對某石化裝置加熱爐排煙溫度異常的分析

張睿

(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

1 煙氣超溫概況

某石化裝置加熱爐系統(tǒng)由一套四合一加熱爐和一套重沸爐組成，如圖1 所示，煙氣經(jīng)過空氣預(yù)熱器進行余熱回收后從煙囪排出，設(shè)計空氣預(yù)熱器煙氣入口溫度353 ℃，排煙溫度為120 ℃以下，空氣預(yù)熱器設(shè)計換熱負荷為3.5 MW，根據(jù)現(xiàn)場DCS 數(shù)據(jù)顯示實際運行時通過預(yù)熱器的煙氣溫度從287 ℃降到了125 ℃，而空氣溫度從19.2 ℃升溫到241 ℃(2021.12.13 DCS 數(shù)據(jù))，預(yù)熱器排煙溫度過高，實際運行中排煙溫度甚至高達132 ℃，上述異常參數(shù)確定出現(xiàn)了排煙超溫問題。排煙溫度升高，排煙損失增大，表明在生產(chǎn)工藝中出現(xiàn)明顯的熱能損失。能耗升高，將嚴重降低企業(yè)經(jīng)濟效能。

圖1 加熱爐工藝流程簡圖

2 加熱爐排煙超溫分析

2.1 排煙超溫初步分析

在加熱爐設(shè)計及運行正常情況下造成加熱爐排煙超溫的原因一般有以下兩點[1]：(1)預(yù)熱器問題，如預(yù)熱器面積不夠；(2) 系統(tǒng)漏風(fēng)問題，如加熱爐、煙氣管道、空氣管道、預(yù)熱器等均可能存在漏風(fēng)，漏風(fēng)會降低加熱爐熱效率，會造成排煙溫度過高或過低。

根據(jù)現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，各加熱爐的輻射室、對流室煙氣溫度數(shù)據(jù)顯示如表1 所示，煙氣溫度在加熱爐輻射室與對流室段并未出現(xiàn)異常，加熱爐正常運行。

表1 加熱爐輻射室與對流段出口煙氣溫度

四合一加熱爐高溫?zé)煔馀c重沸爐高溫?zé)煔饣旌辖?jīng)過預(yù)熱器后出現(xiàn)了煙氣超溫的現(xiàn)象，重點對預(yù)熱器進行了熱平衡核算，按照加熱爐設(shè)計的燃料負荷對應(yīng)的空氣量與煙氣量對預(yù)熱器進行熱平衡反算，核算空氣預(yù)熱器入口煙氣量，換熱量，驗證是否與空氣預(yù)熱器設(shè)計條件相匹配。進行預(yù)熱器熱平衡計算時利用焓差法計算換熱量，相關(guān)計算公式如下：

式中：Q為換熱量(kJ/h)，正值放熱，負值吸熱；M為氣體質(zhì)量流量(kg/h)；Hin為入口氣體焓值(kJ/kg)；Hout為出口氣體焓值(kJ/kg)；q為熱負荷(kW)。

加熱爐運行空氣量與煙氣量核算如表2 所示。

表2 加熱爐運行空氣量與煙氣量核算

總?cè)剂狭浚?/p>

輻射室氧含量為各爐膛氧含量均值3.0%。燃料氣組分如表3 所示。

表3 燃料氣組分

每100 Nm3燃料氣完全燃燒需要空氣量為723.928 63 Nm3，則2 015 Nm3/h 燃料氣完全燃燒需要的空氣量為：

核算3%氧濃度對應(yīng)的空氣過剩系數(shù)為1.15。

實際空氣量為：

空氣溫度20 ℃，標(biāo)準狀況密度1.293 kg/Nm3，則實際空氣量質(zhì)量流量為：

煙氣組分如表4 所示。

表4 煙氣組分

1 kg 燃料氣燃燒后煙氣中各組分的質(zhì)量分別為：

式(7)～式(10)中：WCO2、WH2O、WN2、WO2分別為煙氣中各組分的質(zhì)量(kg/kg(燃料氣))；CO2、N2、O2分別為燃料氣中二氧化碳、氮和氧的質(zhì)量分數(shù)；yi為單一氣體質(zhì)量分數(shù)；ai、bi分別為計算系數(shù)，查表可知[2]。

由上述式可計算出煙氣量為22 427 kg/h?？疹A(yù)器熱平衡核算如表5 所示。

表5 空預(yù)器熱平衡核算

表5 中的空氣與煙氣進出口溫度來自于中控DCS數(shù)據(jù)顯示中預(yù)熱器前后的測點顯示，多個數(shù)據(jù)顯示的取均值，根據(jù)前面所述公式計算空氣吸熱量與煙氣放熱量：

根據(jù)焓值計算熱量，對空氣查煙氣焓溫表，采用插值計算，20 ℃左右入口焓值Hairin=21.98 kJ/kg，出口溫度241 ℃的空氣出口焓值Hairout=267.49 kJ/kg，對于煙氣組分在溫升過程依然可以根據(jù)焓值變化計算放熱量，核算得到的煙氣密度為1.153 kg/Nm3，則1 kg煙氣體積為0.867 3 Nm3，則每kg 煙氣中各組分的體積如表6 所示。

表6 各組分的體積

(1)根據(jù)工況燃料使用量及輻射室氧含量核算，加熱爐運行氧含量約為3.0%，所需要的空氣量為20 210 kg/h，理想狀態(tài)下這些空氣將由空氣預(yù)熱器換熱后供給，加熱爐運行產(chǎn)生的煙氣量為22 427 kg/h，約287 ℃的高溫?zé)煔膺M入預(yù)熱器換熱后從煙囪排出；

(2)經(jīng)計算得空氣側(cè)吸熱量為4 961 710 kJ/h，熱負荷為1 378 kW，煙氣側(cè)放熱量僅為4 338 160 kJ/h，熱負荷為1 205 kW，煙氣側(cè)放熱量與空氣側(cè)吸熱量不匹配，若空氣與煙氣流量保持不變情況下，煙氣同樣放出約1 378 kW 的熱量煙氣溫度應(yīng)該降到約96 ℃，實際排煙溫度比理論值高了24 ℃；

(3)即使預(yù)熱器部分失效或者換熱面積不足的情況下，核算的空氣吸熱量與煙氣的放熱量都應(yīng)該是平衡的，換熱面積不足時煙氣若超溫，空氣溫升也會減小，兩者在熱量上維持平衡，目前熱量不平衡，歸根到底能量的不平衡來自質(zhì)量的不平衡，即在預(yù)熱器完成的換熱過程不是按照理論空氣與煙氣量的對應(yīng)關(guān)系進行的，初步判斷整個系統(tǒng)某處存在漏風(fēng)。

2.2 系統(tǒng)漏風(fēng)分析

化工工藝系統(tǒng)由于密封各種原因漏風(fēng)是不可避免的，較大的漏風(fēng)會影響系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行，經(jīng)過分析將超溫原因鎖定在工藝系統(tǒng)存在較大漏風(fēng)上，以加熱爐和預(yù)熱器為節(jié)點將整個工藝系統(tǒng)分為預(yù)熱器、煙氣段、空氣段、加熱爐四部分進行漏風(fēng)分析。

2.2.1 預(yù)熱器漏風(fēng)分析

空氣預(yù)熱器空氣側(cè)為正壓、煙氣側(cè)為負壓，存在三種漏風(fēng)可能性：空氣側(cè)空氣通過彎頭箱法蘭或密封焊接處向外漏風(fēng)；煙氣側(cè)外界空氣通過彎頭箱法蘭或密封焊接處向內(nèi)漏風(fēng)；受腐蝕及焊點漏風(fēng)影響，預(yù)熱器空氣側(cè)向煙氣側(cè)漏風(fēng)。對上述漏風(fēng)可能性，利用煙氣分析儀對現(xiàn)場煙氣進行了檢測，重點關(guān)注了預(yù)熱器進出口煙氣的氧含量，預(yù)熱器進出口氧含量從3.29%上升到了4.43%左右，經(jīng)核算煙氣側(cè)漏進約1 386.29 kg/h 的空氣量。計算中將漏進的空氣組分對煙氣組分的影響考慮進去，進行預(yù)熱器換熱計算發(fā)現(xiàn)時與不考慮漏風(fēng)對組分影響相比煙氣溫度差異不足2 ℃，漏進空氣對煙氣組分影響在計算中可以忽略。在預(yù)熱器低溫段存在少量漏風(fēng)，煙氣中漏進較冷的空氣，會使排煙溫度降低，因此預(yù)熱器漏風(fēng)并不是造成排煙超溫的原因如表7 所示。

表7 現(xiàn)場預(yù)熱器進出口煙氣相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2.2 加熱爐對流室頂部至預(yù)熱器入口漏風(fēng)分析

加熱爐對流室出口至預(yù)熱器進口之間主要是煙氣管道連接，且有一段煙氣旁路與煙囪連接，使用煙囪密封擋板閥控制煙氣旁路的開閉，正常運行時煙囪密封擋板閥是關(guān)閉的，當(dāng)引風(fēng)機或預(yù)熱器故障時打開該擋板閥使煙氣直接由煙囪排出。在現(xiàn)場煙氣檢測發(fā)現(xiàn)爐子對流段出口氧含量約為3.00%，煙氣到達預(yù)熱器頂部氧含量約3.29%，氧含量增加約0.30%左右，核算泄漏率約1.48%左右，漏風(fēng)量較小為正常漏風(fēng)，不是煙氣超溫的原因。

2.2.3 檢查加熱爐漏風(fēng)問題

加熱爐是一個相對復(fù)雜且具有多個開口的設(shè)備，工況運行時加熱爐內(nèi)部為負壓，因此加熱爐設(shè)備是存在較多漏風(fēng)點的，主要有以下幾點：(1) 加熱爐看火門、防爆門處；(2) 燃燒器看火孔；(3) 輻射室頂部集合管。

從加熱爐各接口法蘭泄漏進加熱爐的空氣，一般不參與燃燒過程，而且會吸收部分熱量，同時這部分參與了加熱爐爐膛中氧含量的組成，從鼓風(fēng)機供給的助燃風(fēng)量減少，通過預(yù)熱器進行換熱的空氣量小于設(shè)計值，會導(dǎo)致預(yù)熱器換熱平衡失衡，即冷空氣溫升較高，而熱煙氣降溫不足，預(yù)熱器出口的排煙溫度會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

經(jīng)過以上分析造成排煙溫度超溫的原因很可能是加熱爐部分結(jié)構(gòu)存在漏風(fēng)，漏風(fēng)量較難通過儀器測量定量分析，可以到現(xiàn)場進行加熱爐漏風(fēng)檢測及堵漏工作，對加熱爐可能存在的漏風(fēng)位置進行檢查。

3 分析結(jié)論及應(yīng)對措施

通過分析，可以得出結(jié)論，導(dǎo)致排煙超溫的原因很大可能是系統(tǒng)存在漏風(fēng)。通過理論分析，在加熱爐輻射段漏風(fēng)很可能是造成預(yù)熱器進出口核算熱量不平衡且煙氣超溫的主要原因。針對以上分析結(jié)果，開展以下工作：

(1)聯(lián)系專業(yè)加熱爐漏風(fēng)監(jiān)測人員到現(xiàn)場，對加熱爐可能存在的泄漏部位進行檢測，查找泄漏部位后進行封堵。2023 年2 月24 日，邀請青島樹鼎技術(shù)工程有限公司使用工業(yè)爐泄漏檢測儀，對所有可能存在泄漏的部位進行了全面檢測。通過檢測，發(fā)現(xiàn)加熱爐集合管保溫棉底部、防爆門等部位存在比較明顯漏風(fēng)，與加熱爐廠家及空預(yù)器廠家現(xiàn)場分析，全部漏風(fēng)量不會對加熱爐排煙溫度造成較大影響。

(2)對加熱爐集合管保溫、看火門、防爆門等容易存在漏風(fēng)的部位進行全面封堵，觀察加熱爐排煙溫度的變化情況。首先將方爐底部人孔邊緣漏風(fēng)部位進行了封堵，無明顯效果。隨后，將加熱爐集合管整體重新包保溫鋁皮，并在集合管前后端漏風(fēng)部位使用保溫泥進行封堵。集合管堵漏完成后，加熱爐排煙溫度降至120 ℃，熱效率提升至92.9%左右，滿足了技術(shù)要求。

4 結(jié)語

通過此次對加熱爐排煙溫度高問題的排查及治理，會同設(shè)備制造廠、設(shè)計院等多家單位，從各個方面進行了分析。問題排查、分析過程同時也是對加熱爐系統(tǒng)相關(guān)知識重新梳理和整合的過程。該問題的成功解決，為今后對加熱爐的操作和管理帶來了寶貴的經(jīng)驗。希望本文能夠?qū)ν愌b置設(shè)備類似問題的分析提供借鑒，共同做好加熱爐的運行管理工作。