程中對(duì)于節(jié)能點(diǎn)的尋找以及改造最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)提供了方法。

許景陽(yáng)［10］針對(duì)加熱爐爐體絕熱，利用硅酸鋁容重輕、熱導(dǎo)率小、耐溫高、熱穩(wěn)定性好和抗震性強(qiáng)等物理特性，認(rèn)為是絕佳的耐火纖維絕熱材料，將是減少爐體散熱損失的發(fā)展方向。

2.2 煙氣排放損失

煉油加熱爐的煙氣排放損失主要有排煙熱損失和氣體不完全燃燒熱損失2種。加熱爐煙氣排放過(guò)程中會(huì)攜帶大量的熱量，在煉油加熱爐中所占的比例大約在5%～7%，但在全部熱損失中占的比例高達(dá)50%以上，加熱爐節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵在于如何減少排放損失。

有經(jīng)驗(yàn)表明，同等條件下，排煙溫度每升高10℃，熱損失增加0.5%～0.8%，但露點(diǎn)腐蝕的限制為降低排煙溫度增加了難度［12］。降低加熱爐排煙溫度最有效的方法是增設(shè)或改造空氣預(yù)熱器，用煙氣余熱加熱入爐空氣，從而使熱量回至加熱爐達(dá)到重復(fù)利用的目的［13］。

Yu Zhou［14］等通過(guò)高溫空氣燃燒（HTAC）技術(shù)（又稱蓄熱式燃燒技術(shù)）實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、CO2、NOx減排和低噪聲燃燒，在各類中大型加熱爐中應(yīng)用廣泛，取得良好效果，但在小型爐上的應(yīng)用較少。

張霞等［15］對(duì)富氧燃燒技術(shù)在加熱爐上應(yīng)用過(guò)程中的節(jié)能特性及減排性能進(jìn)行了重點(diǎn)分析，認(rèn)為富氧燃燒方式較傳統(tǒng)燃燒方式具有節(jié)能、增加煙氣輻射能力、增加產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)。

吳黎明［16］等認(rèn)為富氧燃燒可以使燃燒產(chǎn)生的煙氣中CO2的濃度達(dá)到90%以上，高濃度的CO2可有效改善加熱爐受熱面的傳熱，同時(shí)可以減少NOx和SO2等的排放。

2.3 過(guò)?？諝庠斐傻臒釗p失

在保證加熱爐正常燃燒的前提下，應(yīng)當(dāng)盡量減少通入加熱爐的空氣量，最終減少空氣從加熱爐中帶走的熱量。尤勇［17］通過(guò)對(duì)空氣過(guò)剩系數(shù)影響因素的分析，開(kāi)展了加熱爐運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試和分析過(guò)?？諝庀禂?shù)與排煙熱損失和加熱爐熱效率之間的關(guān)系，討論了過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)加熱爐熱效率的影響，并給出了最佳的過(guò)?？諝庀禂?shù)適用范圍，同時(shí)創(chuàng)造了較高經(jīng)濟(jì)效益。

王復(fù)越［18］分別對(duì)富氧量與煙氣回流量對(duì)試驗(yàn)爐內(nèi)溫度分布、爐內(nèi)流場(chǎng)變化、煙氣排放、污染物NOx生成的影響及變化規(guī)律進(jìn)行了分析與對(duì)比，認(rèn)為富氧空氣助燃對(duì)爐膛內(nèi)部起到提升爐溫的作用，但煙氣回流量對(duì)爐膛內(nèi)不僅起到均勻化爐內(nèi)溫度分布的作用，而且可以抑制局部溫度過(guò)高、增大高湍流強(qiáng)度、增強(qiáng)對(duì)流換熱的效果，同時(shí)，爐內(nèi)生成輻射能力較強(qiáng)氣體中三原子分子濃度大幅升高，爐氣的輻射換熱能力也得到大幅度提高。

Huang Mingming［19］等為促進(jìn)MILD方案在爐內(nèi)的應(yīng)用，在高熱值下，評(píng)估過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)MILD燃燒的影響，同時(shí)觀察到過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)氣體再循環(huán)、熱均勻性和減少?gòu)U氣排放有積極作用。

Benmenine，D.a，b［20］等通過(guò)考察空氣預(yù)熱溫度和過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)燃燒過(guò)程的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)或空氣預(yù)熱溫度升高時(shí)，溫度場(chǎng)變得更加均勻。

3 節(jié)能研究進(jìn)展

3.1 空氣預(yù)熱器節(jié)能

空氣預(yù)熱器作為加熱爐降低排煙溫度、提高加熱爐熱效率的重要設(shè)備，主要在煉油行業(yè)起到節(jié)能減排的作用。逯紅江［21］對(duì)原熱管式空氣預(yù)熱器在實(shí)際運(yùn)行中存在的熱管外表面翅片積灰結(jié)垢、熱管失效、低溫段腐蝕失效等問(wèn)題進(jìn)行了比較深入的分析，通過(guò)分析和對(duì)比，總結(jié)得出了玻璃板管式空氣預(yù)熱器在節(jié)能方面具有優(yōu)勢(shì)。

V.A.Naletov［22］對(duì)加熱爐和用于空氣預(yù)熱的多通回?zé)釗Q熱器組成進(jìn)行了系統(tǒng)的研究并總結(jié)得出了在推薦的運(yùn)行條件下，帶有加熱爐和回?zé)釗Q熱器的系統(tǒng)中的總（火用）損失減少和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性的結(jié)論，為加熱爐空預(yù)器研究提供了節(jié)能依據(jù)。

潘琦琨［23］針對(duì)加氫裂化裝置加熱爐熱管空氣預(yù)熱器存在效率低的問(wèn)題，通過(guò)采用水熱媒技術(shù)予以有效的解決，保障了裝置長(zhǎng)周期高效運(yùn)行。

李保良和王景堂［24］將空氣預(yù)熱器由原熱管式改造為組合式，即高溫段采用不銹鋼板式模塊而低溫段采用玻璃管模塊，實(shí)現(xiàn)了排煙溫度可調(diào)節(jié)，檢修期間方便拆卸維護(hù)。

3.2 強(qiáng)化輻射管傳熱

通過(guò)對(duì)爐膛內(nèi)傳熱過(guò)程的分析，認(rèn)為影響輻射傳熱過(guò)程的關(guān)鍵因素主要有爐襯與工件的比表面積（可由輻射傳熱角系數(shù)表示）、熱輻射場(chǎng)的空間分布（可由傳播路徑表示）、爐襯輻射發(fā)射率（可由黑度表示）。將新型陶瓷基復(fù)合材料及特殊工藝制成的熱輻射體安置于爐膛耐火層表面適當(dāng)部位，不僅使?fàn)t襯的輻射傳熱面積增加，還可以提高熱射線的集中度，增加工件表面受熱熱流密度，而使?fàn)t膛工件輻射傳熱效率提高，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的［25］。

張志誠(chéng)［26］等通過(guò)對(duì)強(qiáng)化輻射對(duì)工業(yè)加熱爐內(nèi)傳熱過(guò)程的影響的研究，認(rèn)為在保持燃料量不變的情況下，爐膛中煙氣的平均溫度值和傳熱效率會(huì)因安裝熱輻射元件強(qiáng)化爐壁的輻射傳熱而顯著提高；認(rèn)為強(qiáng)化爐壁的輻射傳熱后，保持爐管內(nèi)介質(zhì)吸熱量不變，可以減少的燃料量約10%。

李治岷［27］認(rèn)為加熱爐使用傳統(tǒng)的節(jié)能方法的缺陷在于爐膛內(nèi)的熱射線呈漫反射狀分布，到位率較低，爐子的熱效率低，并在此基礎(chǔ)引出了“黑體強(qiáng)化輻射傳熱節(jié)能”的機(jī)理，該節(jié)能機(jī)理的優(yōu)勢(shì)在于可以使能耗在現(xiàn)有材料輕型化和減少蓄熱散熱損失的基礎(chǔ)上再降低20%～30%，并在大量實(shí)踐中得以應(yīng)證。

盧國(guó)楷［28，29］等利用“多孔介質(zhì)的對(duì)流—輻射能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)”來(lái)強(qiáng)化輻射傳熱，在加熱爐中加裝多孔介質(zhì)后，相比加裝無(wú)多孔介質(zhì)，爐內(nèi)溫度明顯升高，排煙溫度顯著降低，該機(jī)理為燃燒、高溫?fù)Q熱和高溫化學(xué)反應(yīng)裝置等的節(jié)能設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3.3 高效燃燒器技術(shù)

高效燃燒器又稱為高強(qiáng)度燃燒器，其具有能量大、燃燒穩(wěn)定、燃燒完全、火焰瘦短溫度高、噴口煙氣速度高等特點(diǎn)，不論從其本身設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)性，還是從安全、環(huán)保、節(jié)能的角度考量，都可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)能力的提高。

趙仲慧［30］通過(guò)對(duì)高效燃燒器在管式加熱爐上使用情況的介紹，以及對(duì)其在運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題的試驗(yàn)和分析，還有對(duì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中應(yīng)注意的事項(xiàng)的討論，為高效燃燒器在加熱爐領(lǐng)域的使用提供了重要的借鑒。

S.Sanaye［31］通過(guò)對(duì)新型高效燃燒器技術(shù)在4個(gè)產(chǎn)業(yè)群27個(gè)研究行業(yè)當(dāng)前替代低效燃燒器運(yùn)行的情況評(píng)估，表明目前運(yùn)行的燃燒器約有57萬(wàn)個(gè)，其中66%（約38萬(wàn)個(gè)燃燒器）可以被高效燃燒器代替。此外，經(jīng)濟(jì)性角度分析表明，在水泥、石灰、磚塊生產(chǎn)等非金屬礦物行業(yè)和鑄造等金屬行業(yè)中，以高效燃燒器替代舊燃燒器會(huì)產(chǎn)生非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

劉發(fā)起等［32］設(shè)計(jì)的內(nèi)混式高效空氣霧化油燃燒器，具有霧化粒度細(xì)、燃燒完全、火焰剛直集中、噴嘴不結(jié)焦等特征，該設(shè)計(jì)為管式加熱爐中在燃燒器上的選擇提供了新的思路。

Shuhn-Shyurng等［33］通過(guò)對(duì)旋流、裝填高度以及半受限燃燒火焰參數(shù)對(duì)旋流氣體燃燒器熱效率和CO排放的影響的考察表明，相比常規(guī)徑向流燃燒器，旋流燃燒器具有更高的熱效率和更低的CO濃度排放。

4 結(jié)束語(yǔ)

煉油加熱爐作為石油煉制行業(yè)中主要的能源消耗環(huán)節(jié)，發(fā)展煉油加熱爐節(jié)能技術(shù)，是降低石油煉制行業(yè)能耗的關(guān)鍵，對(duì)于中國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

爐體散熱損失、煙氣排放損失以及空氣過(guò)剩造成的熱損失是煉油加熱爐熱損失的3個(gè)主要方面。其中，煙氣排放損失占熱損失總量的50%以上?？諝忸A(yù)熱器、強(qiáng)化輻射管傳熱以及高效燃燒器技術(shù)是降低煉油加熱爐能耗的3種主要途徑，從降低排煙溫度、強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱、提高燃燒效率等方面降低煉油加熱爐熱損失，指明了未來(lái)新建或改造煉油加熱爐的技術(shù)方向。