基于經(jīng)濟(jì)性的加熱爐效率和排煙溫度

遠(yuǎn)戰(zhàn)紅，王海濤，李長(zhǎng)浩，胡 磊，高中金

（1.中國(guó)海油惠州石化有限公司，廣東 惠州，515086；2.中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京，100101；3.洛陽(yáng)瑞昌環(huán)境工程有限公司，河南 洛陽(yáng)，471000）

石化火焰加熱爐的能耗占比在30%～40%，個(gè)別裝置高達(dá)70%～80%［1］，從占比可以看出，加熱爐每提升1%效率，裝置綜合能耗能降低0.4%～0.5%，所以加熱爐的能耗必然是行業(yè)節(jié)能關(guān)注的焦點(diǎn)。

理論上，根據(jù)年節(jié)省燃料費(fèi)及年分?jǐn)偼顿Y費(fèi)，可計(jì)算出年總收益，找出比較經(jīng)濟(jì)的排煙溫度［1］。然而，設(shè)備投資、建設(shè)成本、燃料成本、環(huán)保成本等均不是穩(wěn)定值，較難精準(zhǔn)找到最佳操作點(diǎn)，但通過(guò)排查和逼近，可以找到比較接近的目標(biāo)范圍。一般采用SH/T3036 提供的G.3.2.3［2］方法來(lái)計(jì)算加熱爐效率，文中在此基礎(chǔ)上，以廣東沿海氣候?yàn)榛A(chǔ)條件，以新建100 MW 單體方箱式燒氣型工業(yè)加熱爐為研究對(duì)象，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對(duì)影響加熱爐效率的主要因素進(jìn)行了定性或定量的分析評(píng)估，得出了該爐型比較經(jīng)濟(jì)的排煙溫度和效率范圍。

1 加熱爐效率影響因素

1.1 排煙特性對(duì)效率影響的半定量分析

1.1.1 煙氣中冷凝水對(duì)效率的影響分析112 MW的加熱爐，配備1 臺(tái)10～12 MW 的空氣預(yù)熱器，回收能量主要以煙氣顯熱為主。當(dāng)煙氣溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，其中部分水會(huì)以液態(tài)排出。觀察發(fā)現(xiàn)，112 MW 爐子燃料氣消耗6.8 t/h，煙氣排量181 t/h，排煙溫度在85 ℃時(shí)，預(yù)熱器底部有200～300 kg/h的冷凝水出現(xiàn)。按水的潛熱2 260 kJ/kg計(jì)算，冷凝釋放的潛熱為300×2 260÷1 000÷3 600=0.19 MW，可以看出，此部分潛熱總量不大、熱品位較低并呈一定的酸性（pH值為4～6），回收意義不大。

1.1.2 排煙攜帶的顯熱影響分析在煙氣組分無(wú)相變發(fā)生時(shí)，煙氣顯熱釋放量與排煙溫度呈線性關(guān)系，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 煙氣顯熱典型值定性計(jì)算

從表1 可以看出，當(dāng)排煙溫度從180 ℃降低到150 ℃時(shí)，從煙氣中回收的能量可增加1.69 MW，其中N2攜帶能量1.13 MW，占排煙損失的67%，所以N2的存在，不可避免對(duì)加熱爐的效率產(chǎn)生較大影響，但作為廉價(jià)的空氣，其氮含量無(wú)法調(diào)整，所以N2攜帶的熱量只能通過(guò)降低排煙溫度來(lái)減輕。

1.2 露點(diǎn)的影響

1.2.1 露點(diǎn)的產(chǎn)生煙氣露點(diǎn)溫度對(duì)設(shè)備的腐蝕主要取決于SO3的含量，也受SO2向SO3轉(zhuǎn)化量的影響［2］。由于露點(diǎn)溫度對(duì)設(shè)備材質(zhì)的影響較大，所以露點(diǎn)溫度的影響歸根結(jié)底是經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。隨著節(jié)能技術(shù)和低碳發(fā)展的需要，多數(shù)加熱爐將燒自產(chǎn)燃料氣改為混燒天然氣。

天然氣的硫含量約60×10-6，自產(chǎn)燃料氣約350×10-6，如按常規(guī)摻燒比例6：4（LNG：LPG）計(jì)算，煙氣中約有7×10-6的硫含量（主要是SO2），按SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率2%計(jì)，則煙氣中SO3含量為0.14×10-6，露點(diǎn)溫度為103 ℃［3］，Müller 露點(diǎn)-SO3曲線見(jiàn)圖1。

圖1 Müller露點(diǎn)-SO3曲線

1.2.2 露點(diǎn)在空氣預(yù)熱器內(nèi)的形成及影響對(duì)于有中間熱媒的空氣預(yù)熱器（如熱管式、相變式），只要控制排煙溫度高于露點(diǎn)溫度，一般不會(huì)出現(xiàn)冷凝結(jié)露現(xiàn)象。

對(duì)于沒(méi)有前置預(yù)熱器的間壁式空氣預(yù)熱器（如板式、管式和擾流子式等），單純把排煙溫度提高到露點(diǎn)溫度以上，無(wú)法避免冷凝結(jié)露。原因是間壁式預(yù)熱器是空氣與煙氣在換熱板2 側(cè)直接換熱，換熱板的溫度介于煙氣及空氣的溫度之間。假設(shè)煙氣露點(diǎn)溫度是110 ℃，戶外空氣溫度為0 ℃，當(dāng)控制排煙溫度為120 ℃時(shí)，間壁式空氣預(yù)熱器空氣入口處（即空氣溫度最低處）換熱板/管平均溫度只有60 ℃，遠(yuǎn)低于煙氣露點(diǎn)溫度，相當(dāng)于120 ℃的熱煙氣中出現(xiàn)了60 ℃的“冷壁”，當(dāng)煙氣流過(guò)“冷壁”時(shí)，水蒸汽就會(huì)發(fā)生冷凝結(jié)露，并附著在換熱板表面。

換句話說(shuō)，只要冷空氣溫度低于露點(diǎn)溫度，冷凝結(jié)霜就很難避免。

CFD模擬的板式空氣預(yù)熱器溫度分布見(jiàn)圖2。

圖2 玻璃板式空氣預(yù)熱器溫度場(chǎng)分布

從圖2可以看出，CFD 模擬的板式空氣預(yù)熱器的煙氣進(jìn)/出口溫度分別為150 ℃/100 ℃，空氣進(jìn)/出溫度分別為10 ℃/65 ℃。板片溫度自左上至右下呈“三角形”不均勻分布。雖然煙氣進(jìn)/出口溫度為150 ℃/100 ℃，但實(shí)際換熱板表面溫度最高107 ℃，最低40 ℃，原因是換熱板比較薄，換熱板溫度近似于2側(cè)溫度的平均值，即便排煙溫度高于露點(diǎn)溫度，當(dāng)煙氣接觸溫度較低的“冷壁”時(shí)，冷凝仍會(huì)發(fā)生。所以，對(duì)于間壁式類(lèi)換熱器，防露點(diǎn)腐蝕設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

煙氣中水發(fā)生冷凝的溫度在55～60 ℃（按照煙氣中水含量體積比15%～20%考慮），由于預(yù)熱器板片平均溫度低于煙氣出口溫度，因此冷凝結(jié)露只發(fā)生在預(yù)熱器內(nèi)部，并伴隨溶出部分的酸性物質(zhì)，通過(guò)空氣預(yù)熱器后的煙氣，因溫度高于水的露點(diǎn)，所以水在冷煙道和煙囪內(nèi)不會(huì)發(fā)生冷凝［4］。

從了解到的煉油廠燃料硫含量情況看，實(shí)際進(jìn)入煙道和煙囪的SOX量非常少，SO2本身不會(huì)直接腐蝕煙道和煙囪，只有轉(zhuǎn)化為SO3并在濕水環(huán)境才具有腐蝕性，而SO2在煙氣環(huán)境中向SO3的轉(zhuǎn)化率一般在2%～5%，所以低溫排煙對(duì)煙道和煙囪的腐蝕影響微乎其微。

1.3 加熱爐表面散熱分析

關(guān)于爐體表面溫度，按SHT3036-2012 規(guī)定，在無(wú)風(fēng)、環(huán)境溫度為27 ℃條件下，輻射段、對(duì)流段和熱煙風(fēng)管道的外壁溫度不超過(guò)80 ℃，輻射段底部外表面溫度不超過(guò)90 ℃。

實(shí)際生產(chǎn)中，爐墻外表溫度能穩(wěn)定到60 ℃，一般能優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。具體的加熱爐表面熱流量可依據(jù)表2和表3計(jì)算［5］。

表2 加熱爐散熱表面積

表3 加熱爐表面散熱損失計(jì)算

從表3 可以看出，爐體表面溫度/環(huán)境溫度分別在60/27 ℃和80/40 ℃時(shí)，爐子表面熱流損失分別為1.3 MW 和1.6 MW。熱流損失雖然絕對(duì)值較大，但考慮到冬季夏季變化及投資收益率，進(jìn)一步降低表面溫度，工業(yè)獲利略顯不足。

1.4 不完全燃燒/低NOX/過(guò)?？諝庀禂?shù)

空氣過(guò)剩系數(shù)不足，會(huì)導(dǎo)致一定程度的不完全燃燒，提高助燃空氣的溫度，可改善空氣過(guò)剩不足和爐膛溫度的分布不均，但助燃空氣溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致NO 大幅增高和火嘴結(jié)焦甚至變形，所以，空氣的溫度不宜超過(guò)300 ℃。

降低助燃空氣中O2濃度，可以大幅度降低NOX 的產(chǎn)生，一般情況下，氧濃度降低一半，NOX可降低1 個(gè)數(shù)量級(jí)［6］，說(shuō)明NOX 的生成，對(duì)O2的濃度非常敏感。但降低助燃空氣中的氧含量會(huì)導(dǎo)致更多的N2進(jìn)入而產(chǎn)生更多的煙氣顯熱損失，所以一般不采用降低氧含量的方法來(lái)降低NO 的生成。近年來(lái)，超低NOX燃燒器已成為主流，主要是通過(guò)煙氣回流技術(shù)降低燃燒區(qū)域的O2濃度。

空氣過(guò)剩系數(shù)控制在1.1～1.3 之間，符合GB/T 15319 不高于1.25［5］的規(guī)定。過(guò)剩系數(shù)每降低0.1，加熱爐熱效率提高1.3%，但僅適于低效加熱爐的粗略評(píng)估，對(duì)于高效加熱爐，數(shù)據(jù)需要大幅修正。

隨著精細(xì)化操作的提升，CO 控制技術(shù)得到市場(chǎng)的認(rèn)可，在經(jīng)過(guò)特殊的穩(wěn)焰設(shè)計(jì)后，CO可控制到40～80 mg/m3，空氣過(guò)剩系數(shù)可到1.05甚至更小。

1.5 經(jīng)濟(jì)排煙溫度分析

排煙溫度越低，余熱回收的末端溫差越小，需要換熱面積就越大，1次投資會(huì)快速增加，見(jiàn)表4。

表4 余熱回收工況計(jì)算

從表4 可以看出，當(dāng)排煙溫度在89.5 ℃時(shí)，加熱爐理論效率在95%；當(dāng)排煙溫度為100 ℃時(shí)，理論效率可到94.5%。排煙溫度從100 ℃降至80 ℃時(shí)，節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益上升10%，但換熱面積上升了62%，考慮鋼結(jié)構(gòu)和地基載重能力的提升，總投資預(yù)計(jì)會(huì)上升70%，性價(jià)比很低。插值分析發(fā)現(xiàn)，在排煙溫度從100 ℃降到80 ℃的過(guò)程中，投資上升率和經(jīng)濟(jì)效益均在84.5 ℃左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)加熱爐理論熱效率在95.2%，考慮到可能出現(xiàn)的其它散熱損失及漏風(fēng)，實(shí)際效率要低于95.2%。通過(guò)插值逼近，經(jīng)濟(jì)的排煙溫度和效率在85 ℃/95%。

2 優(yōu)化余熱回收效率的推薦措施

2.1 鑄鐵板低溫預(yù)熱器

該方案在高溫段使用碳鋼或不銹鋼材質(zhì)，低溫段使用鑄鐵板，并鑄造雙面翅片來(lái)增加傳熱。優(yōu)點(diǎn)是具有較好的抗露點(diǎn)腐蝕能力，缺點(diǎn)是鑄鐵材質(zhì)比較笨重，翅片易積灰。對(duì)于此類(lèi)型換熱器，排煙溫度可降低到露點(diǎn)溫度以下。為減少酸水的產(chǎn)生，多數(shù)工廠會(huì)將排煙溫度控制在88 ℃以上。此方案加熱爐效率可做到94.5%。

2.2 玻璃板/玻璃管低溫預(yù)熱器

該方案在高溫段使用碳鋼或不銹鋼，低溫段使用玻璃板或玻璃管換熱器。玻璃材質(zhì)抗腐蝕能力強(qiáng)，流動(dòng)阻力小，流速高，不易積灰，易清洗，具有單位體積的換熱面積大，易模塊化設(shè)計(jì)、制作、安裝和維修等特點(diǎn)。玻璃熱膨脹系數(shù)小、易脆、抗拉彎扭振能力差，所以玻璃換熱器更適用于15 kPa以下的腐蝕性介質(zhì)。由于玻璃材質(zhì)具有超強(qiáng)的耐腐蝕能力，所以不受露點(diǎn)溫度的影響，使用玻璃材質(zhì)的換熱器，加熱爐總效率能做到94.5%～94.8%。

2.3 高效超凈技術(shù)

預(yù)熱后的燃料氣去復(fù)合阻垢劑，將其中的硫氯化物含量降到5×10-6以下，處理后，排煙中的硫化物指標(biāo)遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)規(guī)定的50 mg/Nm3。超凈技術(shù)可將加熱爐排煙溫度降至80 ℃［7］，效率提升到95.2%。超凈技術(shù)對(duì)硫含量較高的燃料有獨(dú)優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于燒氣型加熱爐，影響效率的主要因素是排煙溫度、爐體表面溫度和氧含量，考慮到經(jīng)濟(jì)性，排煙溫度和總效率控制在85 ℃/95%左右比較適宜。應(yīng)注意的是，如果用裝置余熱對(duì)燃料氣進(jìn)行預(yù)加熱，則需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)以滿足溫壓變化導(dǎo)致的燃燒改變和必要的安全性評(píng)估。