加氫裝置加熱爐燃燒狀態(tài)分析及優(yōu)化措施

侯明剛，孔令軒，周翠翠

(盛虹煉化有限公司，江蘇 連云港 222000)

0 引言

加熱爐的工作原理是燃?xì)庠跔t子里點(diǎn)燃放出熱量，在輻射室放熱進(jìn)行熱交換，燃燒的氣體在氣體流通的房間里進(jìn)行對(duì)流換熱，將熱傳遞到爐管和爐管內(nèi)的媒介。某公司300萬噸/每年加氫處理裝置反應(yīng)加熱爐采用雙室雙面輻射水平管純輻射箱式爐爐型，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為18.16 MW(約合65.38×106kJ/h)，加熱爐爐管中的工藝介質(zhì)為常減壓蠟油、焦化蠟油、循環(huán)氫，加熱爐工藝介質(zhì)分為兩管程進(jìn)入輻射室加熱至所需要溫度，其燃料為瓦斯氣，燃燒后產(chǎn)生的煙氣經(jīng)余熱回收系統(tǒng)后與空氣換熱后排放至煙囪。在生產(chǎn)中統(tǒng)計(jì)采取實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)態(tài)時(shí)的相關(guān)工藝參數(shù)，通過工藝流程模擬軟件PRO-II對(duì)反應(yīng)加熱爐進(jìn)行逆向模擬［1］。并以此來分析加熱爐的燃燒狀況，對(duì)影響加熱爐熱效率的因素進(jìn)行模擬計(jì)算，提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，為同類裝置節(jié)能降耗生產(chǎn)提供參考。

1 加熱爐熱量平衡分析

根據(jù)熱量平衡，一個(gè)系統(tǒng)的熱量是收支相等的，在本文中把該加氫處理裝置加熱爐(F-101)視作一個(gè)熱量平衡的系統(tǒng)，其中燃料氣完全充分燃燒產(chǎn)生的熱量Q輸入與各系統(tǒng)吸收的熱量Q輸出是相等的［3］，即Q輸入=Q輸出。

根據(jù)熱量平衡可知：

式中：Q燃為燃料未燃燒前本身的焓值；Q空為助燃空氣本身的焓值；Q燃燒熱為燃料完全充分燃燒帶入的熱量；Q煙氣為排出爐膛的煙氣帶走的熱量；Q熱損1+Q熱損2為爐體散熱損失+化學(xué)不完全燃燒熱損失的熱量；QF101出口-QF101入口為出口介質(zhì)焓值-進(jìn)口介質(zhì)焓值。(注：在Q熱損中由于燃料為瓦斯氣，故不考慮機(jī)械不完全燃燒熱損失。)

2 加熱爐的工藝參數(shù)和工藝介質(zhì)化驗(yàn)分析

加熱爐工藝參數(shù)有進(jìn)出口物料溫度，入口循環(huán)氫流量，入口原料油流量，F(xiàn)101氧含量，爐膛平均溫度，瓦斯流量及壓力，助燃空氣溫度，出入口壓差，環(huán)境溫度。為了使工藝模擬更加準(zhǔn)確，在采集加熱爐DCS上相關(guān)工藝參數(shù)及相關(guān)介質(zhì)化驗(yàn)LIMS上的數(shù)據(jù)時(shí)間間隔盡量短。根據(jù)加氫處理裝置加熱爐DCS上的參數(shù)曲線趨勢(shì)圖，在2021年12月10日9:00—10:30這個(gè)時(shí)間段的加熱爐(F-101)各參數(shù)比較穩(wěn)定，有利于客觀分析F-101燃燒情況，采取參數(shù)如表1所示。

表1 加熱爐(F-101)各參數(shù)

其相對(duì)應(yīng)的原料油餾程和循環(huán)氫及燃料氣LIMS化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)采用與上述時(shí)間最接近的數(shù)據(jù)?；?yàn)數(shù)據(jù)如表2～表4所示。

表2 原料油餾程化驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 循環(huán)氫化驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 燃料氣化驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 加氫處理加熱爐(F-101)燃燒狀況分析

把上述數(shù)據(jù)輸入Pro-II軟件中進(jìn)行模擬分析加熱爐(F-101)的燃燒情況，本次模擬選用BK-10熱力學(xué)方程［3］。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況逆向模擬，模擬可以收斂。

爐墻表面溫度由現(xiàn)場測(cè)得平均為70 ℃，經(jīng)過Pro-II模擬得出加熱爐(F-101)燃燒產(chǎn)生的熱負(fù)荷為22.3×106kJ/h(設(shè)計(jì)為65.38×106kJ/h)，可以知道目前加熱爐處于低負(fù)荷狀態(tài)。由于F-101處于低負(fù)荷狀態(tài)，故爐墻散熱設(shè)定為瓦斯完全燃燒產(chǎn)生熱量的6% (正常為1%～3%)。Pro-II軟件模擬過程中燃料氣為完全燃燒，根據(jù)在線儀表實(shí)測(cè)煙氣氧含量為3.07%左右，在Pro-II的模擬中設(shè)定的空氣流量大概為6 500.0 Nm3/h，則煙氣在Pro-II的模擬中得出氧含量在3%左右。

當(dāng)加熱爐出口的工藝介質(zhì)溫度達(dá)到工藝要求時(shí)，可通過比較Pro-II模擬理論排煙溫度與實(shí)際操作過程中的排煙溫度的差值，來估算由于加熱爐不完全燃燒所損失的大概熱量。

3.1 熱量平衡分析

3.1.1 加熱爐輸入熱量情況分析

自Pro-II中得到35 ℃的燃料氣、103.4 ℃空氣熱焓數(shù)值如表5所示。

表5 空氣熱焓數(shù)值

則根據(jù)公式：

由以上計(jì)算可知模擬加熱爐理論輸入熱量Q輸入為21.97×106kJ/h。

3.1.2 加熱爐輸出熱量情況分析

自Pro-II中得到656.97 ℃煙氣、330 ℃循環(huán)氫、330 ℃反應(yīng)進(jìn)料油、加熱爐出口338.1 ℃混氫油的熱焓數(shù)值如表6所示。

表6 混氫油的熱焓數(shù)值

則根據(jù)公式：

注：Q輸出不計(jì)算化學(xué)不完全燃燒熱損失的熱量Q熱損2。

由以上計(jì)算可知模擬加熱爐理論輸入熱量Q輸出為22.32×106kJ/h，因?yàn)镼輸出不計(jì)算燃燒不完全熱損，由上述Q輸入為22.19×106kJ/h可知Q輸入=Q輸出，則該加氫處理裝置的加熱爐(F-101)能量守恒。

3.1.3 加熱爐瓦斯不完全燃燒所損失的熱量估算

通過上述過程模擬和計(jì)算，可以看出理論上加熱爐瓦斯完全燃燒狀態(tài)下煙氣如表7所示，當(dāng)加熱爐出口的工藝介質(zhì)溫度達(dá)到工藝要求時(shí)，排煙溫度為656.975 ℃，而裝置實(shí)際生產(chǎn)過程中排煙溫度僅為525 ℃，相差有131 ℃左右?？梢酝ㄟ^計(jì)算這131 ℃左右的溫差來估算加熱爐里瓦斯不完全燃燒所造成的熱損。

表7 模擬生產(chǎn)煙氣數(shù)據(jù)

不完全燃燒所造成的熱損熱損通過以下公式計(jì)算：

由以上計(jì)算得出實(shí)際上加熱爐瓦斯不完全燃燒所損失的熱量Q熱損2有1.476 8×106kJ/h，由上述模擬可知理論上瓦斯完全燃燒產(chǎn)生熱量Q燃燒熱為21.022×106kJ/h。

我們可以通過以下計(jì)算：

可得出該加氫處理裝置加熱爐不完全燃燒所損失的熱量占瓦斯完全燃燒產(chǎn)生熱量的7.02%。

4 加熱爐氧含量與煙氣帶走熱量關(guān)系分析

加氫加熱爐瓦斯燃燒的部分熱量是由煙氣帶走的，通過調(diào)整進(jìn)加熱爐F-101的空氣量，模擬分析加熱爐(F-101)在不同氧含量的燃燒情況，以此來估算不同氧含量情況煙氣帶走的熱量。據(jù)估算，氧含量每升高 1%，過?？諝庀禂?shù)增加約6.3%，熱效率降低約0.4%； 一氧化碳含量每升高100 g /m3，熱效率降低約0.05%；排煙溫度每升高 5.0 ℃，熱效率降低約0.25%［4］，可知增加空氣進(jìn)量會(huì)損失熱量。

在Pro-II軟件中加熱爐(F-101)模擬，在保持其他參數(shù)都不變化情況下，以進(jìn)加熱爐的空氣量為變量，只增加進(jìn)加熱爐子(F-101)的空氣量(即O2、N2增加)，把進(jìn)加熱爐空氣由原來的6 500.0 Nm3/h增加到7 500.0 Nm3/h，此時(shí)煙氣氧含量也由3%增加到5.22%[2]。加熱爐F-101模擬情況如圖2所示。

圖2 加氫處理反應(yīng)加熱爐F-101模擬數(shù)據(jù)

由于Pro-II能模擬可燃?xì)馔耆紵募訜釥t，其中加熱爐排出的煙氣是由CO2、N2、O2、H2O等組分組成，煙氣中增加的N2、O2量也改變了整個(gè)煙氣的熱焓。根據(jù)圖1、圖2的Pro-II模擬數(shù)據(jù)得出表8的參數(shù)。

圖1 加氫處理反應(yīng)加熱爐F-101模擬數(shù)據(jù)

表8 不同空氣流量下F101參數(shù)變化

根據(jù)以上模擬數(shù)據(jù)和計(jì)算可知，增加進(jìn)加熱爐(F-101)的空氣量(由6 500 Nm3/h到7 500 Nm3/h)，燃燒后排出的煙氣氧含量由3%增加到5.22%，由氧含量所增加的排煙熱損失計(jì)算如下：

Q氧含量=空氣流量增加前煙氣熱量-空氣流量增加后煙氣熱量=361.799 4×25 752.1603-317.184 4×28 832.325 8=171 952.16 kJ/h由于氧含量增加導(dǎo)致加熱爐排煙熱損失的增加?？梢杂?jì)算出煙氣帶走熱量損失量占瓦斯完全燃燒產(chǎn)生熱量的百分?jǐn)?shù)如下：

?氧含量=氧含量所增加的排煙熱損失/瓦斯完全燃燒產(chǎn)生熱量=171 952.16÷21.022×106=0.82%。

由以上計(jì)算，我們知道由氧含量所增加的排煙熱損失占瓦斯完全燃燒產(chǎn)生熱量的0.82%。

5 結(jié)論及優(yōu)化措施

影響加氫裝置加熱爐熱效率主要因素有瓦斯燃燒狀況，一氧化碳含量，過?？諝庀禂?shù)，排煙溫度和爐體保溫狀況等。根據(jù)生產(chǎn)中獲得實(shí)際數(shù)據(jù)，通過對(duì)影響加氫加熱爐的燃燒狀況模擬計(jì)算及影響加熱爐熱效率的因素進(jìn)行了分析后可知：

(1)加熱爐燃料氣不完全燃燒所損失的熱量為1.476 8×106kJ/h，占瓦斯完全燃燒產(chǎn)生熱量的7.02%左右，這部分未完全燃燒的燃料氣將產(chǎn)生一氧化碳，有些則直接結(jié)焦成炭黑。爐管內(nèi)壁結(jié)上一層焦炭以后，造成加熱爐輻射室和對(duì)流室的熱阻增加，導(dǎo)熱系數(shù)減小，使得管壁溫度升高；其后，氣相和液相油品繼續(xù)滲透到焦層的孔隙中去，繼續(xù)結(jié)焦，逐漸形成越來越厚的堅(jiān)實(shí)焦層，使管壁溫度最終升高到允許值以上，爐管結(jié)焦不僅降低了加熱爐效率，而且損害爐管使用壽命［5］，增加了生產(chǎn)裝置的能耗。

可采用高效燃燒器，來改善加熱爐燃燒情況，使瓦斯燃燒完全，減少瓦斯的熱損失；在煙氣排放上安裝一氧化碳在線分析儀，監(jiān)控一氧化碳的排放情況及瓦斯的不完全燃燒情況，及時(shí)調(diào)整操作；定期清理火嘴及供風(fēng)系統(tǒng)，防止結(jié)焦，加強(qiáng)加熱爐的技術(shù)管理，防止加熱爐熱效率降低。

(2)由Pro-II模擬和計(jì)算可知，提高加熱爐供風(fēng)量可使煙氣氧含量由3%增加到5.22%，煙氣中多帶走的熱量為171 952.16 kJ/h，占瓦斯完全燃燒產(chǎn)生熱量的0.82%。

過?？諝庀禂?shù)過大的話，會(huì)使得煙氣帶走的熱量增多，降低了加熱爐的熱效率；過?？諝庀禂?shù)若過小，供氧不足導(dǎo)致燃料燃燒不完全，產(chǎn)生一氧化碳，反而會(huì)引起燃料耗量增加，所以控制適量的過?？諝庀禂?shù)，對(duì)加熱爐的熱效率至關(guān)重要［6］。可通過適當(dāng)降低加熱爐過?？諝庀禂?shù)，減少煙氣帶走的熱量，可以減少瓦斯消耗。

降低加熱爐排煙溫度，可提高加熱爐的熱效率，但若排煙溫度過低，在空氣預(yù)熱器等余熱回收設(shè)備的換熱管面上就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的低溫露點(diǎn)腐蝕，短時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，換熱管束就會(huì)被嚴(yán)重腐蝕穿孔，使加熱爐不能正常運(yùn)行［4］。排煙溫度在露點(diǎn)腐蝕溫度之上時(shí)，可通過降低裝置余熱回收系統(tǒng)的排煙溫度，來回收煙氣的熱量，提高空氣的進(jìn)爐溫度，增加空氣的熱焓。