王寧 馬方義 左甜 董健 晉西潤（中海油（青島）重質(zhì)油加工工程技術(shù)研究中心有限公司）

工業(yè)加熱爐中燃?xì)夤?jié)能器的應(yīng)用與評價

王寧 馬方義 左甜 董健 晉西潤（中海油（青島）重質(zhì)油加工工程技術(shù)研究中心有限公司）

在石化行業(yè)中加熱爐是主要耗能設(shè)備之一，如何降低其燃料用量顯得尤為重要。燃?xì)夤?jié)能器作為一種新型的節(jié)能設(shè)備，目前在煉廠加熱爐中的應(yīng)用研究尚不深入。某公司通過試用的形式投用4臺燃?xì)夤?jié)能器，并對該燃?xì)夤?jié)能器進(jìn)行了工業(yè)試驗標(biāo)定。基于該工業(yè)試驗，建立了加熱爐運(yùn)行中煙氣的O2-CO含量關(guān)系曲線及函數(shù)關(guān)系式；并以投用燃?xì)夤?jié)能器前后1 t閃底油吸收1 kJ熱量所需要提供的天然氣量（或熱量）作為比較數(shù)據(jù)，從而確定該燃?xì)夤?jié)能器實際節(jié)能效果為0.434 7%，以供該煉化公司參考。

加熱爐；燃?xì)夤?jié)能器；工業(yè)試驗研究；燃料耗量；熱量

加熱爐是石化行業(yè)的主要耗能設(shè)備之一，其燃料能耗占煉油廠總能耗的30%～50%，因此，如何提高加熱爐的熱效率、降低燃料耗量對降低生產(chǎn)裝置及整個企業(yè)的節(jié)能降耗有著重要的意義。某煉化公司通過試用的形式投用4臺燃?xì)夤?jié)能器，安裝位置在常壓爐天然氣燃燒器金屬軟管之前。分別對投用燃?xì)夤?jié)能器前后的常壓爐運(yùn)行參數(shù)以及煙氣、閃底油、天然氣成分和用量等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測采集，并對檢測結(jié)果進(jìn)行計算分析。

1 加熱爐及燃?xì)夤?jié)能器概述

1.1 加熱爐

該公司的150×104t重交瀝青裝置于2002年5月建成投產(chǎn)，并一次開車成功。常壓加熱爐設(shè)備位號F101，設(shè)計負(fù)荷8720 kW，設(shè)計熱效率88%，爐膛尺寸為φ7146 mm×12 862 mm；減壓加熱爐設(shè)備位號F102，設(shè)計負(fù)荷4700 kW，設(shè)計熱效率88%，爐膛尺寸為φ4716 mm×12 450 mm。兩爐均是2002年5月投用，為分體圓筒型加熱爐。兩爐共用排煙系統(tǒng)，余熱回收系統(tǒng)為擾流子+水熱媒空氣預(yù)熱器。如圖1所示為加熱爐物料及能量轉(zhuǎn)換簡圖。

測試期間，保證加熱爐運(yùn)行穩(wěn)定；測試過程中，每間隔1 h采集1組在線DCS數(shù)據(jù)；每個煙氣測試點(diǎn)在一定時間內(nèi)取多組數(shù)據(jù)，從而確定不同狀態(tài)下爐膛（輻射室頂部）O2含量與CO含量的對應(yīng)關(guān)系。被加熱介質(zhì)的工藝參數(shù)，取在線儀表讀數(shù)；被加熱介質(zhì)的餾程性質(zhì)通過現(xiàn)場采樣并進(jìn)行實驗室分析。

1.2 燃?xì)夤?jié)能器

目前的燃?xì)猸h(huán)保節(jié)能器是專門針對提高燃?xì)馊紵Ч_發(fā)的，其工作原理：當(dāng)氣體燃料經(jīng)過磁化器，在磁場的作用下，氫原子由逆氫轉(zhuǎn)變?yōu)檎龤?，活性增?qiáng)。同時，改變原子中電子的運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)而改變氣體燃料中原子之間的空間距離，加速燃料分子的擴(kuò)散，使其和氧充分混合，增加受氧面積，更易于氧分子結(jié)合，促進(jìn)其化學(xué)反應(yīng)，使燃燒更加充分，最終降低煙氣排放中的CO含量以及NOx含量[1]。

2 煙氣檢測數(shù)據(jù)及分析

針對常壓爐燃?xì)夤?jié)能器運(yùn)行效果的標(biāo)定評價，選取煙氣測試點(diǎn)位置為常壓爐輻射室頂部、常壓爐對流室頂部及空氣預(yù)熱器引風(fēng)機(jī)前。檢測儀器選用Testo-Pro型煙氣分析儀，用以分析煙氣中的O2、CO、CO2、NO、NO2、SO2、NOx含量以及煙氣溫度等。

常壓爐燃?xì)夤?jié)能器運(yùn)行效果的評價工作分為兩個階段進(jìn)行，即A時間段：運(yùn)行燃?xì)夤?jié)能器；B時間段：未運(yùn)行燃?xì)夤?jié)能器。首先通過比較兩段時間內(nèi)常壓爐輻射室頂部外排煙氣中的CO含量來進(jìn)行定性說明；然后再根據(jù)不同時間段內(nèi)所消耗的天然氣量及加熱爐運(yùn)行參數(shù)等，進(jìn)行定量計算來確定其實際效果，最終完成此次燃?xì)夤?jié)能器的評價工作。

圖1 加熱爐的物料及能量轉(zhuǎn)換

圖2 O2與CO含量關(guān)系模擬曲線

1）燃?xì)夤?jié)能器運(yùn)行前后煙氣數(shù)據(jù)。燃?xì)夤?jié)能器運(yùn)行前后，針對常壓爐輻射室頂部的煙氣數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，同時根據(jù)不同O2含量下的CO含量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到對應(yīng)的模擬曲線見圖2。即對應(yīng)函數(shù)關(guān)系式為

y=A×exp(-x/t)+B

運(yùn)行燃?xì)夤?jié)能器時：A、t、B分別取417 234.669 57、0.034 83、5.703 88； x和y分別為O2含量及CO含量；未運(yùn)行燃?xì)夤?jié)能器時： A、t、B分別取830.323 39、0.294 67、0.992 14。

2）煙氣數(shù)據(jù)分析。在常壓爐運(yùn)行狀況保持平穩(wěn)的前提下，通過對比運(yùn)行燃?xì)夤?jié)能器前后的O2與CO關(guān)系來定性說明該燃?xì)夤?jié)能器的效果。由圖2及O2與CO對應(yīng)函數(shù)關(guān)系式可知：投用該燃?xì)夤?jié)能器時，當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)為0.8%左右，其對應(yīng)的CO含量基本為零；未運(yùn)行燃?xì)夤?jié)能器時，當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)為1.5%左右，其對應(yīng)的CO含量基本為零。投用該燃?xì)夤?jié)能器能夠使天然氣在較低氧含量的前提下充分燃燒，具備節(jié)能的效果。

3 燃?xì)夤?jié)能器運(yùn)行效果分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

針對該公司常壓爐所用天然氣樣品進(jìn)行成分分析，其各組分的體積分?jǐn)?shù)：甲烷93.679%、乙烷3.504%、丙烷0.615%、正丁烷0.107%、異戊烷0.038%、N2及CO2各占0.763%、1.179%。

常壓爐被加熱介質(zhì)為閃底油，根據(jù)GB/T 1884—2000、ASTM D2887檢測標(biāo)準(zhǔn)對所采樣品進(jìn)行密度及餾程測定，確定閃底油20℃時密度為968.1 kg/m3，具體餾程數(shù)據(jù)見表1。

3.2 不同時間閃底油及天然氣用量計算

根據(jù)以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)及天然氣現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)，以A區(qū)間數(shù)據(jù)作為運(yùn)行該節(jié)能器的有效數(shù)據(jù)；B區(qū)間數(shù)據(jù)作為未運(yùn)行節(jié)能器的比對數(shù)據(jù)，從而確定以下運(yùn)行參數(shù)：

表1 閃底油餾程性質(zhì)數(shù)據(jù)

1）運(yùn)行燃?xì)夤?jié)能器時相關(guān)數(shù)據(jù)。閃底油：入爐平均瞬時量為 152.5 t/h，入爐平均溫度為281.81℃，入爐平均壓力為0.503 MPa，出爐平均溫度為366.89℃，出爐平均壓力為0.04 MPa；天然氣：入爐平均瞬時量為1 179.81 m3/h（標(biāo)況），入爐平均溫度為24.1℃。

2）未運(yùn)行燃?xì)夤?jié)能器時相關(guān)數(shù)據(jù)。閃底油：入爐平均瞬時量為150.39 t/h，入爐平均溫度為280.48℃，入爐平均壓力為0.489 MPa，出爐平均溫度為368.45℃，出爐平均壓力為0.04 MPa；天然氣：入爐平均瞬時量為1 205.25 m3/h（標(biāo)況），入爐平均溫度為22.67℃。

3.3 天然氣燃燒及顯熱相關(guān)計算

1）天然氣燃燒計算。根據(jù)所測天然氣組分，計算可得該燃料燃燒性質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 1 kg燃料的燃燒性質(zhì)

2）天然氣及空氣顯熱計算。運(yùn)行燃?xì)夤?jié)能器時顯熱計算：計算可得，A時間段內(nèi)，入爐空氣平均溫度為204.3℃，其顯熱值為3 132.24 kJ/kg燃料；天然氣平均入爐溫度為24.1℃，其顯熱值為14.79 kJ/kg燃料；未運(yùn)行燃?xì)夤?jié)能器時顯熱計算：B時間段內(nèi)，入爐空氣平均溫度為203.28℃，其顯熱值為3 114.93 kJ/kg燃料；天然氣平均入爐溫度為22.67℃，其顯熱值為12.45 kJ/kg燃料。

3.4 燃?xì)夤?jié)能器運(yùn)行效果

加熱爐節(jié)能試驗評價中，為排除常減頂瓦斯氣流量波動帶來的數(shù)據(jù)偏差，特將常減頂瓦斯氣引入減壓爐燃燒，常壓爐燃料為單一成分的天然氣，天然氣現(xiàn)場采樣并進(jìn)行實驗室成分分析。

根據(jù)閃底油工藝參數(shù)及餾程性質(zhì)分析數(shù)據(jù)，采用PROII化工專業(yè)模擬軟件計算閃底油在不同溫度壓力下的焓值；由上述統(tǒng)計結(jié)果，確定出天然氣流量、低發(fā)熱值、燃料供給熱量、天然氣及空氣顯熱值等，運(yùn)行該節(jié)能器前后的兩次計算中，以1 t閃底油吸收1 kJ熱量所需要提供的天然氣量（或熱量）作為直接比較的數(shù)據(jù)，從而確定該燃?xì)夤?jié)能器的實際效果。具體計算結(jié)果見表3。

運(yùn)行節(jié)能器時，閃底油在該時間段內(nèi)出爐焓值與入爐焓值之差為253.39 kJ/kg；加熱爐供給總熱量由天然氣低發(fā)熱量、天然氣顯熱及入爐空氣顯熱提供，其數(shù)值為4.58×106kJ/h。

未運(yùn)行節(jié)能器時，閃底油在該時間段內(nèi)出爐焓值與入爐焓值之差為261.34 kJ/kg；加熱爐供給總熱量由天然氣低發(fā)熱量、天然氣顯熱及入爐空氣顯熱提供，其數(shù)值為4.68×106kJ/h。

通過對比分析，在低氧含量（輻射室頂部氧含量低于1.5%）的操作條件下運(yùn)行該燃?xì)夤?jié)能器時，無論按照熱量還是天然氣量計算，均稍優(yōu)于未投用燃?xì)夤?jié)能器時的效果。

4 結(jié)論

1）投用該燃?xì)夤?jié)能器能夠使得天然氣在更低氧含量的前提下充分燃燒，具備一定的節(jié)能效果。

2）通過比較1 t閃底油吸收1 kJ熱量所需要提供的天然氣量作為評價依據(jù)，在低氧含量操作條件下運(yùn)行該燃?xì)夤?jié)能器時，所需要提供的天然氣量可以節(jié)約0.434 7%。

3）以上結(jié)論均是在低氧含量的操作條件下取得，運(yùn)行該燃?xì)夤?jié)能器后，常壓爐所用天然氣量有一定程度的減少。在正常操作條件下，輻射室頂部氧的體積分?jǐn)?shù)為2%～4%，天然氣不完全燃燒的問題減少。因此，對于整個加熱爐系統(tǒng)而言，安裝運(yùn)行該燃?xì)夤?jié)能器后，節(jié)省的天然氣用量將低于評價期間（低氧含量操作條件）所得結(jié)果。

[1]陳慶生，陳松林.燃?xì)獯呕幚碓砼c節(jié)能效果的探討[J].節(jié)能，2003（11）：35-36.

表3 燃?xì)夤?jié)能器運(yùn)行前后節(jié)能效果對比

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.008

2016-04-23 （編輯 沙力妮）

王寧，工程師，2014年畢業(yè)于燕山大學(xué)（材料科學(xué)與工程專業(yè)），從事石油化工腐蝕與防護(hù)及節(jié)能減排技術(shù)研究工作，E-mail：wangning19@cnooc.com.cn，地址：山東省青島市黃島區(qū)千山北路575號，266500。