李斌，王茂生，戴曉輝，劉旭旭，邵曉榮

（陜西精益化工有限公司，陜西 榆林 719300）

隨著能源日益匱乏，科技革命和產(chǎn)業(yè)變革日漸深入，人們的活動方式逐步向低碳化、智能化轉(zhuǎn)變，能源體系正在向非化石能源主導的階段發(fā)展?！笆奈濉逼陂g是中國能源低碳轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)“雙碳”目標的關(guān)鍵時期，國家正在加速推動能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，加快實施重點行業(yè)節(jié)能降碳。

1 概述

煉油行業(yè)在發(fā)展過程當中消耗大量能源，不僅影響經(jīng)濟效益，也為行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展帶來不利影響，同時伴有環(huán)保問題，節(jié)能和提高能源利用效率成為社會共識［1］。

煉油加熱爐的能耗占整個煉油行業(yè)能耗的35%，只有挖掘煉油加熱爐節(jié)能技術(shù)、提高煉油加熱爐的能效，才能達到節(jié)能降碳的目的［2］。

加熱爐根據(jù)外形結(jié)構(gòu)、輻射盤管形式、燃燒器的布置及其組合劃分有很多種。各種爐型的優(yōu)缺點不僅是從投資的經(jīng)濟性比較得出結(jié)論，還要結(jié)合其適用性來評估。不同的爐型的適用場合也不同，應將選用爐型在技術(shù)和經(jīng)濟方面的因素綜合納入考慮［3］。李文輝［4］針對加熱爐通風方式展開討論，并就4種通風方式在強化燃燒和強化傳熱方面的可行性做了詳細的總結(jié)分析，為煉油加熱爐節(jié)能技術(shù)發(fā)展提供了參考依據(jù)。

2 能量損失分布和節(jié)能措施現(xiàn)狀

造成加熱爐熱效率低的因素很多，裴召華［5］將影響管式加熱爐熱效率的因素分類為過?？諝庀禂?shù)、不完全燃燒、排煙溫度等。鄒家民等［6］從能量轉(zhuǎn)化的角度對熱效率影響因素進行了分析，認為燃料在加熱爐燃燒后所放出的熱量除一部分被加熱的爐管內(nèi)介質(zhì)吸收外，剩余均被以煙道煙氣帶走、爐體散熱、以及不完全燃燒等方式損失，該熱量損失也是導致加熱爐熱效率低的主要因素。

2.1 爐體散熱損失

有分析結(jié)果顯示，加熱爐散熱損失58.21%在爐頂，爐墻和爐底散熱量遠不及爐頂，所以爐頂可適當調(diào)整保溫材料的厚度，可減少散熱損失［7］。Prasanth R［8］等對CPCL煉油廠原油蒸餾裝置加熱爐目前使用的保溫材料進行了分析，并用先進的保溫材料代替，最大限度減少通過輻射墻段的熱損失。

李振林［9］等通過以排煙熱損失、未完全燃燒熱損失和爐體散熱損失3種熱損失作為權(quán)數(shù)引出綜合指標的概念，并分析總結(jié)得出相應的計算公式，實現(xiàn)了對加熱爐在原有的單項評價指標的基礎上更加完善的評價，同時為加熱爐評價過程中對于節(jié)能點的尋找以及改造最終實現(xiàn)節(jié)能目標提供了方法。

許景陽［10］針對加熱爐爐體絕熱，利用硅酸鋁容重輕、熱導率小、耐溫高、熱穩(wěn)定性好和抗震性強等物理特性，認為是絕佳的耐火纖維絕熱材料，將是減少爐體散熱損失的發(fā)展方向。

2.2 煙氣排放損失

煉油加熱爐的煙氣排放損失主要有排煙熱損失和氣體不完全燃燒熱損失2種。加熱爐煙氣排放過程中會攜帶大量的熱量，在煉油加熱爐中所占的比例大約在5%～7%，但在全部熱損失中占的比例高達50%以上，加熱爐節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵在于如何減少排放損失。

有經(jīng)驗表明，同等條件下，排煙溫度每升高10℃，熱損失增加0.5%～0.8%，但露點腐蝕的限制為降低排煙溫度增加了難度［12］。降低加熱爐排煙溫度最有效的方法是增設或改造空氣預熱器，用煙氣余熱加熱入爐空氣，從而使熱量回至加熱爐達到重復利用的目的［13］。

Yu Zhou［14］等通過高溫空氣燃燒（HTAC）技術(shù)（又稱蓄熱式燃燒技術(shù)）實現(xiàn)了節(jié)能、CO2、NOx減排和低噪聲燃燒，在各類中大型加熱爐中應用廣泛，取得良好效果，但在小型爐上的應用較少。

張霞等［15］對富氧燃燒技術(shù)在加熱爐上應用過程中的節(jié)能特性及減排性能進行了重點分析，認為富氧燃燒方式較傳統(tǒng)燃燒方式具有節(jié)能、增加煙氣輻射能力、增加產(chǎn)量等優(yōu)點。

吳黎明［16］等認為富氧燃燒可以使燃燒產(chǎn)生的煙氣中CO2的濃度達到90%以上，高濃度的CO2可有效改善加熱爐受熱面的傳熱，同時可以減少NOx和SO2等的排放。

2.3 過?？諝庠斐傻臒釗p失

在保證加熱爐正常燃燒的前提下，應當盡量減少通入加熱爐的空氣量，最終減少空氣從加熱爐中帶走的熱量。尤勇［17］通過對空氣過剩系數(shù)影響因素的分析，開展了加熱爐運行狀態(tài)優(yōu)化試驗，通過測試和分析過?？諝庀禂?shù)與排煙熱損失和加熱爐熱效率之間的關(guān)系，討論了過?？諝庀禂?shù)對加熱爐熱效率的影響，并給出了最佳的過?？諝庀禂?shù)適用范圍，同時創(chuàng)造了較高經(jīng)濟效益。

王復越［18］分別對富氧量與煙氣回流量對試驗爐內(nèi)溫度分布、爐內(nèi)流場變化、煙氣排放、污染物NOx生成的影響及變化規(guī)律進行了分析與對比，認為富氧空氣助燃對爐膛內(nèi)部起到提升爐溫的作用，但煙氣回流量對爐膛內(nèi)不僅起到均勻化爐內(nèi)溫度分布的作用，而且可以抑制局部溫度過高、增大高湍流強度、增強對流換熱的效果，同時，爐內(nèi)生成輻射能力較強氣體中三原子分子濃度大幅升高，爐氣的輻射換熱能力也得到大幅度提高。

Huang Mingming［19］等為促進MILD方案在爐內(nèi)的應用，在高熱值下，評估過量空氣系數(shù)對MILD燃燒的影響，同時觀察到過量空氣系數(shù)對氣體再循環(huán)、熱均勻性和減少廢氣排放有積極作用。

Benmenine，D.a，b［20］等通過考察空氣預熱溫度和過量空氣系數(shù)對燃燒過程的影響發(fā)現(xiàn)，當過量空氣系數(shù)或空氣預熱溫度升高時，溫度場變得更加均勻。

3 節(jié)能研究進展

3.1 空氣預熱器節(jié)能

空氣預熱器作為加熱爐降低排煙溫度、提高加熱爐熱效率的重要設備，主要在煉油行業(yè)起到節(jié)能減排的作用。逯紅江［21］對原熱管式空氣預熱器在實際運行中存在的熱管外表面翅片積灰結(jié)垢、熱管失效、低溫段腐蝕失效等問題進行了比較深入的分析，通過分析和對比，總結(jié)得出了玻璃板管式空氣預熱器在節(jié)能方面具有優(yōu)勢。

V.A.Naletov［22］對加熱爐和用于空氣預熱的多通回熱換熱器組成進行了系統(tǒng)的研究并總結(jié)得出了在推薦的運行條件下，帶有加熱爐和回熱換熱器的系統(tǒng)中的總（火用）損失減少和節(jié)能經(jīng)濟性的結(jié)論，為加熱爐空預器研究提供了節(jié)能依據(jù)。

潘琦琨［23］針對加氫裂化裝置加熱爐熱管空氣預熱器存在效率低的問題，通過采用水熱媒技術(shù)予以有效的解決，保障了裝置長周期高效運行。

李保良和王景堂［24］將空氣預熱器由原熱管式改造為組合式，即高溫段采用不銹鋼板式模塊而低溫段采用玻璃管模塊，實現(xiàn)了排煙溫度可調(diào)節(jié)，檢修期間方便拆卸維護。

3.2 強化輻射管傳熱

通過對爐膛內(nèi)傳熱過程的分析，認為影響輻射傳熱過程的關(guān)鍵因素主要有爐襯與工件的比表面積（可由輻射傳熱角系數(shù)表示）、熱輻射場的空間分布（可由傳播路徑表示）、爐襯輻射發(fā)射率（可由黑度表示）。將新型陶瓷基復合材料及特殊工藝制成的熱輻射體安置于爐膛耐火層表面適當部位，不僅使爐襯的輻射傳熱面積增加，還可以提高熱射線的集中度，增加工件表面受熱熱流密度，而使爐膛工件輻射傳熱效率提高，實現(xiàn)節(jié)能目的［25］。

張志誠［26］等通過對強化輻射對工業(yè)加熱爐內(nèi)傳熱過程的影響的研究，認為在保持燃料量不變的情況下，爐膛中煙氣的平均溫度值和傳熱效率會因安裝熱輻射元件強化爐壁的輻射傳熱而顯著提高；認為強化爐壁的輻射傳熱后，保持爐管內(nèi)介質(zhì)吸熱量不變，可以減少的燃料量約10%。

李治岷［27］認為加熱爐使用傳統(tǒng)的節(jié)能方法的缺陷在于爐膛內(nèi)的熱射線呈漫反射狀分布，到位率較低，爐子的熱效率低，并在此基礎引出了“黑體強化輻射傳熱節(jié)能”的機理，該節(jié)能機理的優(yōu)勢在于可以使能耗在現(xiàn)有材料輕型化和減少蓄熱散熱損失的基礎上再降低20%～30%，并在大量實踐中得以應證。

盧國楷［28，29］等利用“多孔介質(zhì)的對流—輻射能量轉(zhuǎn)換效應”來強化輻射傳熱，在加熱爐中加裝多孔介質(zhì)后，相比加裝無多孔介質(zhì)，爐內(nèi)溫度明顯升高，排煙溫度顯著降低，該機理為燃燒、高溫換熱和高溫化學反應裝置等的節(jié)能設計提供了依據(jù)。

3.3 高效燃燒器技術(shù)

高效燃燒器又稱為高強度燃燒器，其具有能量大、燃燒穩(wěn)定、燃燒完全、火焰瘦短溫度高、噴口煙氣速度高等特點，不論從其本身設計制造的經(jīng)濟性，還是從安全、環(huán)保、節(jié)能的角度考量，都可以實現(xiàn)生產(chǎn)能力的提高。

趙仲慧［30］通過對高效燃燒器在管式加熱爐上使用情況的介紹，以及對其在運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的問題的試驗和分析，還有對設計和運行中應注意的事項的討論，為高效燃燒器在加熱爐領(lǐng)域的使用提供了重要的借鑒。

S.Sanaye［31］通過對新型高效燃燒器技術(shù)在4個產(chǎn)業(yè)群27個研究行業(yè)當前替代低效燃燒器運行的情況評估，表明目前運行的燃燒器約有57萬個，其中66%（約38萬個燃燒器）可以被高效燃燒器代替。此外，經(jīng)濟性角度分析表明，在水泥、石灰、磚塊生產(chǎn)等非金屬礦物行業(yè)和鑄造等金屬行業(yè)中，以高效燃燒器替代舊燃燒器會產(chǎn)生非常可觀的經(jīng)濟效益。

劉發(fā)起等［32］設計的內(nèi)混式高效空氣霧化油燃燒器，具有霧化粒度細、燃燒完全、火焰剛直集中、噴嘴不結(jié)焦等特征，該設計為管式加熱爐中在燃燒器上的選擇提供了新的思路。

Shuhn-Shyurng等［33］通過對旋流、裝填高度以及半受限燃燒火焰參數(shù)對旋流氣體燃燒器熱效率和CO排放的影響的考察表明，相比常規(guī)徑向流燃燒器，旋流燃燒器具有更高的熱效率和更低的CO濃度排放。

4 結(jié)束語

煉油加熱爐作為石油煉制行業(yè)中主要的能源消耗環(huán)節(jié)，發(fā)展煉油加熱爐節(jié)能技術(shù)，是降低石油煉制行業(yè)能耗的關(guān)鍵，對于中國“碳達峰、碳中和”目標的實現(xiàn)具有重要意義。

爐體散熱損失、煙氣排放損失以及空氣過剩造成的熱損失是煉油加熱爐熱損失的3個主要方面。其中，煙氣排放損失占熱損失總量的50%以上?？諝忸A熱器、強化輻射管傳熱以及高效燃燒器技術(shù)是降低煉油加熱爐能耗的3種主要途徑，從降低排煙溫度、強化爐內(nèi)傳熱、提高燃燒效率等方面降低煉油加熱爐熱損失，指明了未來新建或改造煉油加熱爐的技術(shù)方向。