錢伯章
(上海擎督信息科技有限公司金秋能源石化工作室)
綜述
加熱爐和工業(yè)鍋爐的節(jié)能技術(shù)綜述
錢伯章*
(上海擎督信息科技有限公司金秋能源石化工作室)
通過實(shí)例,詳細(xì)介紹了提高加熱爐、裂解爐和鍋爐熱效率的幾項(xiàng)典型節(jié)能技術(shù),包括設(shè)置節(jié)能空氣預(yù)熱器、控制露點(diǎn)腐蝕、強(qiáng)化輻射管傳熱、采用高效燃燒器和吹灰節(jié)能等技術(shù)。
加熱爐 裂解爐 鍋爐 熱效率 空氣預(yù)熱器 節(jié)能
加熱爐、裂解爐和鍋爐是石化生產(chǎn)過程中主要的耗能設(shè)備之一。充分發(fā)揮加熱爐、裂解爐和鍋爐的熱效率,提高燃料利用率,對于降低能源消耗,提高加熱質(zhì)量,從而充分創(chuàng)造整個(gè)生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益,具有非常重要的意義。提高加熱爐、裂解爐和鍋爐熱效率的典型節(jié)能技術(shù)主要有下述幾項(xiàng):設(shè)置節(jié)能空氣預(yù)熱器、控制露點(diǎn)腐蝕、強(qiáng)化輻射管傳熱、采用高效燃燒器技術(shù)、吹灰節(jié)能等。本文以實(shí)例來分別介紹這些節(jié)能技術(shù)。
加熱爐、工業(yè)鍋爐、焚燒爐、干燥爐等煙氣余熱回收可采用節(jié)能的玻璃管空氣預(yù)熱器,這一技術(shù)目前已在國內(nèi)外得到應(yīng)用。法國某煉油廠常壓蒸餾加熱爐采用鑄鐵管-玻璃管型預(yù)熱器回收熱量,高溫段鑄鐵管216根、低溫段玻璃管900根,煙氣流量79 850 kg/h,入口溫度 410℃,出口溫度 173℃;空氣側(cè)流量63 140 kg/h,入口溫度15℃,出口溫度331℃。我國茂名石化公司、南京金陵石化煉油廠、鎮(zhèn)海煉化公司均有采用鋼管-玻璃管型空氣預(yù)熱器的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
為回收低溫?zé)崮?、解決防腐問題,歐美還開發(fā)了涂塑管換熱器。例如美國Lathan冷凝換熱器公司為鍋爐提供涂有四氟材料的管式煙氣換熱器,配套用于燃用6號(hào)燃料油的鍋爐,煙氣溫度可降至46℃,鍋爐給水可由4.4℃升高至82℃。
據(jù)美國Argonne國家實(shí)驗(yàn)室評價(jià),聚苯硫醚塑料抗硫酸腐蝕性最好。這種材料用于鍋爐、加熱爐、轉(zhuǎn)化爐等,可解決爐體排煙余熱回收時(shí)因煙溫太低而導(dǎo)致的預(yù)熱管低溫露點(diǎn)腐蝕的問題。
裂解爐是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備,作為裂解原料的石油制品在裂解爐內(nèi)的高溫下裂解,生產(chǎn)出乙烯、丙烯及其他副產(chǎn)品。裂解爐是乙烯裝置的能耗大戶,其能耗占裝置總能耗的50%~60%。降低裂解爐的能耗是降低乙烯生產(chǎn)成本的重要途徑之一。裂解爐燃燒用的空氣以往一直采用常溫空氣,這樣不僅爐膛燃燒溫度得不到科學(xué)有效控制,操作調(diào)節(jié)難度增加,而且也浪費(fèi)了許多燃燒能源。中國石化集團(tuán)公司與下屬各乙烯生產(chǎn)廠進(jìn)行裂解爐節(jié)能技術(shù)攻關(guān),在經(jīng)過大量科學(xué)論證核算的基礎(chǔ)上,增設(shè)了空氣預(yù)熱器。常溫空氣先用裝置富余的低壓蒸汽進(jìn)行加熱,然后再進(jìn)裂解爐膛燃燒,這樣一方面可節(jié)省燃料,另一方面也可使裂解爐操作控制更趨平穩(wěn),從而延長單爐運(yùn)行周期。廣州石化乙烯裝置的6臺(tái)裂解爐新增的空氣預(yù)熱器于2007年4月初投入使用,標(biāo)定結(jié)果表明,每臺(tái)空氣預(yù)熱器每小時(shí)可節(jié)約燃料氣103 kg,估算一年可節(jié)約標(biāo)煤近萬噸。
茂名石化設(shè)備中心應(yīng)用各種先進(jìn)技術(shù)防止露點(diǎn)腐蝕,堵漏降耗,取得了明顯成效。該中心開展了防止加熱爐露點(diǎn)腐蝕研究,做到每臺(tái)加熱爐至少每月檢測一次,并通過加強(qiáng)檢測,找出泄熱漏風(fēng)點(diǎn)。他們應(yīng)用各種先進(jìn)技術(shù)防止露點(diǎn)腐蝕,堵漏降耗,延長了加熱爐運(yùn)行時(shí)間。據(jù)該公司煉油分部測算,加熱爐熱效率已從2007年底的88.15%,提升到2008年5月的90.13%,年節(jié)能降耗增效達(dá)200萬元以上。同時(shí),他們還研制出有效防止露點(diǎn)腐蝕的加熱爐爐管,投入使用后將產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益。
我國石化行業(yè)的加熱爐,有的是以重油為燃料的,也有的是直接用液化石油氣或者天然氣為燃料的。由于油價(jià)波動(dòng)大、資源緊張、煙氣含硫量過高等原因,目前石化行業(yè)的降本增效、節(jié)能減排已成為難題。
水煤漿是由65%~70%不同粒度分布的低硫煤、30%~35%的水和約1%的添加劑制成的混合物,是一種新型低污染代油燃料。目前,水煤漿技術(shù)已趨于成熟。面對日趨嚴(yán)峻的石油供求形勢和國際油價(jià)變動(dòng)的不確定性,水煤漿作為一種較廉價(jià)的液體燃料,是燃料油較為理想的替代品之一。因此,為提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,降低能耗,以水煤漿替代燃料油用于加熱爐是一條很好的途徑。
南京圣諾熱管有限公司與金陵石化烷基苯廠合作針對石化行業(yè)加熱爐的特點(diǎn),成功研制出了以水煤漿替代重油為燃料的高效工業(yè)加熱爐技術(shù)。
據(jù)了解,用水煤漿替代燃油用于加熱爐,具有以下特點(diǎn):水煤漿黏度低于重油,并可以像油一樣儲(chǔ)存和霧化燃燒,適宜于管道輸送。在鍋爐中燃燒效率可達(dá)96%以上,鍋爐熱效率在90%左右,接近燃油水平,燃燒調(diào)節(jié)方便,最低負(fù)荷可調(diào)至40%,運(yùn)行穩(wěn)定可靠。因性質(zhì)與燃料油相近,水煤漿代油可以最大限度地利用原有燃油系統(tǒng)的設(shè)備和管線,系統(tǒng)改造相對簡單。相比于煤代油,不需要增加制煤及輸送設(shè)備和占地,鍋爐及配套系統(tǒng)的改造工作量小、周期短,對生產(chǎn)的停工影響小,投資也少,具有可行性。
由于制漿采用洗精煤,本身硫分和灰分較低,同時(shí)水煤漿燃燒溫度一般在1300℃左右,比燃油和粉煤溫度低100~200℃,因此燃用水煤漿二氧化硫和氮氧化物排放濃度均較低,排放煙氣可以滿足國家的排放標(biāo)準(zhǔn),不需要另行增加煙氣脫硫設(shè)施。
據(jù)介紹,該技術(shù)主要解決的問題之一就是彌補(bǔ)了現(xiàn)有燃油加熱爐不能穩(wěn)定燃燒水煤漿的缺陷。水煤漿鍋爐不適于加熱導(dǎo)熱油,存在容易結(jié)焦與燃燒不穩(wěn)定等的不足,因此該公司設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的新型管式導(dǎo)熱油加熱爐,可以穩(wěn)定燃燒水煤漿,并且不易結(jié)焦。該技術(shù)所解決的問題之二就是克服了現(xiàn)有管式加熱爐爐體結(jié)構(gòu)僅適合燃燒單一燃料的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種既可以水煤漿為燃料,也可以燃油或天然氣為燃料的管式導(dǎo)熱油加熱爐,能保證燃料穩(wěn)定燃燒,用戶能夠根據(jù)自身情況自由切換燃燒水煤漿、燃油或天然氣。這一技術(shù)給用戶帶來了極大的便利,有利于石化、化工裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。
2011年8月上旬,用水煤漿代替燃料油的大型工藝加熱爐在金陵石化烷基苯廠一次投用成功。據(jù)測算,每年因燃用水煤漿可節(jié)約燃料油費(fèi)用約2000萬元以上,減少二氧化硫排放量約160 t、煙塵排放量52 t,在降低能耗和生產(chǎn)成本的同時(shí),也減少了環(huán)境污染。
由中國石化北京化工研究院和中科院金屬研究所共同開發(fā)的扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)已在乙烯企業(yè)得到推廣,應(yīng)用該技術(shù)的裂解爐產(chǎn)能超過200萬t/a。 據(jù)介紹,截至2008年底,國內(nèi)已有燕山石化、揚(yáng)子石化、上海金山石化等9家大型石化企業(yè)采用了扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù),為乙烯裝置創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。以燕化一廠BA1104裂解爐為例,全年減少燒焦次數(shù)3次,節(jié)省費(fèi)用60多萬元,提高原料處理量7%,每年多產(chǎn)乙烯、丙烯分別為3416 t、1859 t,合計(jì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益1000多萬元。同時(shí),燒焦次數(shù)的減少還可延長裂解爐的使用壽命。
北京東方化工廠對F-1003裂解爐的輻射管實(shí)施扭曲片技術(shù)改造后,創(chuàng)下了該廠乙烯裝置投產(chǎn)以來裂解爐運(yùn)行周期的最長紀(jì)錄。這一技術(shù)對提高裂解爐的有效運(yùn)行時(shí)數(shù),增加乙烯產(chǎn)量,降低裂解爐燒焦時(shí)所需的能耗、物耗,具有重要的意義。
據(jù)介紹,F(xiàn)-1003裂解爐采用扭曲片技術(shù)后,運(yùn)行周期提高了70天。該技改項(xiàng)目實(shí)施簡便,工藝操作與原操作相同,但其燒焦及開、停爐次數(shù)卻減少,從而使得裂解輻射管的使用壽命相應(yīng)延長。按目前的運(yùn)行周期計(jì)算,全年清焦次數(shù)至少要減少4次,節(jié)省燃料氣78.9 t,少耗用稀釋蒸汽800 t。
近年來,東方乙烯6臺(tái)乙烯裝置裂解爐長期處于無備用狀態(tài)運(yùn)行,因此延長裂解爐的運(yùn)行周期意義更加重要。為此,該廠積極引進(jìn)先進(jìn)技術(shù),于2006年6月在裝置大修期間對F-1003裂解爐輻射管實(shí)施了扭曲片技術(shù)改造。
裂解爐輻射管扭曲片技術(shù)改造是在11 m長的爐管上,間隔焊接上兩段內(nèi)部預(yù)制有一個(gè)S型扭曲片的短管,以強(qiáng)制改變裂解爐管內(nèi)物料流向,減薄邊界滯留層,減緩管壁的結(jié)焦趨勢,達(dá)到強(qiáng)化傳熱、延長裂解爐運(yùn)轉(zhuǎn)周期的目的。
強(qiáng)化傳熱技術(shù)在國內(nèi)乙烯裝置成功應(yīng)用的同時(shí),也吸引了許多國外廠商,目前已有兩家公司與北京化工研究院合作,向國外乙烯生產(chǎn)商推廣扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)。
由中科院金屬所發(fā)明的 “乙烯裂解爐管強(qiáng)化傳熱技術(shù)”,在中國石化應(yīng)用取得成功,獲得中國石油化工集團(tuán)公司科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
該技術(shù)在中國石化系統(tǒng)乙烯裂解爐中進(jìn)行了10余年的工業(yè)試驗(yàn)和推廣應(yīng)用。如果在中國石化系統(tǒng)全面推廣該技術(shù),預(yù)計(jì)可提高乙烯生產(chǎn)能力7%以上,提高乙烯收率0.6%以上,即每年可多產(chǎn)70萬t乙烯,每年可節(jié)約原料油17萬t。此外,采用該技術(shù)可降低爐管外壁溫度20~50℃,大幅度延長爐管使用壽命,減少大修次數(shù),可節(jié)約維修費(fèi)用數(shù)億元,明顯減少裂解爐管結(jié)焦,延長二次燒焦的時(shí)間間隔,減少燒焦費(fèi)用上億元。
乙烯裂解爐管強(qiáng)化傳熱技術(shù)不僅可以用于乙烯裂解裝置,還可以用于各種管式加熱爐,如煉油工業(yè)中的各種加熱爐,各種輸氣、輸油管線加熱爐和各種高壓鍋爐等。目前中國石化已有100多萬噸乙烯裝置使用了該技術(shù)。今后幾年內(nèi),全國800萬t乙烯裝置將全部采用該技術(shù)。
可基本避免在蒸汽裂解裝置爐管內(nèi)表面發(fā)生碳沉積的涂層技術(shù)將由美國Quantiam技術(shù)公司推向商業(yè)化應(yīng)用。在5臺(tái)乙烯裂解爐上進(jìn)行的商業(yè)化規(guī)模試驗(yàn)表明,對于輕質(zhì)原料,使用涂層后可使裂解爐清焦時(shí)間延長至1~2年,而未涂層的爐管約每30天就必須清焦一次。
裂解爐管內(nèi)碳沉積的兩個(gè)主要來源是:細(xì)絲狀的焦炭,系來自在高溫下鋼管內(nèi)由于鎳和鐵的催化而生成的產(chǎn)物;無定形焦炭,系來自氣體烴類進(jìn)料裂解的沉積物。Quantiam技術(shù)公司的涂層可通過化解焦炭生成機(jī)制而防止其生成。氣相焦炭沉積物的累積可通過在涂層中釆用催化劑而予以防止,它可使焦炭轉(zhuǎn)化成CO和CO2。這種涂層是一種由金屬基體與陶瓷和金屬間組分組成的復(fù)合材料。
該涂層在高達(dá)1130℃時(shí)也處于穩(wěn)定狀態(tài),耐硫的濃度高達(dá)3000×10-6。通過避免碳積聚,該涂層也可使能耗成本降低3%~10%,并能通過減少蒸汽使用量來提高產(chǎn)品產(chǎn)量,而使用蒸汽的目的之一在于使?fàn)t管表面被氧化以防止焦炭生成。
Quantiam技術(shù)公司中型裝置能力約為 645.2(內(nèi)表面) m2/a,或相當(dāng)于兩臺(tái)商業(yè)化裂解爐。通過來自巴斯夫風(fēng)險(xiǎn)投資公司和Ursataur投資管理公司各投入約300萬美元的投資,Quantiam技術(shù)公司已計(jì)劃到2011年4月將其產(chǎn)能增大到1 935.6 (內(nèi)表面)m2/a。據(jù)稱,采用涂層裂解爐管的投資償還期小于1年。
巴斯夫公司于2011年9月下旬宣布,其子公司巴斯夫加拿大公司已聯(lián)合加拿大阿爾伯塔省埃德蒙頓的Quantiam技術(shù)公司作為共同的股東,在一家新成立的公司 (名為巴斯夫Qtech公司)中啟動(dòng)相關(guān)的業(yè)務(wù),重點(diǎn)致力于使蒸汽裂解爐管先進(jìn)的催化表面涂層推向商業(yè)化,使Quantiam技術(shù)公司開發(fā)的裂解爐管先進(jìn)的催化表面涂層應(yīng)用于全球石化產(chǎn)業(yè)。新公司的制造、研發(fā)和技術(shù)服務(wù)支持將由Quantiam團(tuán)隊(duì)在埃德蒙頓提供,市場和銷售支持將由巴斯夫公司的催化劑分部為引領(lǐng)。通過組合巴斯夫公司的財(cái)政資源和催化專業(yè)知識(shí)以及Quantiam技術(shù)公司強(qiáng)大的技術(shù)專長,將可更好地滿足客戶的需求,加快先進(jìn)的催化涂層解決方案的應(yīng)用。預(yù)期應(yīng)用于乙烷丙烷裂解的CAMOL第1代解決方案于2011年秋季正式商業(yè)化推廣使用。由Quantiam開發(fā)的催化表面涂層適用于蒸汽裂解爐管的內(nèi)表面,可支持烯烴的催化制造。該涂層設(shè)計(jì)旨在通過減少炭的生成、延長在線生產(chǎn)時(shí)間,以及減少維護(hù)時(shí)間、能量消耗和二氧化碳排放,來提高石化裂解爐的盈利能力。
中國石油化工集團(tuán)公司2011年9月底對揚(yáng)子石化新老區(qū)乙烯裂解爐的熱效率進(jìn)行了綜合檢測。檢測結(jié)果顯示,揚(yáng)子石化乙烯裂解爐平均熱效率達(dá)到93.86%,創(chuàng)下歷史最好水平和行業(yè)先進(jìn)水平。
裂解爐是揚(yáng)子石化的耗能大戶,其能耗占據(jù)整個(gè)乙烯裝置能耗的70%以上,熱效率是裂解爐的一項(xiàng)重要考核指標(biāo)。長期以來,爐型落后、設(shè)備老化、熱效率較低等諸多不利因素困擾著揚(yáng)子石化。該公司對照行業(yè)先進(jìn)標(biāo)桿找差距,探討提高裂解爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的辦法。
2010年8月份大修開始,揚(yáng)子石化應(yīng)用變頻風(fēng)機(jī)、爐管強(qiáng)化傳熱、稀土爐管、燃燒空氣預(yù)熱以及APC控制等先進(jìn)技術(shù),對老區(qū)乙烯裝置能耗較高的五臺(tái)裂解爐實(shí)施節(jié)能改造。改造后乙烯能耗降幅達(dá)5.5%以上,單臺(tái)裂解爐的熱效率提高約2%。揚(yáng)子石化還采取增加爐管扭曲片、更換新型燒嘴和襯里、對裂解爐對流段進(jìn)行化學(xué)清洗等措施,使得裂解爐排煙溫度大幅下降,進(jìn)一步提高了爐效。
揚(yáng)子烯烴廠實(shí)施了裂解爐熱效率的日常監(jiān)控措施,每天對各臺(tái)裂解爐進(jìn)行熱效率測算,并制定裂解爐熱效率監(jiān)控表,標(biāo)注超標(biāo)和異常變動(dòng)的數(shù)據(jù),然后將監(jiān)控表發(fā)送至車間和相關(guān)部門。相關(guān)人員針對超標(biāo)數(shù)據(jù),查問題,找根源,及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。
截至2012年6月8日,揚(yáng)子乙烯裝置樣板爐已經(jīng)運(yùn)行2周時(shí)間。運(yùn)行結(jié)果顯示,裂解爐排煙溫度下降約35℃,熱效率提高約2%,運(yùn)行負(fù)荷由90%提高到100%。截至目前,樣板爐運(yùn)行效果良好,完全達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能指標(biāo)。今后中國石化集團(tuán)公司所有裂解爐將以此為樣板,進(jìn)行節(jié)能改造。
乙烯裂解爐能耗占整個(gè)乙烯裝置能耗的70%以上,對乙烯裝置經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)構(gòu)成有著重大影響。國內(nèi)多數(shù)乙烯裝置建成于上世紀(jì),裂解爐普遍存在爐型老、熱效率低、能耗高、運(yùn)行周期短等問題。
為了趕超國外先進(jìn)水平,并為國內(nèi)乙烯裂解爐節(jié)能改造提供參考標(biāo)準(zhǔn),中國石化集團(tuán)公司依據(jù)國外先進(jìn)的裂解爐標(biāo)準(zhǔn),將揚(yáng)子石化新區(qū)01號(hào)裂解爐定為樣板爐,利用多種先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)對該爐實(shí)施改造。改造從2012年2月開始,4月底中交,5月25日投料開車。
據(jù)揚(yáng)子石化烯烴廠介紹,此次改造采用了中石化最為先進(jìn)的CBL爐管構(gòu)型,并安裝了扭曲片,提高了爐管的傳熱效率,裂解爐運(yùn)行周期從50天延長至80天,并使裂解爐負(fù)荷提高到100%。同時(shí),他們還在裂解爐對流段增加了換熱管束,換熱面積增加了20%~30%,充分利用了煙氣熱能,提高了裂解爐熱效率,降低了排煙溫度。裂解爐的風(fēng)機(jī)也采用了變頻調(diào)速裝置控制系統(tǒng),比原來節(jié)電20%~25%;裂解爐耐火材料更換為新型高等級材料,使裂解爐外墻溫度由82℃降至70℃以下,有效減少了裂解爐散熱損失。此外,除灰器也由原來的機(jī)械式改為聲波式,除灰效率大大提高。
蓄熱式燃燒器可在極短的時(shí)間內(nèi)將常溫空氣加熱。被加熱的高溫空氣進(jìn)入爐膛后,卷吸爐內(nèi)的煙氣形成一股含氧量大大低于21%的稀薄貧氧高溫氣流,這時(shí)再往稀薄高溫空氣附近注入燃料,即燃料在貧氧(2%~20%)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)燃燒。與此同時(shí),爐膛內(nèi)燃燒后的熱煙氣經(jīng)過另一個(gè)蓄熱式燃燒器排空,將高溫?zé)煔怙@熱儲(chǔ)存在另一個(gè)蓄熱式燃燒器內(nèi)。工作溫度不高的換向閥以一定頻率進(jìn)行切換,常用的切換周期為30~200 s。兩個(gè)蓄熱式燃燒器處于蓄熱與放熱交替工作狀態(tài),從而達(dá)到節(jié)能目的。
由石家莊煉化公司和中國石油大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的單面輻射焦化爐多點(diǎn)注汽技術(shù)通過了中國石化科技開發(fā)部組織的科技成果鑒定。該技術(shù)應(yīng)用先進(jìn)的多點(diǎn)注汽技術(shù)、中間橋墻優(yōu)化設(shè)計(jì)、底部增設(shè)爐管等新技術(shù),解決了爐管氧化暴皮、需壁溫?zé)犭婑顧z測、焦化爐 “生焦反應(yīng)給熱品質(zhì)差”等長期困擾裝置生產(chǎn)的實(shí)際問題;采用了調(diào)整注汽與控制爐出口溫度相結(jié)合的方法,對裝置操作進(jìn)行優(yōu)化,使裝置注汽量明顯降低,能耗降低2.37 kg(標(biāo)油)/t(原料),石油焦產(chǎn)率下降 1.21%,加熱爐熱效率提高1.43%。
該項(xiàng)技術(shù)已在石煉80萬t/a延遲焦化裝置上成功應(yīng)用,填補(bǔ)了國內(nèi)在單面輻射焦化爐技術(shù)領(lǐng)域的空白,在國內(nèi)同類裝置中具有廣泛的推廣價(jià)值。
北京力通高科技發(fā)展有限公司開發(fā)了ESW激波吹灰技術(shù)。該技術(shù)是目前較先進(jìn)的在線除塵技術(shù),有助于使耗能企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和清潔生產(chǎn)。企業(yè)中有不少工業(yè)鍋爐、管式爐在全天候運(yùn)行著,各受熱面不斷積灰,減弱了工質(zhì)與爐膛的熱交換,降低了鍋爐的熱效率,且鍋爐尾部受熱面上積灰使煙氣阻力增加,排煙溫度上升,直接影響鍋爐正常運(yùn)行。激波吹灰屬國際上較先進(jìn)的除灰技術(shù)。其基本原理是通過可燃?xì)怏w (如氫氣、乙炔氣、煤氣、液化氣和天然氣等)與空氣或氧氣以適當(dāng)?shù)谋壤旌?,由具有產(chǎn)生爆轟所需能量的高能火花塞瞬間引燃產(chǎn)生爆炸,利用可控制強(qiáng)度和形狀的激波對受熱面除灰。
20世紀(jì)90年代初期我國開始使用激波吹灰技術(shù),而從前蘇聯(lián)進(jìn)口的鍋爐產(chǎn)品中就有這種自帶的激波吹灰器。目前,國內(nèi)開發(fā)和研制激波吹灰技術(shù)的單位有中科院力學(xué)所和北京力通公司。中科院力學(xué)所的產(chǎn)品針對的是回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器,利用可燃?xì)怏w爆炸后產(chǎn)生的脈沖作為除灰手段。北京力通公司的產(chǎn)品主要用于管式爐、大中小型鍋爐的對流室、尾部受熱面及回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器的除灰去垢,其除灰去垢的手段就是利用可燃?xì)怏w爆轟所產(chǎn)生的爆炸激波。氣體的爆燃和爆轟所形成的能量級和壓力峰值不同,因而除灰效果有明顯差異。應(yīng)用該技術(shù)不僅對燃油管式加熱爐、燃油爐和燃煤爐吹灰效果明顯,而且對其他設(shè)備和容器除垢效果也相當(dāng)不錯(cuò)。經(jīng)過幾年的應(yīng)用,該技術(shù)已更加完善,經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。
北京翔奧時(shí)達(dá)科技有限公司的超聲波燃燒系統(tǒng)技術(shù)給緩解目前的燃料油緊張狀況帶來了曙光。該公司研制成功的系列超聲波燃油燃燒器在超聲助燃方面取得重大突破。該技術(shù)可使油滴呈液霧狀態(tài),平均粒徑比現(xiàn)有燃燒器的霧化粒徑大大降低,重質(zhì)油的平均霧化粒徑小于20 μm,輕質(zhì)油的平均霧化粒徑小于5 μm。同時(shí)霧化效果基本不受燃油黏度大小的影響,而且重油、渣油、煤焦油等重質(zhì)油均可在50~70℃狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)直接點(diǎn)火。
超聲波燃燒系統(tǒng)技術(shù)在高效利用燃油的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低污染排放。以輕質(zhì)油和重質(zhì)油做燃料為例,常規(guī)工況下的節(jié)油率分別達(dá)到8%~10%和10%~15%,同時(shí)大大降低CO、NOx等污染物的排放,重質(zhì)油燃燒能夠達(dá)到輕質(zhì)油燃燒的國家最新排放標(biāo)準(zhǔn),升溫時(shí)間大為縮短。
加熱爐是石油化工龍頭裝置的關(guān)鍵設(shè)備,而加熱爐的關(guān)鍵部位為輻射室,其70%以上能量在輻射室里傳遞。熱能傳遞的三種基本方式為傳導(dǎo)、對流和輻射。當(dāng)加熱爐爐膛內(nèi)燃燒溫度超過300℃時(shí),熱能傳遞的主要形式為熱輻射,約占熱能傳遞的90%以上。
為了阻止熱能向爐體外傳播,爐殼體均采用耐火隔熱的內(nèi)襯材料,其黑度系數(shù)一般為0.5~0.8,對紅外線的吸收、反射和輻射能力都比較弱。在加熱爐輻射室內(nèi),爐管一方面要接受燃料燃燒的直接輻射熱,另一方面也要接受爐襯反射的輻射熱,由爐襯傳遞給爐管的輻射熱占總供熱的60%左右。由此可見,增強(qiáng)爐內(nèi)襯對爐管的有效輻射,提高爐管對輻射熱的吸收能力,可有效提高加熱爐的熱效率,達(dá)到降低燃料消耗的目的。
ATT陶瓷涂層技術(shù)在國內(nèi)外石油化工、機(jī)械和冶金等行業(yè)的應(yīng)用已有十余年,在節(jié)能、減排、延長設(shè)備使用壽命等方面,為企業(yè)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效果。
ATT公司的陶瓷噴涂技術(shù)具有以下特點(diǎn):
針對煉油、化工、發(fā)電 (燃?xì)?、燃油電廠)和冶金行業(yè)加熱爐輻射段爐管的特點(diǎn),引進(jìn)國外先進(jìn)成熟的陶瓷噴涂技術(shù),并開發(fā)了特殊陶瓷涂層技術(shù),可使得加熱爐管的熱吸收能力達(dá)到最大化。
針對提高耐火襯層隔熱效果和熱反射能力開發(fā)的特殊陶瓷涂層,可使得耐火襯層表面的熱發(fā)射率達(dá)到最大化,從而增加熱量的二次輻射,提高加熱爐輻射段的熱負(fù)荷。
具體特點(diǎn)如下:
①大幅度地降低了加熱爐的能耗;
②提高了加熱爐的熱負(fù)荷和爐管在輻射段的熱通量,從而提高了加熱爐的處理能力;
③改善了加熱爐爐膛內(nèi)部溫度的均勻性,使得加熱爐內(nèi)溫度均勻性、穩(wěn)定性提高50%;
④降低了加熱爐爐膛內(nèi)的溫度和加熱爐爐管表面的溫度,提高加熱爐爐管的冶金穩(wěn)定性,延遲爐管結(jié)焦,延長其使用壽命;
⑤消除了加熱爐爐管的局部過熱點(diǎn),使溫度分布更均勻;
⑥降低了燃料消耗,減少了加熱爐污染物的產(chǎn)生,達(dá)到了污染物減排的效果;
⑦增強(qiáng)了耐火爐襯的保溫隔熱特性,提高了耐火爐襯表面的熱反射率并延長了其使用壽命,加熱爐外壁溫度降低5%以上;
⑧提高加熱爐升溫速度30%~50%。
節(jié)能原理:
高溫輻射能量波長大多數(shù)集中在1~5 μm波段,比如1000℃和1300℃時(shí),分別有76%和85%的輻射能量集中在這一波段內(nèi),一般的耐火材料在這一波段的發(fā)射率很低,而ATT陶瓷涂層節(jié)能涂料在1~15 μm波譜范圍內(nèi)都具有很高的發(fā)射率。
常溫下耐火材料的發(fā)射率一般為0.6~0.8,隨著爐溫的升高,發(fā)射率會(huì)大幅度下降,高溫下發(fā)射率只有0.4~0.5,而ATT陶瓷涂層節(jié)能涂料的發(fā)射率一直保持在0.9以上。
根據(jù)基爾霍夫定律,材料的吸收率與發(fā)射率相等。當(dāng)物體表面的發(fā)射率提高后,它的吸收熱量的能力也相應(yīng)提高。由于在高溫條件下,熱量傳遞以輻射為主,當(dāng)被加熱物體表面噴涂ATT陶瓷涂層后,極大提高了被加熱體吸收和發(fā)射熱量的能力,在同樣的加熱條件下,由于傳熱能力的提高,必將大大提高熱能的利用效率,從而達(dá)到節(jié)能的目的。
熱輻射投入到固體表面后,在一個(gè)極短的距離內(nèi)就被吸收完,對金屬導(dǎo)體這一距離只有1 μm的數(shù)量級,因此可以使得熱輻射在固體表面上只發(fā)生反射、吸收,而不發(fā)生穿透。熱量反射與吸收的比例和為1,即固體吸收能力越大,反射能力就越小。
固體的發(fā)射率是指實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值,習(xí)慣上也稱為黑度。物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況,即只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān),而不涉及外界條件。
在熱輻射分析中,把光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱為灰體。工業(yè)上通常遇到的熱輻射,其主要波長區(qū)段位于紅外線范圍內(nèi),在此范圍內(nèi)把大多數(shù)工程材料當(dāng)作灰體處理引起的誤差還是可以允許的。對于灰體,其吸收比為一常數(shù)。對于輻射表面具有漫射特性的灰體,無論投入輻射是否來自黑體,或是否處于熱平衡狀態(tài),其吸收比恒等于同溫度下的發(fā)射率 (黑度)。發(fā)射率與吸收比都是溫度的函數(shù),發(fā)射率基本上與輻射物體的溫度的四次方成正比。
該陶瓷涂層技術(shù)的特點(diǎn)是能量的吸收與反射率達(dá)到了最大化,即通過噴涂陶瓷材料涂層改變了輻射受熱面表面的狀況。假設(shè)該陶瓷材料表面為一漫射特性的灰體表面,則該技術(shù)提高了耐火襯層表面的發(fā)射率,即增加了耐火襯層向爐膛輻射的熱量,從而增加了二次輻射強(qiáng)度。在工藝管表面上,發(fā)射率的增加也意味著吸收比的增加,即在同溫度下提高了受熱面的熱量吸收。
應(yīng)用方法:
ATT陶瓷涂層主要分兩類,一類噴涂在耐火襯里的表面,一類噴涂在爐管的表面。
襯里表面噴涂:噴涂前,需對耐火襯里材料表面進(jìn)行修補(bǔ)、清灰處理。處理完畢后,在襯里表面噴涂加熱爐防火內(nèi)襯反射陶瓷涂層0.2 mm左右,晾干期為24 h。
爐管表面噴涂:爐管在噴涂前須進(jìn)行噴砂、除銹。先用石英砂以0.7~0.8 MPa的壓縮空氣壓力將爐管表面的氧化物、燃料燃燒后形成的垢等除掉,使?fàn)t管露出金屬表面。之后在爐管表面噴涂爐管輻射陶瓷涂層0.1 mm左右,晾干期為24 h。固化步驟為以10~30℃/h升溫速度升溫到300℃,保溫3 h,然后即可正常升溫。
應(yīng)用案例:
中國石油大港石化公司第四聯(lián)合車間四合一重整爐和第一聯(lián)合車間常減壓爐在2011年3月檢修期間對襯里和爐管進(jìn)行了ATT陶瓷涂層施工。加熱爐穩(wěn)定運(yùn)行1個(gè)月后,取得的效果如下。
——燃料消耗量下降
施工前后對比爐膛溫度均有明顯下降。
①常壓爐由750℃下降到714℃,下降36℃;
②減壓爐由710℃下降到699℃,下降11℃;
③四合一重整爐由708℃下降到688℃,下降20℃。
——排煙溫度下降
常減壓爐、四合一重整爐噴涂前后排煙溫度對比如表1所示。
表1 常減壓爐、四合一重整爐噴涂前后排煙溫度對比
——燃料消耗量下降
常減壓爐、四合一重整爐噴涂前后能耗對比如圖1所示。由圖1可以看出:
圖1 常減壓爐、四合一重整爐噴涂前后能耗對比
①常壓爐燃料氣消耗量由2874 m3/h下降到2729 m3/h,下降了140 m3/h,下降比例為4.87%;
②減壓爐燃料氣消耗量由2650 m3/h下降到2508 m3/h,下降了142 m3/h,下降比例為5.3%;
③四合一重整爐燃料氣消耗量由2427 m3/h下降到 2342 m3/h,下降了 85 m3/h,下降比例為3.5%。
——爐外壁溫度下降
陶瓷涂層施工前后的形貌如圖2~圖4所示。
圖2 四合一重整爐噴砂前
圖3 四合一重整爐噴砂后
圖4 四合一重整爐噴涂后
ATT陶瓷涂層技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)例證明,它可以最大化地提高煉油廠、冶金廠和化工廠加熱爐管道的吸收負(fù)荷能力和耐火爐襯表面的發(fā)射率。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用,使用戶可以最大化地降低加熱爐的能耗,提高加熱爐生產(chǎn)區(qū)域或輻射區(qū)域的生產(chǎn)能力,使得產(chǎn)量更高、輻射段能力更強(qiáng),并且提高運(yùn)行溫度的均勻性,減少加熱爐污染物的產(chǎn)生,達(dá)到節(jié)能減排的目的,同時(shí)還提高了加熱爐工藝管的冶金穩(wěn)定性,延長了其使用壽命。
陜西海浪公司下屬的寶雞市海浪鍋爐設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)了一種全新的鍋爐裝置。經(jīng)國家環(huán)境檢測中心測定,這種鍋爐的燃燒效率高達(dá)88.4%,污染排放物二氧化硫僅為國家標(biāo)準(zhǔn)的1/150,運(yùn)行成本只有油、氣、電鍋爐的1/10,屬于世界首創(chuàng)。
這種低能耗、高熱效、無環(huán)境污染的高科技鍋爐,設(shè)計(jì)獨(dú)特。它打破了傳統(tǒng)鍋爐的結(jié)構(gòu)形式,將分室加渦流旋風(fēng)燃燒技術(shù)、高能裂變換熱技術(shù)、熱泵梯級回收余熱技術(shù)融合在一起,將 “煙”、 “塵”在爐內(nèi)全部燒盡,不冒煙,不揚(yáng)灰。在鍋爐機(jī)組排渣口,煤炭燃燒后只剩下白色粉末。據(jù)介紹,冬季用該爐采暖,每平方米的費(fèi)用僅需3~5元,耗煤量不到一般鍋爐的1/3。如果將這項(xiàng)創(chuàng)新成果全面推廣,將可使我國的主能源——煤炭整體節(jié)省1/3。
這種高能裂變?nèi)济哄仩t是陜西海浪公司多年研發(fā)的成果。該鍋爐采用高能熱管傳熱技術(shù),將分室加渦流旋風(fēng)燃燒和高能熱管傳熱等技術(shù)以全新思路融入鍋爐設(shè)計(jì),可將煤炭中的焦油和炭黑全部燒盡。同時(shí)在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了煙道余熱回收和熱泵回收熱能梯級綜合利用新技術(shù),鍋爐房無煙囪,燒煙煤不冒煙,不散發(fā)灰塵,達(dá)到了自行消煙、除塵和脫硫的效果。
目前我國許多地區(qū)仍在使用燃煤鍋爐,不僅污染環(huán)境,而且資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。而這項(xiàng)新技術(shù)可使煤炭能源得到節(jié)約,而污染物排放僅為目前燃煤鍋爐國家標(biāo)準(zhǔn)的1/150。
由中國科學(xué)院(蘭州)近代物理研究所、西北設(shè)計(jì)院及蘭州高新技術(shù)開發(fā)總公司等單位研制成功的鍋爐電子除垢儀于2008年5月通過省級鑒定,并獲得了國家發(fā)明專利證書。據(jù)了解,甘肅酒鋼集團(tuán)公司在2007年冬季安裝了電子除垢儀后,至今不僅鍋爐沒有再結(jié)垢,還節(jié)約了約100 t燃煤和大量水。目前該產(chǎn)品已在冶金、化工等企業(yè)得到應(yīng)用。
2010年2月,吉林石化公司化肥廠針對裝置生產(chǎn)運(yùn)行中存在的問題對癥下藥,采用新型N1700型除氧劑獲得成功,不但使鍋爐給水中溶解氧指標(biāo)達(dá)標(biāo)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,而且每年可節(jié)水創(chuàng)效1523萬元。這個(gè)廠合成氨裝置原設(shè)計(jì)外送外廠鍋爐給水,但由于合成氨裝置鍋爐給水除氧器為單級除氧,鍋爐給水中溶解氧指標(biāo)達(dá)不到外廠高壓鍋爐要求的7 μg/L,外廠一直無法接收,導(dǎo)致合成氨裝置內(nèi)部能量平衡困難。為維持能量平衡,不得不排放大量鍋爐給水,造成較大的能源浪費(fèi)。經(jīng)分析,其原因是原有除氧劑不耐高溫和除氧效率低。為此,工廠尋找一種能耐高溫、除氧率高的除氧劑來解決這一問題,最終選定了N1700型除氧劑進(jìn)行試驗(yàn)。該除氧劑是一種高效除氧劑,能有效脫除鍋爐給水中溶解氧,使鍋爐系統(tǒng)免受溶解氧腐蝕,同時(shí)提供優(yōu)異的金屬鈍化保護(hù)功能,最大限度降低鍋爐系統(tǒng)的腐蝕。在測試中,采取了持續(xù)加藥、穩(wěn)定工藝操作、控制加藥量、連續(xù)標(biāo)定144 h等措施,共測定溶解氧次數(shù)20次,合格率達(dá)100%。
實(shí)踐證明,鍋爐給水添加新型除氧劑N1700后,深度除氧效果非常好,外送鍋爐給水溶解氧穩(wěn)定,達(dá)到≤7 μg/L指標(biāo),連續(xù)標(biāo)定合格率100%,實(shí)現(xiàn)了合成氨裝置鍋爐給水外送,達(dá)到了節(jié)能減排的目的。
冀中能源金牛玻纖公司投資3000萬元的純氧燃燒項(xiàng)目已動(dòng)工建設(shè)。純氧燃燒項(xiàng)目作為河北省重點(diǎn)節(jié)能項(xiàng)目,是玻纖公司2009年穩(wěn)產(chǎn)提效和節(jié)能降耗的關(guān)鍵項(xiàng)目,建成后將大幅減少天然氣消耗量和廢氣排放量,有效提高能源利用率。
目前,金牛玻纖池窯中的玻璃材料主要靠天然氣燃燒熔化,而天然氣的燃燒依靠空氣中氧的助燃。但空氣中3/4以上的氮?dú)獠⒉黄鹬甲饔?,反而?huì)導(dǎo)致天然氣因氧氣不足變成燃燒廢氣排出。這既影響了能源的利用率,也為后期廢氣處理增加了很大的負(fù)擔(dān)。
玻纖公司經(jīng)過考察研究,最終確定采用純氧燃燒取代現(xiàn)有燃燒方式,在窯爐內(nèi)增加一條氧氣管道。天然氣在純氧參與的條件下燃燒,不但可使天然氣得以充分燃燒,而且也能達(dá)到同樣的燃燒溫度。據(jù)測算,純氧助燃比空氣助燃節(jié)省燃料50%以上,節(jié)省用電101萬kW·h/a,能源利用率顯著提高。同時(shí),還大大減輕了廢氣污染。此外,原絲總產(chǎn)量也將由4.5萬t/a提高到5.5萬t/a。
廊坊市晉盛節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司2011年9月研發(fā)成功可將燃油燃?xì)忮仩t排煙溫度降低到90℃、提高鍋爐效率5%左右的熱管式余熱回收器,并在石油化工企業(yè)推廣應(yīng)用。
據(jù)介紹,鍋爐排煙溫度直接影響鍋爐機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和尾部受熱面工作的安全性。選擇較低的排煙溫度可以降低鍋爐的排煙損失,有利于提高鍋爐熱效率、節(jié)約能源和降低鍋爐運(yùn)行費(fèi)用。但排煙溫度降低卻使尾部受熱面上煙氣與工質(zhì)的傳熱溫差減小,從而使傳熱面增大,亦即使金屬消耗和設(shè)備初投資增大。另外排煙溫度過低還會(huì)引起煙氣中硫酸蒸汽的凝結(jié),使低溫受熱面腐蝕堵灰。所以多數(shù)鍋爐的排煙溫度在200℃左右。采用熱管式余熱回收器可以綜合性地解決上述這些問題。
石油化工企業(yè)鍋爐煙氣中的中低溫余熱回收一直是困擾企業(yè)的一大難題。2012年2月上旬,由廊坊市晉盛節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)和專業(yè)廠家共同開發(fā)的分控相變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了中低溫?zé)崮艿挠行Щ厥?。試?yàn)結(jié)果表明,該技術(shù)可將煙氣排煙溫度穩(wěn)定降低至85~105℃,提高鍋爐熱效率2%~5%。
據(jù)介紹,燃煤鍋爐所排放的煙氣中含有硫等酸性物質(zhì),在低溫區(qū) (煙氣出口段)煙氣溫度可能會(huì)低于酸性物質(zhì)的露點(diǎn),酸性物質(zhì)會(huì)結(jié)露在換熱器的管壁上,腐蝕換熱器管殼,造成換熱器的運(yùn)行可靠性和使用壽命降低,從而增加鍋爐運(yùn)行成本。
分控相變換技術(shù)的工作原理就是在保證換熱器換熱面最低壁溫高于煙氣酸露點(diǎn)的前提下,減小壁溫與排煙溫度的溫差,從而盡可能地降低排煙溫度,提高余熱利用的效率。該技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)在于可設(shè)定金屬受熱面壁溫,使之可調(diào)可控。如壁溫設(shè)定為高于露點(diǎn)5~15℃,就可避免結(jié)露腐蝕和堵灰。某化工企業(yè)的10 t燃煤鍋爐應(yīng)用該技術(shù)后,排煙溫度由128℃降至113℃,回收熱用于加熱空氣預(yù)熱器的進(jìn)口空氣,可使其從環(huán)境溫度升高20~50℃,減少鍋爐燃煤消耗,提高鍋爐熱效率2%以上。
據(jù)了解,排煙損失是鍋爐各項(xiàng)損失中最大的一項(xiàng),一般占鍋爐熱損失的60%~70%。排煙損失的主要影響因素是排煙溫度,一般情況下,排煙溫度增加10℃,排煙熱損失增加0.6%~1%,相應(yīng)多耗煤1.2%~2.4%。
Overview of Energy Saving Technology for Heating Furnace and Industrial Boiler
Qian Bozhang
With examples,introduces several typical energy-saving technologies to improve efficiencies of heating furnace,cracking furnace and boiler,including setting up energy saving air preheater,dew point corrosion control,strengthening heat transfer of radiant tube,adopting high-efficiency burner and soot blowing technology.
Heating furnace;Cracking furnace;Boiler;Thermal efficiency;Air preheater;Energy saving
TQ 054
2013-02-22)
*錢伯章,男,1939年生,教授級高級工程師。上海市,200127。