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        影響蠟油加氫加熱爐熱效率的因素分析及節(jié)能措施

        2013-09-13 07:58:30王海峰韓永青周彩榮
        關(guān)鍵詞:蠟油爐管結(jié)焦

        王海峰,李 明,韓永青,周彩榮

        (1.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院,河南鄭州450001;2.中石化洛陽分公司,河南洛陽471000)

        0 引言

        蠟油加氫加熱爐的熱效率是衡量加熱爐工作能力優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo),它關(guān)系著石油化工裝置能耗的高低.目前加熱爐熱效率在90%左右,進(jìn)一步提高管式加熱爐熱效率,節(jié)約能耗和長(zhǎng)期較高水平運(yùn)行是當(dāng)前亟待解決的問題之一[1-4].

        洛陽石化蠟油加氫處理裝置設(shè)計(jì)處理量220×104t/a,反應(yīng)加熱爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為125 000 kW,爐型為輻射對(duì)流型雙室單排雙面輻射臥管立式加熱爐.介質(zhì)分四路從對(duì)流段上部進(jìn)爐,經(jīng)對(duì)流段加熱后進(jìn)入輻射室,從輻射室下部出爐.輻射段爐管表面迎火面設(shè)有管壁熱電偶,以檢測(cè)爐管壁溫的變化.對(duì)流室采用高頻焊翅片管以增強(qiáng)傳熱效果.加熱爐設(shè)計(jì)負(fù)荷下的總體計(jì)算熱效率為90.5%,保證熱效率89%.

        筆者以洛陽石化加氫處理裝置加熱爐現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)影響加熱爐熱效率的因素進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的節(jié)能措施,給車間節(jié)能降耗生產(chǎn)提供參考.

        1 熱效率的計(jì)算原理

        一般采用反平衡法計(jì)算加熱爐的熱效率[5],計(jì)算公式如下:

        式中:η為熱效率;q1,q2,q3分別為排煙熱損失,不完全燃燒熱損失,表面散熱損失;α為過??諝庀禂?shù),對(duì)濕煙氣(氧化鋯在線分析)其值用公式(4)計(jì)算;tg為排煙溫度,℃;Δta為溫差,當(dāng)燃燒空氣利用爐子自身煙氣預(yù)熱空氣時(shí),Δta=0;wO2為排煙中氧含量百分?jǐn)?shù),如為5%,則式(4)代入數(shù)字5;wco為排煙中一氧化碳含量,mg/L.

        通常情況下,排煙熱損失占加熱爐總熱損失的60% ~65%,加熱爐表面散熱損失q3約占3%.

        2 影響加熱爐熱效率的因素分析

        圖1是蠟油加氫加熱爐熱效率現(xiàn)狀圖,通過對(duì)2011年12月份至2012年5月份車間加熱爐(F5101)的熱效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并與分公司平均熱效率進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,蠟油加氫加熱爐的熱效率在92.5%左右,其它裝置加熱爐的熱效率在91.3%左右,蠟油加氫反應(yīng)加熱爐的熱效率處于較好的水平,但其熱效率呈現(xiàn)總體下降水平.影響加熱爐熱效率的因素很多,而過??諝庀禂?shù),排煙溫度,燃料燃燒狀況,爐體保溫狀況等是影響熱效率的主要因素,下面就這幾個(gè)方面進(jìn)行分析討論.

        圖1 加熱爐熱效率現(xiàn)狀圖Fig.1 The status chart on the thermal efficiency of furnace

        2.1 過??諝庀禂?shù)對(duì)加熱爐熱效率的影響

        實(shí)際進(jìn)入爐膛的空氣量與理論空氣量之比稱為過剩空氣系數(shù).過??諝庀禂?shù)表示了入爐的實(shí)際空氣量,其值愈大,說明入爐的實(shí)際空氣量就愈大,可使燃料燃燒完全.但過??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,所以控制適量的過剩空氣系數(shù),對(duì)加熱爐的熱效率至關(guān)重要[6].

        加熱爐熱效率與過剩空氣系數(shù)的關(guān)系見圖2.由圖2可以看出,隨著加熱爐過剩空氣系數(shù)的增大,加熱爐的熱效率呈降低趨勢(shì).據(jù)圖2數(shù)據(jù)進(jìn)行估算,氧含量每升高1%,過??諝庀禂?shù)增加約6.3% ,而熱效率降低約0.4%.因此,為了提高加熱爐的熱效率,達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo),就需要控制氧含量和過??諝庀禂?shù).在操作中,一般控制加熱爐的過??諝庀禂?shù)在1.1~1.25之間,氧含量在2.0~4.0之間.

        2.2 CO含量對(duì)加熱爐熱效率的影響

        在加熱爐中,當(dāng)存在有化學(xué)不完全燃燒反應(yīng)時(shí),煙氣中就會(huì)產(chǎn)生可燃?xì)怏w,這些可燃?xì)怏w的主要成分是CO和H2,還可能有少量的CH4.生產(chǎn)過程中,車間常用CO含量來評(píng)定不完全燃燒的狀態(tài).圖3為加熱爐熱效率與CO含量的關(guān)系.由圖3可以看出,隨著加熱爐中CO含量升高,加熱爐的熱效率呈現(xiàn)降低趨勢(shì).因此,降低加熱爐中CO的含量,可提高加熱爐的熱效率.據(jù)圖3數(shù)據(jù)進(jìn)行估算,CO含量每升高100 mg/L,其熱效率降低約0.05%.因此,在生產(chǎn)操作中,加熱爐的CO含量需要控制在100 mg/L以下,以保證燃料充分燃燒.

        2.3 排煙溫度對(duì)加熱爐熱效率的影響

        在管式爐的熱損失中排煙損失占有極大的比例.當(dāng)爐子的熱效率較高(例如為90%)時(shí),排煙損失占總損失的60% ~65%;當(dāng)爐子的熱效率較低(例如70%)時(shí),排煙損失占總損失的比例高達(dá)90%以上.圖4是加熱爐熱效率與排煙溫度的關(guān)系.

        由圖4可以看出,隨著加熱爐排煙溫度升高,加熱爐的熱效率呈降低趨勢(shì).據(jù)圖4進(jìn)行估算,排煙溫度每升高5℃,熱效率降低約0.25%.因此,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.綜合以上考慮,在生產(chǎn)操作過程中加熱爐的排煙溫度一般控制在125~135℃為宜.

        圖4 加熱爐排煙溫度對(duì)熱爐熱效率的影響Fig.4 The influence of flue gas temperature on the thermal efficiency of furnace

        2.4 其它因素對(duì)加熱爐熱效率的影響

        2.4.1 爐管結(jié)焦

        結(jié)焦是爐管內(nèi)的油品溫度超過一定界限后發(fā)生熱裂解,變成游離炭,堆積到爐管上的現(xiàn)象.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[7].

        2.4.2 表面散熱損失

        正常生產(chǎn)過程中,由于加熱爐溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度,有一部分熱量以輻射傳熱方式散發(fā)出去,造成熱效率降低3%左右.如果保溫棉損壞,爐管外露,或者設(shè)備損壞密封不嚴(yán),這部分損失將更大[8].

        3 提高熱效率的措施

        針對(duì)以上分析,可從以下幾個(gè)方面提高加熱爐的熱效率.

        (1)在保持完全燃燒的情況下,降低過??諝庀禂?shù),將三門一板調(diào)節(jié)恰當(dāng).

        (2)合理控制一氧化碳含量,盡可能使燃料氣完全燃燒.燃料不完全燃燒,除了降低熱效率外,還會(huì)造成大氣污染,所以應(yīng)該盡量減少不完全燃燒,減少一氧化碳的排放量.

        (3)從熱效率和露點(diǎn)腐蝕兩方面綜合考慮,排煙溫度不應(yīng)太高,空氣預(yù)熱器采用耐腐蝕材料,燃料氣應(yīng)控制硫含量.

        (4)加強(qiáng)設(shè)備管理,定時(shí)巡檢,勿使?fàn)t壁耐火層有裂縫,塌陷等.盡量減少彎頭箱及人孔,及時(shí)更換、修復(fù)損壞的設(shè)備和附件,裝置的外露部分要加強(qiáng)保溫,減少散熱損失.

        (5)防止?fàn)t管結(jié)焦.利用裝置檢修對(duì)加熱爐進(jìn)行爐管材料升級(jí),對(duì)流段的爐管進(jìn)行清洗,輻射室大檢修時(shí)燒焦和洗鹽垢等.裝置檢修改造后加熱爐效率有明顯提高.對(duì)流室加強(qiáng)吹灰,自動(dòng)吹灰,提高熱效率.

        (6)加強(qiáng)精細(xì)管理,例如現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)調(diào)整風(fēng)門,定期清理火嘴,定期對(duì)燃料氣管線氣密等.

        (7)在加熱爐現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,如前階段鼓風(fēng)機(jī),引風(fēng)機(jī)下裝變頻器,對(duì)于加熱爐操作,熱效率提高都有很大改觀[9].

        4 結(jié)論

        (1)根據(jù)生產(chǎn)中獲得實(shí)際數(shù)據(jù),對(duì)影響石化蠟油加氫加熱爐的熱效率的因素進(jìn)行了分析,在正常生產(chǎn)過程中,加熱爐熱效率主要受過??諝庀禂?shù),排煙溫度,一氧化碳等因素影響.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℃,熱效率降低約0.25%.

        (2)為了提高加熱爐效率和達(dá)到節(jié)能減耗的目的,實(shí)際生產(chǎn)操作中,控制氧含量在2% ~4%,在此基礎(chǔ)上盡可能降低一氧化碳含量,排煙溫度控制在125~135℃為宜.

        (3)現(xiàn)場(chǎng)巡檢做到位,保證爐墻耐火材料完好和爐體的嚴(yán)密性,盡量降低散熱損失.

        [1]趙錕,任耀杰.影響裂解爐熱效率的原因分析與對(duì)策[J].乙烯工業(yè),2010,22(2):46-51.

        [2]姚春峰.1.5 Mt/a加熱裂化裝置節(jié)能降耗措施與成效[J].中外能源,2012,17(4):97-102.

        [3]何文峰,沈永淼.節(jié)能設(shè)備在加氫裝置上的應(yīng)用[J].中外能源,2012,17(2):93-95.

        [4]李學(xué)華,王志勇,王國旗,等.220萬t/a蠟油加氫裂化裝置工程設(shè)計(jì)和標(biāo)定[J].當(dāng)代化工,2012,41(10):1124-1127.

        [5]侯芙生.煉油工程師手冊(cè)[M].北京,石油工業(yè)出版社,1994,506-507.

        [6]孫英才.改造加熱爐系統(tǒng),提高加熱爐熱效率[J].石油化工裝備技術(shù),1998,19(6):21-23.

        [7]鄧茂廣.茂名加氫裂化裝置用能分析及節(jié)能途徑[J].中外能源,2008,13(9):110-115.

        [8]章許云.管式加熱爐爐管結(jié)焦分析[J].石油和化工設(shè)備,2010,31(5):51-53.

        [9]呂運(yùn)容,陳文紅.提高加熱爐熱效率的有效途徑[J].中國設(shè)備工程.2008(7):22-23.

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