周靖（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

原油加熱爐加裝空氣換熱器技術(shù)探討

周靖（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

原油加熱爐是原油穩(wěn)定裝置中主要的能耗設(shè)備，杏V-I原油加熱爐燃料氣為深冷氣，供風(fēng)方式為自然通風(fēng)，投產(chǎn)以來，運(yùn)行正常，但加熱爐消耗燃料氣量較大，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)加熱爐燃燒配比空氣加熱消耗較多燃料氣。由于天然氣的碳?xì)浔鹊?，致使燃燒產(chǎn)生的廢氣汽化潛熱大，回收這部分熱量可以有效地節(jié)約能源?，F(xiàn)對杏V-Ⅰ原油加熱爐設(shè)計(jì)、加裝空氣換熱器，收集自身釋放熱量來進(jìn)行空氣加熱，在通過引風(fēng)設(shè)備將預(yù)熱空氣送入加熱爐內(nèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)約燃料氣的目的。

加熱爐 燃料氣 空氣 熱量 換熱器

杏V-I原油穩(wěn)定裝置（簡稱原穩(wěn)裝置），采用微正壓閃蒸工藝原理進(jìn)行原油穩(wěn)定。設(shè)計(jì)年處理量為180×104t/a，波動(dòng)范圍為70%~110%，年操作時(shí)間為8000h。總裝機(jī)容量1600k W，運(yùn)行負(fù)荷1200k W。原穩(wěn)裝置采用立式圓筒加熱爐對原油進(jìn)行加熱，加熱爐設(shè)計(jì)功率5.5 M W，設(shè)計(jì)出口溫度160℃。加熱爐燃料氣為深冷氣，供風(fēng)方式為自然通風(fēng)。裝置自2007年11月投產(chǎn)以來，運(yùn)行正常，與同類裝置相比加熱爐消耗燃料氣量偏高，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)加熱爐燃燒配比空氣加熱消耗較多燃料氣。

1 原油加熱爐運(yùn)行工況分析

1.1 原穩(wěn)裝置基本數(shù)據(jù)

裝置來油量平均270m3/h；

原油進(jìn)加熱爐平均溫度為133℃；

原油出加熱爐平均溫度為160℃；

加熱爐溫升為27℃；

加熱爐平均含氧量3.5%；

加熱爐輻射段平均溫度260℃；

加熱爐排煙段平均溫度190℃；

加熱爐燃料氣平均氣量560m3/h（深冷氣）；

甲烷密度為0.77k g/m3（標(biāo)況下）；

空氣密度為1.29k g/m3（標(biāo)況下）；

空氣平均分子量29；

空氣比熱容理想狀態(tài)下為1.4 J/（k g·K）[1]（空氣比熱容隨溫度變化，因此取理想狀態(tài)）；

甲烷的燃燒值為37.7M J/m3[2]。

注：所有數(shù)據(jù)在生產(chǎn)記錄中取平均值，所有計(jì)算不考慮熱損失。

1.2 加熱爐燃燒加熱空氣的燃料氣消耗

加熱爐燃料氣為深冷氣，深冷氣主要成分為甲烷（甲烷含量占深冷氣量的95%~99%）[2]，以下加熱爐內(nèi)深冷氣燃燒按甲烷充分燃燒進(jìn)行計(jì)算?？傻贸雒啃r(shí)參與燃燒的空氣質(zhì)量為7435 k g/h、體積為5763m3/h，燃燒生成二氧化碳質(zhì)量為1186k g/h、水蒸氣質(zhì)量為970k g/h。

因含氧分析數(shù)值不為零，則說明在加熱爐內(nèi)混有未燃燒的氧氣。加熱爐含氧分析取樣點(diǎn)在排煙段，所以排煙段氣體構(gòu)成為：反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳+水蒸氣+未燃燒的氮?dú)?進(jìn)入加熱爐內(nèi)的多余空氣。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT[1]，計(jì)算各組分氣體在排煙段體積（排煙段溫度為190℃）：

二氧化碳體積V=nRT/P=1024 m3/h

同理：氮?dú)怏w積為7742m3/h；水蒸氣體積為2046m3/h。根據(jù)加熱爐內(nèi)含氧量可計(jì)算出未燃燒的190℃空氣量為1934 m3/h（不考慮排煙段負(fù)壓造成的體積增大），根據(jù)公式V=nRT/P得出該部分空氣質(zhì)量為151 k g/h，再通過密度換算得出25℃下其體積為129m3/h。

合計(jì)進(jìn)入加熱爐空氣量=充分燃燒空氣量+未燃燒空氣量=7586k g/h，體積為5892m3/h。

加熱爐夏季運(yùn)行、冬季運(yùn)行工況差別較大，下面分別進(jìn)行計(jì)算。

夏季空氣進(jìn)入加熱爐后由環(huán)境溫度25℃加熱到輻射段平均溫度260℃時(shí)消耗熱量為

同理冬季空氣進(jìn)入加熱爐后由環(huán)境溫度-25℃加熱到輻射段平均溫度260℃時(shí)消耗熱量為3.03×106k J/h。

燃料氣采用的是深冷氣，深冷氣的燃燒值為37.7M J/m3，燃料氣量為560m3/h，經(jīng)計(jì)算釋放的熱量為560×37.7×1000=21.11×106k J/h。

1.3結(jié)論

在加熱空氣過程中燃料氣的消耗為12%~14%。按照平均用氣13440m3/d計(jì)算,用于加熱空氣的燃料氣量為1613~1882m3/d。（因未考慮熱損失，所以實(shí)際消耗會(huì)大于計(jì)算結(jié)果）。

表1 引風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)表

2 設(shè)計(jì)改造

2.1改造原理

由于天然氣的碳?xì)浔鹊?，?dǎo)致燃燒產(chǎn)生的廢氣汽化潛熱大，回收這部分熱量用來對冷空氣進(jìn)行加熱可以有效地節(jié)約能源。

2.2 改造方法

我們利用加熱爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，改變加熱爐結(jié)構(gòu)，加裝空氣換熱器。加熱爐排煙段與對流段采用螺栓連接，可以在不改變工藝管線流程的情況下，提升排煙段，插入空氣換熱器，對冷空氣進(jìn)行加熱，在通過引風(fēng)設(shè)備將預(yù)熱空氣送入加熱爐內(nèi)。

通過計(jì)算得出煙氣的流量比空氣流量高許多，所以合理設(shè)計(jì)空氣和煙氣通道是十分重要的。由于煙氣是自然通風(fēng)，因此煙氣通道的阻力必須很小，否則會(huì)影響設(shè)備工藝工況?？紤]到流體隨著溫度的變化其體積也急劇變化的特性，我們對空氣采用風(fēng)機(jī)增加動(dòng)力。綜上所述，我們將空氣流程設(shè)計(jì)為二回程，以提高設(shè)備的傳熱效率。

2.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

高溫板式換熱器技術(shù)參數(shù)，設(shè)備設(shè)計(jì)壓降，熱側(cè)50Pa，冷側(cè)-400Pa；設(shè)計(jì)溫度，熱側(cè)400℃，冷側(cè)300℃等。

2.2.2 設(shè)計(jì)方案

空氣換熱器設(shè)計(jì)方案見圖1。

2.2.3 輔助設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

引風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

2.3 改造后效益

加熱爐加裝空氣換熱器可提高常溫下空氣至150℃，年節(jié)約燃料氣39.7×104m3，獲得經(jīng)濟(jì)效益39萬余元?？紤]到新增電能損耗，所以杏V-Ⅰ原油加熱爐加裝空氣換熱器年創(chuàng)造效益至少為36萬元。

3 結(jié)論

原油加熱爐加裝空氣換熱器，不僅可以很好地收集自身釋放熱量來進(jìn)行空氣加熱，節(jié)約燃料氣，還能通過換熱降低加熱爐排煙溫度，減少高溫氣體對環(huán)境的破壞。同時(shí)，燃料氣的減少更能減少二氧化碳?xì)怏w的排放量。本項(xiàng)設(shè)計(jì)不僅能帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益，而且還能帶來很好的安全效益、社會(huì)效益，最重要的是本項(xiàng)設(shè)計(jì)施工簡單，推廣性強(qiáng)，適用于各類企業(yè)加熱爐改造。

[1]沈維道,蔣智敏,童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].3版.北京:高等教育出版社,2008:394.

[2]孫愛忠.油氣初加工過程[M].哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,1990:347.

10.3969/j.i ssn.2095-1493.2012.09.008

周靖，2008年畢業(yè)于黑龍江工程學(xué)院，從事油氣初加工裝置工藝技術(shù)工作，E-mail：tzhouj@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司油氣加工一大隊(duì)杏V-Ⅰ油氣處理站，163000。

2012-06-17）