潘巖 葛玉龍 晉西潤 王寧 左甜 馬方義

（中海油煉油化工科學(xué)研究院有限公司）

高酸海洋原油煉油裝置加熱爐節(jié)能優(yōu)化分析

潘巖 葛玉龍 晉西潤 王寧 左甜 馬方義

（中海油煉油化工科學(xué)研究院有限公司）

通過實地檢測多家加工高酸海洋原油煉油裝置的加熱爐運行狀況，針對影響加熱爐效率的主要因素及存在的問題，對加熱爐節(jié)能檢測工作的完整性進行了探討。對比分析加熱爐檢測數(shù)據(jù)，包括加熱爐溫度控制、氧含量控制、不完全燃燒狀況、散熱損失情況、壓差狀況等數(shù)據(jù)對加熱爐效率的影響，指出提高加熱爐熱效率的有效途徑，為企業(yè)加熱爐的節(jié)能優(yōu)化工作提供了具有可操作性的依據(jù)。

煉油裝置；加熱爐；熱效率；節(jié)能優(yōu)化

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.011

在現(xiàn)代煉油企業(yè)中，多支路的管式加熱爐是最常見的設(shè)備之一，而對于加熱爐這種煉油裝置的能耗大戶，其燃料消耗約占裝置總能耗的86%[1]。因此，加熱爐是煉油裝置節(jié)能的關(guān)鍵設(shè)備。在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高加熱爐的控制精度、實現(xiàn)加熱爐的高效燃燒對降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益有很大的意義。同時，燃料燃燒的越充分，有害氣體的排放就會越少，即實現(xiàn)了減排的目的，又實現(xiàn)了對環(huán)境的保護，有良好的社會效益。

1 加熱爐存在的問題

在我國石化行業(yè)中，對于裝置中多支路多燃燒火嘴的管式加熱爐的控制[2]，應(yīng)用的基本上都是分布式控制系統(tǒng)（DCS）。DCS系統(tǒng)的應(yīng)用，在一定程度上實現(xiàn)了加熱爐的自動控制，從而簡化了加熱爐的操作，降低了操作工人的勞動強度，同時保證了加熱爐安全高效的運行。

現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，處在自動狀態(tài)下的回路比率不是特別高，相當(dāng)一部分操作由操作工人手動來完成。一般情況下加熱爐的控制包括被加熱介質(zhì)或物料出口溫度、燃料氣流量、氧含量控制、爐膛負(fù)壓、原料流量等，目前煉化企業(yè)的加熱爐中，大多只有出口溫度、燃?xì)饬髁繕?gòu)成串級投入自動，其余回路多為手動。很多爐子爐膛負(fù)壓、氧含量從爐子建成以來就沒有投入過自動運行[3-4]。由于加熱爐自控率低，手工操作非常普遍，為了防止“爐膛回火”、“冒黑煙”等現(xiàn)象[5-6]，現(xiàn)場操作中往往維持較高的爐膛負(fù)壓、較大的氧含量，從而造成加熱爐在遠(yuǎn)低于設(shè)計熱效率下工作。

這幾年，中石化在各大煉化企業(yè)加強了典型示范爐的改造推廣，主要措施是：采用新型爐管、新型襯里、改造空氣預(yù)熱器、增強保溫、加熱爐外噴涂。但一系列不系統(tǒng)的改造也帶來了諸多問題，結(jié)合加工重質(zhì)高酸原油的多家煉油企業(yè)的加熱爐實際運行情況及存在問題，討論加熱爐節(jié)能檢測的方法及其制約因素，針對實際生產(chǎn)運行情況提出節(jié)能優(yōu)化措施。

2 現(xiàn)場檢測數(shù)值與結(jié)果分析

目前國內(nèi)煉油化工企業(yè)已經(jīng)廣泛使用煙氣分析儀進行加熱爐檢測，該儀器可以同時分析煙氣中的O2、CO、CO2、NO、NO2、SO2、NOx、煙氣溫度、環(huán)境溫度、差壓等。利用該儀器能夠完成加熱爐或鍋爐運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，可以實時計算出加熱爐或鍋爐的熱效率，判斷加熱爐的漏風(fēng)部位和程度，判斷煙道、風(fēng)道的阻力大小與堵塞部位，判斷燃燒器的燃燒狀況，判斷露點腐蝕的基本趨勢等。同時該儀器準(zhǔn)確度高、方便快捷，只要現(xiàn)場有直徑大于8mm的采樣口或軟管接頭，就可進行現(xiàn)場采樣分析和測量。采用煙氣對空氣升溫預(yù)熱的加熱爐流程，同時對比的加熱爐均加工高酸低硫原油，加熱爐類型為管式加熱爐，加熱爐的熱平衡體系如圖1。7家公司的加熱爐概況見表1。

表1 7家公司加熱爐概況

圖1 加熱爐熱平衡體系

管式加熱爐的熱效率是指為達(dá)到規(guī)定的加熱目的，供給能量利用的有效程度在數(shù)量上的表示，即有效能量相對供給能量的百分?jǐn)?shù)。目前計算加熱爐熱效率的方法主要包括正平衡法和反平衡法。

正平衡法求熱效率的計算公式：

反平衡法求熱效率的計算公式∶

在實際應(yīng)用中，由于有效(吸收)能量的測量很困難，通常使用反平衡法來計算。因此僅以反平衡效率的計算方法所涉及的主要參數(shù)作為主要研究對象。反平衡法的損失能量包括化學(xué)不完全燃燒熱損失、排煙熱損失、機械不完全燃燒熱損失、散熱損失。

2.1 加熱爐排煙溫度控制

各家煉廠加熱爐的排煙溫度控制的比較低，其中B公司與E公司控制排煙溫度最低，為94.5℃；F公司排煙溫度為126.7℃，為最高煉廠，其他煉廠排煙溫度均介于這2個溫度范圍內(nèi)。

排煙溫度的控制與加工燃料及燃料氣成分有關(guān)。從表2可以看出，各家所使用的燃料氣中硫含量很低，加工原油所產(chǎn)生的瓦斯氣進加熱爐作為燃料氣，瓦斯氣量相對天然氣比率很小，其H2S含量也極低，這樣也間接的降低了煙氣外排時的硫酸露點溫度。適當(dāng)?shù)慕档蜔煔鉁囟仁强梢缘?，但煙氣外排溫度也不能太低，在裝置運行過程中工藝條件的改變可能誘發(fā)空氣預(yù)熱器局部的硫酸露點腐蝕。

表2 燃料中硫化物含量

對流室后煙道存在溫度損失，從表3可以看出，部分公司對流室至空氣預(yù)熱器間的煙氣溫度損失較多，溫降最多可達(dá)30℃。從紅外圖片可知，部分公司煙道段內(nèi)襯里可能存在破損、法蘭密封面和煙道擋板漏風(fēng)現(xiàn)象，具備條件的情況下應(yīng)進行保溫或襯里、法蘭密封面和煙道擋板進行處理。

2.2 加熱爐氧含量

煙氣中氧含量的多少及不同部位氧含量的變化趨勢，可以有效反映加熱爐系統(tǒng)的密封情況。由表4可知，由輻射室至對流室氧含量變化相對不大，部分公司氧含量上升主要是由于對流室彎頭箱有縫隙，保溫襯里有損壞，主要發(fā)生在對流室進行改造的公司及加熱爐投用時間比較長的公司。

表3 各煉化公司加熱爐的煙氣溫度分布情況單位:℃

表4 各煉化企業(yè)加熱爐煙氣氧含量分布情況單位:%

氧含量上升比較嚴(yán)重的主要發(fā)生在對流室頂部，當(dāng)測試點在靠近煙道擋板的對流室頂部時，氧含量上升比較明顯，其主要原因與煙道擋板密封不嚴(yán)有關(guān)。對于新建裝置的F公司未見氧含量明顯上升。煙道擋板不嚴(yán)，帶來空氣漏至煙氣中，增加了排煙熱損失，增加了燃料消耗和引風(fēng)機的電耗，降低了加熱爐的熱效率。

此外，檢測過程中發(fā)現(xiàn)B公司煙氣外排處氧含量驟然上升至11%，其原因主要與引風(fēng)機密封有關(guān)，引風(fēng)機軸封處有縫隙。對比發(fā)現(xiàn)氧含量控制較好的為F公司，其引風(fēng)機密封性較好。

2.3 不完全燃燒情況

根據(jù)《中國石化煉化企業(yè)加熱爐管理規(guī)定》，輻射室頂部氧含量，燃?xì)饧訜釥t為2%～4%，燃油加熱爐為3%～5%。輻射室內(nèi)氧含量越低空氣過?？諝庀禂?shù)越小，加熱爐熱效率越高，但是氧含量越低燃料燃燒越不完全，一氧化碳量越高。各家公司的加熱爐燃燒狀況見表5。

F公司為新投用的加熱爐，燃燒器采用的是新型節(jié)能燃燒器，在氧含量控制大于2%的情況下，一氧化碳的含量并未超標(biāo)。從看火窗觀察到火焰呈明亮的橙黃火焰。C公司加熱爐以天然氣為燃料，常減壓爐輻射室頂CO及O2含量均較少，可以推知燃料燃燒較充分，加熱爐不完全燃燒損失較低?？梢娂訜釥t燃燒效率的好壞，除了與操作有關(guān)還與加熱爐燃燒設(shè)備有關(guān)。

表5 常減壓爐不完全燃燒情況

2.4 散熱損失情況

各煉化企業(yè)加熱爐外表面熱流密度分布情況見表6，散熱損失的大小嚴(yán)重影響加熱爐的熱效率，普通加熱爐的散熱損失占加熱爐效率的3%左右，控制好加熱爐的散熱損失可以有效地提高加熱爐的熱效率；如E公司加熱爐表面進行了保溫涂料噴涂、A公司對加熱爐煙道、彎頭箱等部位進行保溫處理，其熱流密度也較其他公司相對低一些。

同時加熱爐技術(shù)改造及檢修過程中可能對加熱爐保溫造成損壞，保溫的破壞會增大加熱爐散熱損失，例如技術(shù)改造后遺留的吹灰器部位沒有保溫措施，形成的高溫散熱區(qū)；由于防爆門密封問題而導(dǎo)致的散熱量較高。

表6 各煉化企業(yè)加熱爐外表面熱流密度分布情況單位:kJ/(m2·h)

表7 各煉油企業(yè)加熱爐負(fù)壓控制情況單位:Pa

對流室彎頭箱在檢修后恢復(fù)過程中缺固定螺栓，保溫陶纖填充量不夠，造成表面熱流密度偏高；在加熱爐底部，由于人孔的密封性問題，導(dǎo)致表面存在熱流密度偏高現(xiàn)象。

2.5 壓差情況

根據(jù)《中國石化煉化企業(yè)加熱爐管理規(guī)定》：簡單爐型輻射爐膛頂部的負(fù)壓值應(yīng)控制在-20～-30 Pa。多爐膛聯(lián)合，或多爐共用煙道的爐型，其輻射爐膛頂部負(fù)壓值可適當(dāng)放寬至-50～-60 Pa，但不得超過-80Pa。

合理爐膛負(fù)壓控制有助于加熱爐的平穩(wěn)運行，高負(fù)壓值控制附屬設(shè)備能耗高。如表7，B公司引風(fēng)機功率控制較高，引風(fēng)機前負(fù)壓大，爐膛及對流室壓力值相對較小，其原因可能由于漏風(fēng)或煙道擋板開度不夠造成的，致使附屬設(shè)備能耗高。C公司整體負(fù)壓控制較高，煙氣流動速度快，不利于原料及冷空氣取熱，致使熱能浪費，同時高負(fù)壓也不利于裝置操作。同行工頻的設(shè)備耗能更明顯。

3 結(jié)論

1）排煙溫度控制。爐子的排煙溫度能很大程度決定加熱爐的熱效率，要想實現(xiàn)加熱爐能耗的降低，必須要想盡辦法來控制排煙溫度不要過高。可是排煙溫度是不能隨意選擇設(shè)定的，主要是因為還有露點腐蝕在限制爐子的排煙溫度。應(yīng)根據(jù)燃料的組成來控制排煙溫度，保證煙氣溫度在酸露點腐蝕溫度之上的同時煙氣溫度不要過高。

2）降低過?？諝庀禂?shù)。應(yīng)加強燃燒器三門一板的管理，確保燃料的充分燃燒的前提下，注意控制好加熱爐的氧含量及爐膛負(fù)壓等；裝置加工負(fù)荷波動較大狀況，建議增上變頻風(fēng)機控制。所以從工藝控制角度、節(jié)能角度改善加熱爐操作條件。

3）降低散熱損失。部分公司存在加熱爐局部密封不嚴(yán)、空氣進入加熱爐內(nèi)的現(xiàn)象，如對流室彎頭箱門及連接橫梁（尤其連接螺栓部位）局部溫度超標(biāo)，建議考慮檢修期間用高鋁陶纖塞實彎頭箱內(nèi)空隙，減少散熱損失，降低漏風(fēng)量。運行時間較長的加熱爐煙道擋板都多少存在密封不嚴(yán)現(xiàn)象，所以及時檢查泄漏點，更換密封性更好煙道擋板對于降低加熱爐的散熱損失具有積極的意義。

4）壓力控制。控制好煙道擋板開度，采用變頻附屬設(shè)備，保持加熱爐系統(tǒng)合理負(fù)壓值操作，減少不必要的能耗。

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2017-03-31

（編輯 鞏亞清）

潘巖，工程師，2009年畢業(yè)于延邊大學(xué)（有機化學(xué)專業(yè)），從事腐蝕與防護技術(shù)研究工作，E-mail：pyice@126.com，地址：山東省青島市黃島區(qū)千山北路575號，266500。