管式加热炉的节能技术分析

摘要:介绍了影响加热炉热效率的因素,针对重整装置加热炉运行过程中炉效率偏低的现象分析了原因;分析降低加热炉的可采取的措施,同时对将来的节能方向做了展望。

关键词:管式加热炉 炉效 节能

中图分类号:TB47 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)03(a)-0050-02

随着工业化的发展,石油作为重要的能源形式,带动了石油炼制、石油化工等整个石化行业的发展。到目前为止,石化行业都已经世界经济中一个举足轻重的部门。在这些行业中,目前主要使用的工艺介质加热炉是管式炉,它具有以下主要特点。

由于在管内流动,故被加热介质仅限于气体和液体.通常这些气体或液体通常都是易燃易爆的烃类物质,具有较大的危险性,操作条件比较苛刻。加热方式主要为直接式,燃料为液体或气体,运转周期长,连续不间断操作。

石化行业最初的介质加热设备是具有相当不安全隐患的间歇式操作的“釜式蒸锅”,管式加热炉的出现,开创了“连续安全管式蒸馏”的新时代,这也使得大规模、超大规模石化企业的出现成为可能,因此可以说,管式加热炉具有化时代的意义。炼油工业采用管式加热炉始于20世纪初,经历了以下几个主要阶段。

堆形炉,它参考釜式蒸锅的原理。吸热面为一组管束,管子间的联接弯头也置于炉中,由于燃烧器直接装在管束下方,因此炉子各排管子的受热强度不均匀,当最底一排管受热强度高达50000～70000kcal/m2·h,最顶排管子却不到800～1000cal/m2·h,因此底排管常常烧穿,管间联接弯头也易松漏引起火灾。

纯对流炉,当时认为是因为辐射热太强了,于是改为用纯对流炉。全部炉管都装在对流室内,用隔墙把对流室与燃烧室分开,避免炉管受到火焰的直接冲刷。然而,操作中又发现对流室顶排管经常烧坏,而且炉管受热仍然很不均匀。这是因为高温燃烧烟气在进入对流一之前未能和一个吸热面换热,在对流室入口处温度高达1000多℃之故。

辐射对流炉,后来人们发现,在燃烧室内安装一些炉管,一方面可取走部分热量降低烟气温度,解决对流室顶管的过热烧坏问题;同时可利用高温辐射传热强度大的特点,节省上炉管,缩小炉子体积。这样,具有辐射室和对流室的管式加热炉开始出现了,其初期代表为箱式炉。

目前管式加热炉技术发展很快,它对于石油炼制和化工工艺的进步起到了很大的推动作用。可以毫不夸张地说,管式加热炉几乎参与了各类工艺过程。尤其在制造乙烯、氢气、氨等工艺过程中,它成为进行裂解或转化反应的心脏设备,支配着整个工厂或装置的产品质量、产品收率、能耗和操作服役期等。因此,认真总结加热炉的设计,计算和操作,维修经验就显得十分必要了。管式加热炉的燃料消耗在石油化工装置能耗中占60%～80%,因此,提高管式加热炉的热效率,减少燃料消耗,对降低装置能耗具有十分重要的作用。

热效率是衡量管式炉先进性的一个重要指标。它关系着石油化工装置能耗的高低,20个世纪70年代的以前,管式炉的热效率仅为60%～75%。提高管式炉的热效率就意味着节省燃料,这是大家所熟知的,但是大家不太熟悉的是,燃料节省的比率一般都比提高的热效率高,而且原热效率越低,这个差值就越大。随着能源的消耗和短缺,提高管式加热炉热效率,节约能耗和长周期保持加热炉运行较高的水平是当前急待解决的问题。

目前主要有以下一些节能的途径和措施。

(1)优化装置的换热系统管式加热炉的热负荷大小,随装置换热流程的不同而变化,在处理能力不变的情况下,减少管式加热炉的热负荷,可减少其加热炉的燃料用量。如果将一个管式加热炉的热负荷降低10%,当此加热炉的热效率为80%时,从燃料消耗量考虑,相当于将原管式加热炉的热效率提高8.9%,管式加热炉的热效率越高,减少热负荷相应使管式加热炉热效率值提高的就越大。通过改进工艺流程,提高入炉物料温度等措施,可使管式加热炉的热负荷得到减少,从而达到节约能源的目的。

(2)联合回收余热装置一般的重沸炉或分馏炉,其介质入炉子的温度不高,通常采用对流-辐射炉型。它们之间应该采取联合回收余热的方案:一种是让分馏炉的被加热介质先进反应炉对流室,再进分馏炉的对流室;另一种是将反应炉的热烟气引入分馏炉的对流室入口处,分馏炉的对流室变成两炉共用。这样两炉的排烟温度都会大大降低,提高了总热效率,减少了燃料消耗。

(3)降低排烟温度减少排烟热损失就可以提高热效率。值得指出的是,排烟损失在管式炉的热损失中占有极大的比例。当炉子的热效率较高(例如为90%)时,排烟损失占总损失的70%～80%;当炉子热效率较低(例如70%)时,排烟损失占总损失的比例高达90%以上。降低排烟温度的主要措施有以下几种。

①减少末端温差,即减少对流段出口温度与被加热价值入对流段温度之差,这项措施涉及到一次投资额运转费用的权衡问题。

②用各种空气预热器预热空气,采用空气预热器的优点在于它自成体系,不受工艺流程的约束。在管式炉其他参数不变的情况下,空气温度每提高20℃,炉子热效率提高约一个百分点。但是,随着空气温度的提高,燃烧产物中的NOX增加,如果没有合适的措施来降低NOX,则对环保是不利的,另外,空气温度过高,还可能引起燃油喷头结焦或燃料器结构变形烧坏等。用空气预热空气是管式加热炉回收烟气余热,提高热效率的主要方法,也是常用的方法。目前较常用的先进的空气预热器为热管空气预热器和水热媒空气预热器。

热管空气预热器是利用热管技术,制造的利用热烟气余热加热冷空气的换热设备。其工作原理热管换热器是一种利用高温流体余热加热低温流体的换热设备。换热器中的热管一般由管壳和内部工作液体组成。热管受热侧吸收高温流体热量,通过热管壁传给管内工质,工质吸热后沸腾和蒸发,转变为蒸汽。蒸汽在压差作用下上升至放热侧,受管外低温流体的冷却,蒸汽冷凝并向外放出汽化潜热,低温流体获得热量,冷凝液靠重力回到受热侧。如此周而复始,高温流体热量便传给低温液体,加热低温流体。但是,在预热器使用过程中不凝汽的积聚是不可避免的问题,常常会引起露点腐蚀,有时即使在正常的排烟温度下,在烟气出口侧最后几排热管也存在低温露点腐蚀,根据传热学知道,烟气侧壁温主要与冷,热流体的温度,传热系数及换热面积有关,它与热流体的温度,换热系数,面积及冷流体的温度成正比,而与冷流体的传热系数和面积成反比。当冷热侧传热系数和换热面积基本一定的情况下,在冷流体温度较低时,烟气侧壁温就有可能在露点温度以下,而发生露点腐蚀。而解决露点腐蚀问题需要合理的控制排烟温度;对空气风道进行旁路设计,当烟气温度较低或环境温度较低时,可将部分换热后空气混合捣冷空气中,以提高空气的入口温度。

水热媒空气预热器利用除氧水或除盐水作热媒,建立一个闭路循环系统。热媒水通过放置在加热炉对流室出口的烟气换热器吸收烟气的热量,再通过布置子在鼓风机出口的空气预热器放出热量,加热空气,如此循环将烟气热量传递给加热炉所需要的空气。其主要有以下特点:(1)水热煤空气预热器进烟气换热器的热媒温度均控制在130℃以上,即使加热炉负荷降低排烟温度也将高于水热煤的进口温度;烟气侧最低管壁温度均高于水热煤进口温度,即高于露点温度,较好地适应加热炉负荷变化;(2)设置了旁路调节系统,只要将控制回路中进烟气换热器的热媒水温度提高,即可使烟气侧最低管壁温度高于露点温度,从而适应燃料的变化;(3)在加热炉短时间操作异常,进空气预热器温度高于正常设计时,水热煤空气预热器不会发生像热管式空气预热器的热管失效甚至爆管的现象。水热煤空气预热器总管设有安全阀,当热媒水的压力高于设定值时,安全阀自动起跳,确保设备安全。

但是水热煤空气预热器与热管空气预热器都有不足之处:热管空气预热器操作弹性小,且难适应燃料的变化,容易造成露点腐蚀,所以排烟温度不能定得太低;水热煤空气预热器流程较长,操作复杂,用于热负荷小的加热炉时,投资成本高。

③用烟气余热锅炉产生蒸汽在连续重整四合一炉上,热负荷较大,为了减少压降又不能在对流段排炉管,只能将对流室作为烟气余热锅炉。

④去灰除垢保证高的炉热效率加热炉不完全燃烧产生的碳粒和燃料中的灰分等烟尘均会污染对流室炉管和余热回收系统的外表面,增加热阻,降低传热效果。这也将导致排烟温度升高,加剧露点腐蚀,尤其是加热炉运行周期末期,由于尾部受热面积积灰结垢的加剧,阻力降增大,加之在炉子处于满负荷时,不仅会恶化燃料条件,由于使炉子处于微正压得操作条件,使炉子满负荷运行的条件处于边缘卡边状态,使炉子的安全,稳定,高效率运行受到一定程度影响。

而要除去这些积灰,可以采取以下措施:(1)在线投用清灰剂投入到炉膛燃烧的清灰剂燃烧后,生成的碱性物质随着烟气的流动而堆积在炉管表面上,与垢污中的酸和碳酸盐去中和反应,变成无腐蚀,无粘性的硫酸盐,从管壁上自行剥落下来;(2)用吹灰器定期清除积灰;(3)干冰清洗与化学清洗停工检修时可以用来清洗对流管,能使排烟温度下降20～100,热效率也能相应的提高1%～5%。

(4)合理控制过剩空气系数加热炉是靠燃料燃烧供给热量,在工业炉中,燃料不可能在理论空气量下完全燃烧,总有一定的过剩空气量的条件下才能完全燃烧。一般炼厂加热炉过剩空气系数为1.05～1.25,如果烧燃料气,可控制低一点,为1.05～1.15。如果过剩空气系数过大,排烟时大量的过剩空气将热量带走,使排烟损失增加,热效率降低。由此可见,如果要提高炉效率,就应该在允许的范围内降低过剩空气系数。减少不完全燃烧损失。在排烟损失中,除了前面所述的物理热损失外,还有由于不完全燃烧而造成的化学热损失,引起一氧化碳含量增加。不完全燃烧损失,除了降低了热效率外,还造成了大气污染,所以应该尽量减少不完全燃烧,减少一氧化碳排放量。

(5)减少散热损失加热炉的燃料消耗除被产品带出的热力学能耗外,其余均为散热排弃至环境的损耗。由于散热,使得由外界供入的能量消耗更多,而在供入等量的有效能中又存在着各种损失,所以在一定程度上,减少散热具有现实意义。

(6)应用高温辐射涂料增强换热效果加热炉内是以辐射和对流的方式传给介质的,而靠辐射方式传递的热量占总的传热量的70%,可见辐射传热的效果如何,直接影响加热炉的效率。要想强化辐射传热,那就必须增加反辐射率,燃料燃烧所放出的化学能传达炉墙后要马上反给炉管,最总传给介质,根据这原理,在管式炉炉膛内表面喷涂高温辐射涂料,已增强辐射传热量。炉壁常用的耐火材料辐射系数小,而高温辐射涂料辐射系数大,涂抹后悔增加热源对炉壁的辐射传热量,使炉壁表面温度上升,达到增加炉管的传热量和加热炉的热负荷的目的。

重整反应进料加热炉,四炉合一,对流室设余热回收系统,用于自产3.5MPa蒸汽;其他均为圆筒炉,其烟气余热回收采取热管空气预热器的方式。开工初期运行效果不错,但是随着时间的延长,热管烟气余热回收系统的热回收率会逐渐降低,热管也可能会出现严重的腐蚀和积灰现象,影响到加热炉的热效率。重整装置共有加热炉8台,设计大部分采用油气联合型燃烧器,加热炉一直以瓦斯为燃料,加热炉燃烧器在燃烧的过程中有时候会出现火焰形状发散,火焰颜色发黄等现象,使得整个加热炉热效率偏低,瓦斯消耗量较大。另外由于重整各加热炉原设计中各火咀风门均未设计自动调节,日常生产中,靠操作人员现场手动调节,且重整各加热炉均采用一个火咀对应一个风门的设计,各加热炉火咀多风门多,现场调节难度大,限制了各加热炉运行调节的及时性,在一定程度上加大了瓦斯的消耗。

在以后的现场操作中,为了增加炉效,节约能源,可以运用以上措施,提高炉子的各方面操作,提高炉子性能,但除了这些,更重要的还得加强现场管理:如对于重整加热炉,切实做好保温,尤其一些余热锅炉段管线,阀门的保温,尤其一些新型的隔热衬里,和保温材料,加强日常检查维护,加强监测,保证炉外壁温度均匀,减少热损失,在停工检修时对炉内壁应用高温辐射涂料,降低散热损失;部分密封不严炉体漏风的地方采用纤维喷涂,以消除缝隙。加强对加热炉的日常管理,保证炉体任一部件的齐备,避免炉体引起的可能热量损失。中压蒸汽管线,高温设备的保温表面温度应定期监测,防止超标,散热损失加大。在加热炉连续运行过程中,可以应用一些新型节能燃烧器,减少不完全燃烧,燃烧器是加热炉的关键部件,选用新型节能燃烧器和改进操作,使燃烧在低过剩空气系数下进行,同时应加强对火咀的日常维护,定期拆清加热炉火嘴,保证燃烧效果。减少排烟损失还需要要加强风门和烟道挡板的管理和控制,要重视“三门一板”的优化操作。在日常操作中普遍存在点火孔不关,看火孔不盖的现象,有的炉底看火孔常开,停用燃烧器的风门仍然开着,这些都是烟气过剩氧含量偏高的原因,因此要重视“三门一板”的操作。应该根据加热炉热负荷的变化,及时调节烟道挡板的开度,控制炉膛处在合理的负压状态下。同时我们知道仪表是操作的眼睛,应该完善氧化锆分析仪及火焰视频监测系统,随时监测排烟温度、烟气氧含量及火咀的运行。

加热炉是炼油生产中的主要耗能设备,其能耗量约占全厂的一半,重整装置的加热炉消耗占装置能耗的很大一部分,因此,提高加热炉热效率,减少燃料消耗,对降低全厂能耗具有重要意义。炉子多,热负荷大,这些由重整反应是强吸热的工艺反应过程决定的。因此需要我们在平时工作中要注意操作参数的调整,紧抓加热炉的现场管理,节约能耗,提高炉效。相信在不久的将来,随着石油化工技术的发展,加热炉节能技术也必将迅速发展,在节能减耗中起到重要的作用。