李　　強(qiáng)，朱定華，周玉青，錢　亮

（1.南京工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京210009；2.上海寶鋼化工有限公司梅山分公司，江蘇南京210039；3.南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇南京210048）

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焦油管式爐余熱利用實(shí)踐

李強(qiáng)1，2，朱定華1，周玉青2，3，錢亮1

（1.南京工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京210009；2.上海寶鋼化工有限公司梅山分公司，江蘇南京210039；3.南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇南京210048）

通過在焦油裝置管式爐對流段增加一段焦油管，對燃燒器進(jìn)行改造，利用高溫?zé)煔庥酂犷A(yù)熱助燃空氣，降低了煙氣排放溫度；在管式爐煤氣燃燒器對流段增加11根爐管提高了管式爐的熱效率，煤氣耗量明顯降低，由改造前的883 m3/h降到729 m3/h，降低了裝置的能源消耗。廢氣排放溫度從原先的364℃下降到204℃，明顯減小了廢氣帶走的熱量。煤氣燃燒完全，廢氣含氧量從原先的高于10%下降至4.8%，管式爐熱效率明顯升高，由原先的76.4%升高到85.0%。

管式爐；燃燒器；余熱利用

隨著社會的發(fā)展，可利用的能源越來越少，節(jié)約能源消耗已是亟待解決的問題。加熱爐是耗能大戶，在我國用能量約占全國總用能量的19%。加熱爐大部分為火焰爐，各種火焰爐都是通過燃料燃燒，將其化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄頋M足各種加熱工藝要求的［1］。但是，燃燒生成的煙氣排出爐外時，帶走供入熱量35% ～68.%的熱量，極大地降低了爐子的熱利用效率。所以充分、有效地回收利用煙氣余熱是可以大幅度降低爐子用能的重要途徑［2］。

隨著社會對環(huán)境保護(hù)的重視，對排入大氣的煙氣要求越來越嚴(yán)格。加熱爐在燃燒過程中產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，排至大氣而形成熱損失，而其中的煙塵、CO和NOx等有害氣體也隨煙氣排入大氣，造成環(huán)境污染［3-7］。結(jié)果是既浪費(fèi)了資源又危害了人類自己。提高加熱爐效率、降低環(huán)境污染，已經(jīng)成為加熱爐用戶要解決的重要問題［8-10］。

某焦化廠焦油作業(yè)區(qū)有兩套焦油加工裝置，年處理焦油27萬t，1#焦油裝置于2000年大修改造，2#焦油裝置于2002年建成投產(chǎn)。裝置的運(yùn)行過程中需消耗蒸汽、煤氣、電、水等動力與能源，其中管式爐消耗的煤氣是裝置能耗的大戶，煤氣消耗成本占裝置能耗總成本的約40%。為降低裝置運(yùn)行的生產(chǎn)成本，降低能源消耗，合理利用資源，對1#焦油裝置的管式爐采用本文介紹的一種焦油蒸餾過程中加熱爐余熱利用的工藝方法增加了一套余熱利用系統(tǒng)，進(jìn)行了技術(shù)改造。

工藝流程如圖1所示。

圖1　工藝流程圖

1　工藝概述

該廠焦油蒸餾采用一塔式常壓切取窄餾分的工藝。經(jīng)過最終脫水的無水焦油由二段焦油泵經(jīng)無水焦油換熱器進(jìn)入管式爐加熱，焦油出爐溫度達(dá)390～405℃，而后進(jìn)入二次蒸發(fā)器，在二次蒸發(fā)器內(nèi)焦油閃蒸，分離成瀝青和混合氣，塔底中溫瀝青經(jīng)熱聚合制得改質(zhì)瀝青，也可與蒽油配制得燃料油。塔頂混合氣進(jìn)入餾分塔分離出輕油、酚油、萘油、洗油、一蒽油。焦油出爐溫度根據(jù)原料性質(zhì)，處理量，產(chǎn)品變化及二段焦油泵壓力等因素而定。管式爐加熱用煤氣作為燃料，煤氣流量根據(jù)焦油出管式爐溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。焦油管式爐為立管圓筒型加熱爐，設(shè)計(jì)有效熱負(fù)荷為14.63×106kJ/h，輻射-對流式加熱方式，油料先通過對流段然后到輻射段，其中1#焦油裝置的管式爐用焦?fàn)t煤氣作燃料，2#焦油裝置的管式爐用高爐煤氣作燃料。

2　改造方案

2.1原系統(tǒng)分析

2.1.1廢氣溫度高，熱損失大

1#焦油裝置的管式爐加熱用燃料為焦?fàn)t煤氣，助燃空氣依靠爐膛負(fù)壓自然吸入，廢氣經(jīng)過對流段后直接經(jīng)煙囪排放大氣，正常狀態(tài)下，焦?fàn)t煤氣平均耗量約為900 m3/h，空氣系數(shù)為1.3，廢氣溫度在350℃以上。通過燃燒計(jì)算，廢氣排放量為5 836 m3/ h，廢氣熱損失為3 179 kJ/h，估算爐子熱效率為76.4%，因此有必要對廢氣余熱加以利用，提高管式爐的熱效率，節(jié)約焦?fàn)t煤氣耗量。

2.1.2管式爐燃燒器影響熱效率

管式爐共有6個燃燒器，圓周等距的安裝在爐子底部。燃燒時形成的火焰向上擴(kuò)散燃燒，空氣在爐膛負(fù)壓的作用下自然吸入?；鹧娴膭偠炔蛔?，在爐膛內(nèi)停留時間短，廢氣溫度高，造成管式爐的熱效率降低，煤氣耗用量上升。

2.2改造方案

2.2.1利用高溫廢氣預(yù)熱空氣

高溫?zé)煔庥酂崂孟到y(tǒng)工藝技術(shù)采用熱管空氣預(yù)熱器。將原管式爐煙囪用調(diào)節(jié)翻板隔開，翻板前引一根DN900的支管將煙氣引至熱管空氣預(yù)熱器，預(yù)熱空氣并降低排煙溫度后，經(jīng)煙氣引風(fēng)機(jī)引回原煙囪（翻板后）排放至大氣中。在空氣預(yù)熱器前增加一臺鼓風(fēng)機(jī)，將助燃空氣鼓入預(yù)熱器提高入爐溫度后，送至加熱爐的6個燃燒器。工藝流程簡圖見圖2。

圖2　煙氣余熱利用系統(tǒng)工藝簡圖

為了保證運(yùn)行的安全，在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)，用于控制煙氣余熱利用系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和蝶閥的運(yùn)行狀態(tài)，測試設(shè)備的熱工參數(shù)。如系統(tǒng)發(fā)生故障，則發(fā)出聲光報(bào)警，并輸出相應(yīng)的控制訊號，使系統(tǒng)可順利切換到自然通風(fēng)狀態(tài)，保護(hù)加熱爐的安全可靠運(yùn)行。當(dāng)引風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時，正常操作中處于常關(guān)狀態(tài)的煙囪管道上的翻板閥打開，煙氣由煙囪排放至大氣，同時燃燒器前的自動快開風(fēng)門打開，保證燃燒器的正常工作，系統(tǒng)恢復(fù)到改造前的自然通風(fēng)狀態(tài)，確保生產(chǎn)正常進(jìn)行，預(yù)熱器進(jìn)出口煙道的兩個蝶閥關(guān)閉。引風(fēng)機(jī)修復(fù)后，各處的閥門均可按指令回復(fù)到先前狀態(tài)，整個系統(tǒng)進(jìn)入余熱利用的正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

2.2.2對流段增加一段焦油管

原先一段焦油泵出來的焦油進(jìn)入原料焦油換熱器與導(dǎo)熱油換熱后，直接進(jìn)入一次蒸發(fā)器。為了充分利用煙氣的余熱，將一段焦油泵出來的焦油與導(dǎo)熱油換熱后，先進(jìn)入管式爐對流段，利用爐子余熱對一段焦油進(jìn)一步加熱，而后再進(jìn)入一次蒸發(fā)器。這樣，既可以降低煙氣溫度，提高爐子熱效率，又可以提高一段焦油溫度，穩(wěn)定蒸餾系統(tǒng)生產(chǎn)。因此，在對流室內(nèi)新增兩排翅片管（共11根），具體改造方案如下：

（1）原對流室最上層螺旋翅片管上抬354 mm，并在其下面增加兩層共11根同樣的Φ102螺旋翅片管，增加換熱面積10.57 m2。

（2）對流室頂罩抬高300 mm，爐門框上梁抬高300 mm，側(cè)柱向上增加300 mm，對流室爐門及側(cè)板均向上增加300 mm。

（3）煙囪支架整體上抬354 mm，原煙道翻板改為電動蝶閥；煙囪翻板兩側(cè)各增加一個DN900煙氣進(jìn)出接口。

2.2.3管式爐燃燒器改造

改造后燃燒器采用華中科技大學(xué)新型高效節(jié)能型燃燒器，安裝在原位置上。煤氣噴嘴頂部呈圓臺狀，煤氣噴口開設(shè)在圓臺的側(cè)面，煤氣噴口由原先的16個改為12個（流通截面保持不變）?？諝庥勺匀煌L(fēng)改為強(qiáng)制通風(fēng)，在爐底中部制作安裝一圓柱形風(fēng)箱，將預(yù)熱器來的熱空氣通過這一中心風(fēng)箱放射性地分配到每只燃燒器的空氣噴管里，每只燃燒器均設(shè)有空氣翻板調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量的大小。

2.2.4管式爐爐膛改造

該管式爐爐膛采用高鋁輕質(zhì)耐火澆注料做為爐墻耐火層，使用兩年后出現(xiàn)不規(guī)則裂縫和局部出現(xiàn)大面積脫落的現(xiàn)狀，對爐膛進(jìn)行改造。采用高鋁耐火磚做爐膛耐火層。高鋁耐火磚的主要成分與高鋁澆注料基本相同，高鋁耐火磚施工較復(fù)雜，需將耐火磚按爐缸形狀擺放好一塊一塊豎縫交錯砌筑；同時由于磚和耐火砂漿是相互交錯砌成一個圓形體，當(dāng)爐膛內(nèi)部被各種火焰（見表1）燃燒時，被燃燒的部位就會局部膨脹，此時磚與磚之間的0.05～1 mm的磚縫就會隨著溫度變化伸縮。將膨脹產(chǎn)生的變形力化解，使?fàn)t膛保溫層在燃燒升溫變化大的情況下始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3　改造效果

3.1運(yùn)行參數(shù)

管式爐于2007年5月底改造完工，6月份正式投用，從運(yùn)轉(zhuǎn)半年的情況來看，節(jié)能效果明顯，廢氣排放溫度明顯降低，同等條件下焦?fàn)t煤氣用量明顯減小，管式爐熱效率得到提高。改造前后的相關(guān)參數(shù)對比見表2。

表1　爐膛內(nèi)各種火焰對比表

表2　管式爐改造前后相關(guān)參數(shù)對比表

3.2改造效果

管式爐改造后，從運(yùn)行半年的情況來看，系統(tǒng)運(yùn)行狀況穩(wěn)定，完全能滿足1#焦油裝置的正常運(yùn)行，并且節(jié)能效果明顯，達(dá)到了改造的目的。

（1）煤氣耗量明顯降低，由改造前的883 m3/h降到729 m3/h，降低了裝置的能源消耗。

（2）廢氣排放溫度從原先的364℃下降到204℃，明顯減小了廢氣帶走的熱量。煤氣燃燒完全，廢氣含氧量從原先的高于10%下降至4.8%，管式爐熱效率明顯升高，由原先的76.4%升高到85.0%。

（3）煤氣燒嘴形式改造后，燃燒狀況良好，火焰剛度增加，停留時間延長。

（4）對流段增加11根一段焦油管后，一段焦油溫度能穩(wěn)定維持在110℃左右，比改造前約提高了5.5℃，對焦油水分高時蒸餾系統(tǒng)的影響減小。

（5）管式爐燃燒穩(wěn)定，能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，出現(xiàn)故障時能順利切換到自然通風(fēng)狀態(tài)下運(yùn)行，能保證管式爐的安全。

3.3經(jīng)濟(jì)效益

管式爐改造前后的效益參數(shù)對比見表3。

通過管式爐的改造，煤氣耗用大幅下降，但因新增了一臺引風(fēng)機(jī)與一臺鼓風(fēng)機(jī)，相應(yīng)地增加了冷卻水與電能消耗。焦?fàn)t煤氣單價1.19元/m3，工業(yè)水的單價0.65元/m3，電的單價0.6元/kW·h，以該套裝置全年開工345天計(jì)算，改造后的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算如下：

表3　管式爐改造前后效益參數(shù)對比表

煤氣節(jié)約：（883-729）×24×345×1.19=151.74萬元

增加水耗：4×24×345×0.65=2.15萬元

增加電耗：（22+7.5）×0.85×24×345×0.6=12.46萬元

合計(jì)該套裝置全年的效益為151.74-2.15-12.46=137.13萬元

4　結(jié)語

1#焦油裝置管式爐經(jīng)過改造，管式爐的煙氣余熱得以回收利用，煤氣消耗量明顯降低，爐子熱效率提高，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。對流段增加11根一段焦油管，在降低廢氣溫度的同時，提高了一段焦油溫度，穩(wěn)定了生產(chǎn)。燃燒器的改造，同樣大大降低了煤氣的消耗量。另外，通過利用高溫?zé)煔庥酂犷A(yù)熱空氣，提高了空氣入爐溫度，降低了廢氣排放溫度，減少了廢氣的排放量，對保護(hù)環(huán)境大為有利。

［1］李彤，殷愛玲.改造煙氣余熱回收系統(tǒng)有效提高加熱爐熱效率［J］.甘肅科技，2005（7）：54-55.

［2］張向民.加氫裂化裝置加熱爐余熱回收實(shí)例 ［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2006（6）：29-31.

［3］焦化設(shè)計(jì)參考資料編寫組.焦化設(shè)計(jì)參考資料［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1980.

［4］錢家麟，于遵宏，王蘭田，等.管式加熱爐［M］.北京：烴加工出版社，1987.

［5］李書鎮(zhèn).磁化技術(shù)在煉油工業(yè)爐中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1988，9（5）：21-23.

［6］王久征.管式加熱爐的發(fā)展動向［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1985（l）：28-36.

［7］李文.圓筒形擾流管式空氣預(yù)熱器 ［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1986 （3）：28-31.

［8］陳德祥.陶瓷噴頭燃燒器［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1991，12（6）：40-41.

［9］熊振遠(yuǎn).新型板式空氣預(yù)熱器在石化工業(yè)爐上的應(yīng)用［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1994，15（4）：39-42.

［10］錢伯章.煉廠使用板式換熱器預(yù)熱燃燒空氣［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1989，10（4）：22-26.

Waste Heat Utilization Practices of Tar Tube Furnace

LI Qiang1，2，ZHU Dinghua1，ZHOU Yuqing2，3，QIAN Liang1
（1.Institute of Geotechnical Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China；2.Meishan Branch of Shanghai Baosteel Chemical Industry Co.，Ltd，Nanjing 210039，China；3.Nanjing Polytechnic Institute，Nanjing 210048，China）

A section of tar tube is added in the tar device tube furnace to modify the burne，the high temperature flue gas waste heat is used to preheat the combustion-supporting air，and the flue gas emission temperature is reduced.By increasing 11 furnace tubes in the tube furnace gas burner convection section，the thermal efficiency of tube furnace is improved，and the gas consumption is decreased obviously，by the transformation before 883 m3/h to 729 m3/h，the energy consumption of unit is reduced.The exhaust temperature decreases from 364℃ to 204℃.The gas combusts completely，the oxygen content of flue gas changes from above 10%to 4.8%，tube furnace thermal efficiency rises，which increases from the original 76.4%to 85.0%.

tube furnace；burner；waste heat utilization

TQ520

B

1001-6988（2016）02-0035-04

2015-12-02

李強(qiáng)（1974—），男，工學(xué)碩士，工程師，研究方向?yàn)閹r土工程.