吳昊 張智超 任航 崔曉韻

摘 ?????要：隨著環(huán)保問題日益突出，節(jié)省能源、提高能源利用效率成為整個社會的共識。在煉油裝置中，加熱爐能耗占比最高，因此對加熱爐能效優(yōu)化直接關(guān)系到整體能耗的效率，同時也于最終產(chǎn)品質(zhì)量有著直接聯(lián)系。以煙氣溫度、空氣的過剩因子、不完全燃燒情況以及爐壁熱量損耗等與能耗關(guān)系密切的因素作為突破口，從設(shè)計、操作、管理等方面提出提高加熱爐熱效率的改進(jìn)措施。

關(guān) ?鍵 ?詞：煉油裝置;加熱爐;節(jié)能;熱效率

中圖分類號：TQ021.8 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）04-0787-04

Abstract： Aiming at the increasingly prominent environmental protection problem in recent years， saving energy and improving efficiency have become the consensus of the whole society. In refining unit， the furnace is a large energy consumer， so the optimization of the energy efficiency of furnace is directly related to the overall energy efficiency，and also directly related to the final product. In this paper，some suggestions were put forward to improve the heating efficiency of furnace in the aspects of design， operation and management based on the key affecting factors for energy efficiency of heating furnace，such as flue temperature， the excess air coefficient， the incomplete combustion and the heat loss of furnace wall.

Key words： Refining unit; Heating furnace; Energy saving; Thermal efficiency

加熱爐作為在石油煉化和工業(yè)化學(xué)品生產(chǎn)行業(yè)的加工裝置的主要能耗設(shè)備，它消耗的燃料在整套運行裝置中的能源消耗比重比較大，平均占到 39%，加熱爐在裝置運行時能量利用率的高低影響著煉化生產(chǎn)單位的生產(chǎn)狀態(tài)和盈利狀況。但與此同時，也不能盲目單一追求過高的熱效率，使得一次投資過高或產(chǎn)生尾部換熱面低溫露點腐蝕與黏灰堵塞的情況，影響整個裝置的長周期安全生產(chǎn)。其中加熱爐里燃料消耗量在整體的能耗消耗中的占比情況為：焦化裝置的占比在90%上下，常減壓蒸餾裝置介于82%到92%之間，連續(xù)重整裝備的占比在82%左右，柴油加氫設(shè)備占比在29%左右[1]。所以，將加熱爐在運行過程中的能量利用率在一定范圍內(nèi)合理提高，以此手段來降低加熱爐燃料消耗量，對于響應(yīng)習(xí)近平總書記“綠水青山就是金山銀山”的口號、落實各地方政府“節(jié)能減排”政策、優(yōu)化煉油化工企業(yè)生產(chǎn)商的經(jīng)濟(jì)效益和改善地方環(huán)境水平，都有著非常積極的作用。

1 ?提高加熱爐熱效率的意義

加熱爐的燃料消耗在煉油裝置能耗中占比最高，其中比較低的介于20%到30%之間，高的介于80%到90%之間，詳情見表1。由此可見對加熱爐熱效率的提升，可以通過降低燃料消耗的角度出發(fā)，能夠有效的減少裝置以及全廠的能量消耗都有著關(guān)鍵作用。

提高加熱爐的熱效率就意味著節(jié)省燃料，這是大家所熟知的，但是，大家不太熟悉的是，可以通過公式ΔB=（B原-B新）/B原×100%進(jìn)行求解，獲取燃料節(jié)省比率大小，并且該比率的提升能夠有效的提升熱效率，同時原熱效率的數(shù)值越小，對應(yīng)的差值也就越高，見圖1。例如原熱效率僅50%的加熱爐，如將其熱效率提高10%，那么可以降低15.6%的燃料消耗，但是初始熱效率79%的加熱爐，對應(yīng)的熱效率增加10%，對應(yīng)的燃料損耗只能夠減少11%。

2 提高加熱爐熱效率的途徑

2.1 分析煉油裝置特性，以此采取有效舉措

效率的提升最主要的作用就是節(jié)能，而相比較工業(yè)爐，煉油設(shè)備中的加熱爐能夠采用的節(jié)能方式更加多樣，所以工藝介質(zhì)經(jīng)由加熱爐加熱相關(guān)工藝處理后，還需要經(jīng)歷包括蒸餾等一系列工藝過程，最后還得經(jīng)過冷卻處理到設(shè)定溫度后才可以運出設(shè)備。而常溫原料與加熱后的產(chǎn)品之間是存在著復(fù)雜的熱傳遞過程。通常一套裝置中有多套加熱爐以及各種不同類別的設(shè)備，這些設(shè)備之間通過對熱能力的利用與互補(bǔ)。因此對其能耗的優(yōu)化分析需要綜合考慮并采取綜合節(jié)能措施。

煉油裝置最為明顯的特征在于，其加熱爐內(nèi)部的熱負(fù)荷是伴隨換熱過程的變化而變化。對換熱流程的優(yōu)化能夠有效減少系統(tǒng)的熱負(fù)荷，從而降低對燃料的需求。比如在20世紀(jì)70年代之前，原油在送入到爐內(nèi)之前的溫度通常在215 ℃上下，而一臺處理能力在250萬t/a的常減壓裝置配備的常壓爐功率為47.9 MW，經(jīng)過改良優(yōu)化入爐溫度已經(jīng)可以達(dá)到300 ℃，而處理能力為1 000萬t/a的常減壓裝置的功率僅需其12.6 MW。在當(dāng)時最開始的改造手段是從換熱流程入手，原油溫度的提升70 ℃，常壓爐熱負(fù)荷所承載的負(fù)荷縮減二分之一，可見效果明顯。后期開發(fā)處理800萬t/a的常減壓裝置中的常壓爐，通過對換熱流程的優(yōu)化處理，把入口溫度設(shè)定為290 ℃，出口設(shè)定為355 ℃，對應(yīng)的熱負(fù)荷只有58.1 MW;同時增設(shè)空氣預(yù)熱器，助燃空氣從常溫預(yù)熱至272 ℃，燃料的消耗量只有5.314 t/h，如果不做上述改進(jìn)，燃料消耗高達(dá)9.641 t/h，按照燃料的單價為1 040元/t，燃油費可以節(jié)省3 600萬元/a，所以對換熱過程的優(yōu)化能夠提升經(jīng)濟(jì)效益同時節(jié)約能耗。

2.2 ?加熱爐及相關(guān)設(shè)備預(yù)熱回收

配備加氫裝置的反應(yīng)爐因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，爐管材質(zhì)需要采用專用材質(zhì)，在價格上比較昂貴，并且需要具備減小壓降的效果，所以加熱所需的爐型采取純輻射單排管雙面輻射型，反應(yīng)后的尾氣溫度通常能夠達(dá)到700 ℃至800 ℃。在這套裝置里面通常還會配備重沸爐或者是分餾路，介質(zhì)在進(jìn)入爐內(nèi)之前溫度通常都不會很高，一般采用對流-輻射混合的爐型。余熱回收方式常采用聯(lián)合回收，有兩種方式，分別是：（1）進(jìn)入分餾爐中的介質(zhì)在通過了反應(yīng)爐對流室過后在通過分餾爐的對流室;（2）把反應(yīng)爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖龑?dǎo)至分餾爐對流室的入口，充分利用廢棄的余熱來加熱介質(zhì)，達(dá)到降低燃料消耗的效果，實現(xiàn)節(jié)約能耗。

其它裝置當(dāng)有類似情況時也可采用同樣方案。如在針對重整爐的擴(kuò)建過程中，在原有爐子入口建立一個重整爐對流室，一般可以把進(jìn)入預(yù)處理部分的爐中介質(zhì)先送入到重整爐的對流室內(nèi)，再送回到對應(yīng)的爐中，這樣既可以實現(xiàn)對能耗充分的利用，也實現(xiàn)了對加熱爐的升級改造，增加熱負(fù)荷的要求。

如果是小爐群，常見的比如重整裝置里面預(yù)處理設(shè)備中管式爐，通常而言一個爐子熱負(fù)荷不高，如果針對一個爐子采用熱回收方案明顯不合適，最佳方式是將所有爐體作為一個整體采用余熱回收系統(tǒng)，這種方式是重整裝置新建中最常用的一種方式。根據(jù)國外的資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有廠家將所有爐體產(chǎn)生的煙氣的余熱進(jìn)行統(tǒng)一回收處理，再利用高煙囪進(jìn)行排放的操作。

煉油裝置加工得到的成品部分是需要通過空冷冷凝獲取?？梢圆扇∫欢ǖ拇胧⒖绽洚a(chǎn)生的熱空氣收集然后為爐區(qū)燃燒所用空氣進(jìn)行預(yù)熱，從而達(dá)到回收部分熱能的目的，減少設(shè)備的整體能耗。后期的新建煉油裝置都會針對這點進(jìn)行改進(jìn)，來實現(xiàn)降低能耗。最常見的手段是通過熱油式空氣預(yù)熱器來取代空冷器，其中原有冷卻油可以回收利用送入新設(shè)備，在進(jìn)行冷卻處理以后升溫后的冷卻油取出預(yù)熱空氣，如果冷卻油溫度沒有達(dá)到預(yù)熱空氣所需溫度，可以將其熱油式空氣預(yù)熱器代替暖風(fēng)器。通常對空氣的余熱都是從常溫加熱到設(shè)定的溫度后，接著送到煙氣余熱回收裝置里，不僅實現(xiàn)余熱的回收，還有效提升預(yù)熱空氣，降低過低空氣溫度對余熱回收裝置中低溫露點容易被腐蝕情況，這種舉措在溫度較低的北方地區(qū)有比較顯著的作用[2]。

2.3 ?降低過?？諝庀禂?shù)和排煙損失

爐區(qū)熱量的產(chǎn)生都是通過燃料燃燒為系統(tǒng)提供。在實際燃燒的過程中不可能準(zhǔn)確提供燃料燃燒所需的精確空氣量，通常通入超過需求的空氣（理論空氣）來保證為燃料燃燒提供足量的空氣，而過量的空氣和理論空氣的比值就是過剩空氣系數(shù)α。根據(jù)所需的燃料的差異，過?？諝庀禂?shù)的取值也是有所差異。通常而言，為了保證煉油加熱爐中燃?xì)獬浞秩紵瑢?yīng)的過?？諝庀禂?shù)α的取值一般介于1.05到1.15之間，如果燃料為燃油的時候，該系數(shù)的取值一般介于1.15到1.25之間。不過在實際的設(shè)定過程中，該系數(shù)過高勢必導(dǎo)致過多的空氣帶走余熱造成熱量的損失，在一定程度上降低熱效率，這是因為煙氣中過多的空氣帶走的熱量都屬于浪費的熱能，帶走越多，熱效率降低越大，進(jìn)過實驗研究得到圖2中的對比信息，通過圖分析可以知道每提高0.1的空氣過剩系數(shù)，對應(yīng)熱效率的降低情況。所有合理的過?？諝庀禂?shù)在一定程度上能夠提升熱效率[3]。

針對過剩空氣系數(shù)的調(diào)整手段比較多，常見的方式是采取性能優(yōu)異的燃燒器，能夠?qū)崿F(xiàn)在比較小的過?？諝庀禂?shù)的前提下實現(xiàn)燃料的充分燃燒。還有就是對風(fēng)門、氣門、煙囪擋板以及油門的合理管控，能夠有效的確保讓過?？諝饬坎恢劣谶^高的同時滿足燃燒所需。最后還可以通過對爐體存在漏洞地方進(jìn)行處理，避免那些無法完全密封的地方泄露爐區(qū)中的高溫氣體帶走熱量[4]。

3 ?提高加熱爐熱效率的操作與措施

目前節(jié)能措施中最常見的一種技術(shù)手段就是空氣預(yù)熱系統(tǒng)的應(yīng)用。通過這套預(yù)熱系統(tǒng)不僅能夠充分的利用煙氣中的余熱，讓燃燒所需的空氣的溫度達(dá)到設(shè)定的溫度，降低對空氣預(yù)熱燃料的需求的同時，降低了煙氣排放時的溫度，在很大程度上提升了設(shè)備的效率。不過如果對這套系統(tǒng)的使用與管理不夠全面，有時候無法達(dá)到最佳的節(jié)能效果，因此需要一套健全、完善的方案來實現(xiàn)對該套系統(tǒng)的管控，保證空氣余熱回收系統(tǒng)能夠在較佳工作狀態(tài)下運行，保證極大程度上提升爐體的熱效率。針對空氣預(yù)熱系統(tǒng)的管控最佳的手段就是結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)手段對其使用過程進(jìn)行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)了問題后就能夠及時被發(fā)現(xiàn)并針對嚴(yán)重程度進(jìn)行科學(xué)的評估，并采取與之對應(yīng)的處理方案，來對問題進(jìn)行處理與排查，確保爐體的余熱回收系統(tǒng)始終保持高效穩(wěn)定的運行狀態(tài)[5]。

目前采用的對加熱爐和空氣預(yù)熱系統(tǒng)的監(jiān)控方案主要有下述幾種類型：

a）燃料有害組份監(jiān)測

這項檢測主要是對燃料中所含S以及H2S含量的監(jiān)測。

在通過檢測系統(tǒng)檢測的過程中，發(fā)現(xiàn)燃料中含有S或者是H2S的含量超過了設(shè)定的值的時候，極有可能是脫硫裝置出現(xiàn)了問題，此時需要對脫硫裝置進(jìn)行檢修甚至更換，同時需要采用加大冷空氣旁通量等手段來增大空預(yù)熱器末端換熱面溫度的方法對脫硫裝置進(jìn)行保護(hù)。

b）對爐區(qū)內(nèi)關(guān)鍵部位煙氣組份監(jiān)測

這項檢測的主要是對O2以及CO的監(jiān)測。一般情況下針對不同燃料，燃燒室出口中煙氣含氧量比重不同，如燃料為可燃油的時候比重為百分之三到四，如果是燃?xì)獾臅r候則是百分之二到三。如果檢測發(fā)現(xiàn)含量超過設(shè)定范圍，那么就需要對供風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果檢測發(fā)現(xiàn)對流室中的含氧量比輻射室還高，那么表明對流室中存在一定的泄露情況，這就需要排查泄漏點進(jìn)行修繕。如果檢查的發(fā)現(xiàn)預(yù)熱器出口含氧量超過入口，則表明裝置存在漏風(fēng)故障，這種問題相比較而言是非常嚴(yán)重的[6]。

通常情況下出口檢測到CO含量，燃?xì)鉃槿剂喜粫^一立方米40 mL，燃油作為燃料不會超過1 m3 80 mL，超過設(shè)定值說明燃燒不充分，就需要對燃燒器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

c）爐區(qū)內(nèi)關(guān)鍵部位煙氣溫度監(jiān)測

溫度的變化直接關(guān)系到能量的消耗與損耗，對整體能耗影響比較大。

一般情況下，檢測到燃燒室出口煙氣溫度明顯超過了設(shè)定情況，通常是由于輻射管內(nèi)側(cè)出現(xiàn)污垢以及積碳，外側(cè)出現(xiàn)了鹽的集結(jié)所導(dǎo)致。如果是對流室出口溫度超過了設(shè)定情況一般是因為室內(nèi)存在積灰，這些問題都不能夠忽視。

d）爐區(qū)內(nèi)關(guān)鍵部位煙氣壓力監(jiān)測

爐區(qū)內(nèi)部各個關(guān)鍵部位煙氣壓力情況也是爐區(qū)工作狀態(tài)的一個關(guān)鍵衡量指標(biāo)。

通常情況下輻射室出口通常情況下大小在30 Pa到55 Pa之間，超過該范圍，一般是由于對流室出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的積灰問題，此時需要對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整以及檢修，問題依舊無法解決的情況下，就需要查看是否是因為引風(fēng)機(jī)或者是煙囪擋板的問題，需要對問題盡早排查與處理，避免問題的進(jìn)一步加深[7，8]。

4 ?結(jié) 論

受國內(nèi)外能源供需形勢的影響，能源供應(yīng)緊張，降低能耗提高能源利用率已成為石化行業(yè)當(dāng)務(wù)之急。煉油化工裝置中加熱爐是該行業(yè)的主要耗能設(shè)備之一，如何設(shè)計好加熱爐以提高加熱爐的熱效率，進(jìn)而提高能源利用率，優(yōu)化煉油化工企業(yè)生產(chǎn)商的經(jīng)濟(jì)效益和能效水平都有著十分深遠(yuǎn)的意義。

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