影響加熱爐效率因素分析與整改措施

陳梟杰（吐哈油田分公司甲醇廠）

影響加熱爐效率因素分析與整改措施

陳梟杰（吐哈油田分公司甲醇廠）

管式加熱爐、轉(zhuǎn)化爐是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化最重要的加熱和反應(yīng)設(shè)備之一，熱效率的高低、燃料的節(jié)約與生產(chǎn)的成本有著密切的關(guān)系。吐哈油田甲醇廠影響加熱爐、一段轉(zhuǎn)化爐熱效率的主要因素是排煙熱損失、爐體散熱損失和過剩空氣系數(shù)。通過優(yōu)化整改措施，如降低一段爐出口溫度，提高氧氣利用率；降低排煙溫度；減小過剩空氣系數(shù)；提高了轉(zhuǎn)化爐效率，實(shí)現(xiàn)了甲醇裝置的節(jié)能增效。

加熱爐 熱效率 措施 降耗增效

吐哈油田24×104t/a甲醇裝置，是在原8×104t/a甲醇裝置基礎(chǔ)上改擴(kuò)建而成，于2006年10月投產(chǎn)。采用一段轉(zhuǎn)化爐、純氧二段蒸汽轉(zhuǎn)化工藝制取甲醇合成氣、Lu r g i低壓合成甲醇、三塔精餾制取精甲醇。其中加熱爐、一段轉(zhuǎn)化爐是燃燒低壓天然氣的主要能耗設(shè)備。一段轉(zhuǎn)化爐采用側(cè)燒、梯臺(tái)式負(fù)壓爐，易于控制，適合于制甲醇合成氣。由于采用了二段轉(zhuǎn)化爐，所以一段轉(zhuǎn)化爐的熱負(fù)荷較低，操作比較溫和。一段轉(zhuǎn)化爐輻射段為天然氣汽化初步反應(yīng)提供熱量。對流段設(shè)有輔燒和利用煙氣余熱加熱工藝介質(zhì)的九組盤管，其作用是對原料、鍋爐給水預(yù)熱，產(chǎn)生過熱蒸汽。一段轉(zhuǎn)化爐設(shè)計(jì)的排煙溫度為136℃。管式加熱爐是一臺(tái)燃?xì)夤I(yè)爐，為預(yù)熱后的天然氣燃燒提供熱量，在爐內(nèi)對混合氣預(yù)熱、原料氣以及鍋爐給水加熱。爐設(shè)計(jì)的排煙溫度為140℃。

1 存在的問題

甲醇裝置在實(shí)際運(yùn)行中主要存在如下問題：以2010年8月6日裝置某點(diǎn)實(shí)際生產(chǎn)情況為例,其進(jìn)料量為滿負(fù)荷1700m3/h（標(biāo)況），測得排煙溫度（158℃）、煙氣氧含量、煙氣中一氧化碳含量，計(jì)算兩列反應(yīng)加熱爐的熱效率為88.9%，一段爐熱效率為79.6%，熱損耗占到18.17%，轉(zhuǎn)化爐熱效率明顯偏低。天然氣實(shí)際單耗1135m3/t，高于設(shè)計(jì)指標(biāo)1050m3/t。為此必須提高工業(yè)爐熱效率，實(shí)現(xiàn)降耗增效。

2 影響加熱爐效率因素分析

加熱爐的熱效率將直接影響其燃料氣消耗，而影響爐子熱效率的主要因素是：排煙熱損失、爐體散熱損失和過剩空氣系數(shù)。爐體散熱損失與爐膛操作溫度、爐膛負(fù)壓、爐體外表面溫度、爐子設(shè)計(jì)、內(nèi)襯保溫材料性能有關(guān)，影響相對固定[1]。以下對幾項(xiàng)因素分別加以分析。

2.1 排煙溫度

排煙熱損失是鍋爐的主要熱損失之一,可達(dá)10%～20%。排煙熱損失主要取決于排煙溫度和排煙容積。排煙溫度測評加熱爐、一段爐總熱效的主要指標(biāo)。排煙溫度高，煙氣帶走的熱量多，熱損失大，熱效率低，甚至導(dǎo)致爐管破裂、煙道損壞等。但是排煙溫度過低經(jīng)濟(jì)上是不合理的，甚至技術(shù)上是不允許的。要避免尾部受熱面受煙氣低溫露點(diǎn)腐蝕，排煙溫度也不宜過低[2]。甲醇廠燃料天然氣中硫含量比較低，設(shè)計(jì)指標(biāo)為：一段爐138℃、加熱爐140℃。實(shí)際生產(chǎn)中由于原料氣的波動(dòng)和操作不好一段爐煙氣出口溫度處于158℃左右，超過設(shè)計(jì)值138℃。調(diào)節(jié)排煙溫度的主要手段包括:調(diào)節(jié)煙道擋板的開度和調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度。一段轉(zhuǎn)化爐、加熱爐熱效率低，其中一段爐排煙溫度高于設(shè)計(jì)指標(biāo)約10℃，熱損失大，造成天然氣耗量增加。

2.2 爐膛溫度

爐膛溫度是加熱爐的重要工藝操作指標(biāo),也是保證加熱爐長周期安全運(yùn)行的指標(biāo)之一。該溫度是指煙氣離開輻射室的溫度，代表爐膛內(nèi)的煙氣溫度。該裝置加熱爐在爐膛內(nèi)安裝有多點(diǎn)熱電偶，測量并控制爐膛溫度。操作時(shí)，主要改變?nèi)剂显跔t膛內(nèi)的燃燒狀況、火嘴分布，合理控制燃料流量和空氣量及壓力來保持爐膛合適溫度，確保燃料在爐膛內(nèi)的充分燃燒及爐管內(nèi)的介質(zhì)加熱到指定溫度。

2.3 爐出口溫度

天然氣與高溫水蒸氣在一段爐輻射段轉(zhuǎn)化管鎳催化劑的作用下發(fā)生強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，由于采用了二段轉(zhuǎn)化工藝，一段爐設(shè)計(jì)出口溫度僅為687.5℃，所以一段轉(zhuǎn)化爐的熱負(fù)荷較低，相對于普通的一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐操作溫度830~935℃，其操作比較溫和。轉(zhuǎn)化反應(yīng)主要集中在二段爐內(nèi)，一段爐只需維持催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的最低溫度就可以了。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：主裝置運(yùn)行負(fù)荷低于90%時(shí)，若按照設(shè)計(jì)指標(biāo)控制一段爐出口溫度在680℃，二段爐出口溫度在958℃，會(huì)出現(xiàn)低壓天然氣耗量增加，部分氧氣放空的現(xiàn)象。因此負(fù)荷降低時(shí)應(yīng)該適當(dāng)調(diào)整一段爐出口溫度，增加氧氣加入量。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)吐哈油田甲醇廠供氣在70%~90%負(fù)荷之間波動(dòng)，需要及時(shí)優(yōu)化操作，降低能耗。

該溫度的高低直接影響到與爐管內(nèi)物料反應(yīng)，決定產(chǎn)品質(zhì)量及反應(yīng)器的操作穩(wěn)定與否。溫度過高，會(huì)使物料在爐管內(nèi)可能析碳結(jié)焦甚至燒壞爐管。操作中主要通過保證燃料性質(zhì)平穩(wěn)，確保燃料總管壓力穩(wěn)定，合理分布火嘴，控制加熱爐入口溫度及進(jìn)料流量、組成等手段，將爐出口溫度控制合適且保持其平穩(wěn)。

2.4 爐膛負(fù)壓

通過監(jiān)視和控制爐膛負(fù)壓可保證爐內(nèi)燃燒工況的穩(wěn)定并分析爐內(nèi)燃燒工況、煙道運(yùn)行工況，分析某些事故的原因。若爐膛負(fù)壓過大，漏風(fēng)量、風(fēng)機(jī)能耗、不完全燃燒損失、排煙熱損失均增大，甚至導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定或加熱爐熄火等現(xiàn)象；而若爐膛負(fù)壓過小，甚至變?yōu)檎龎海瑫?huì)導(dǎo)致火焰及飛灰將從爐膛不嚴(yán)處冒出，甚至造成回火現(xiàn)象，進(jìn)而惡化工作環(huán)境并危及人身、設(shè)備安全。故而根據(jù)該加熱爐的特點(diǎn)，參考火焰燃燒情況、排煙溫度、過剩空氣系數(shù)、壓力等，調(diào)節(jié)煙道擋板開度或風(fēng)機(jī)流量，將爐膛負(fù)壓控制在指標(biāo)范圍內(nèi)，該加熱爐的過渡段負(fù)壓控制在-0.05 k Pa，一段爐對流段頂負(fù)壓控制在－1.2k Pa。

2.5 煙氣氧含量

煙氣氧含量的高低直接影響到加熱爐的熱效率及安全平穩(wěn)運(yùn)行。煙氣氧含量高，熱效率低，爐管易氧化；煙氣氧含量低，容易造成不完全燃燒。過剩空氣系數(shù)太小，燃料燃燒不完全，甚至?xí)斐啥稳紵贿^剩空氣系數(shù)太大，入爐空氣太多，爐膛溫度下降，傳熱不好，煙道氣量多，帶走熱量多。影響過剩空氣系數(shù)因素主要包括：燃料性質(zhì)、燃燒器的操作、空氣量、煙道擋板的開度、爐體密封性等[3]。另外,加熱爐的進(jìn)料流量、爐體密封的好壞、燃燒器的操作與維護(hù)等情況都會(huì)影響加熱爐的熱效率。

影響排煙容積大小的因素有煙道出口過量空氣系數(shù)α、煙道各處的漏風(fēng)量及燃料所含水分。煙道漏風(fēng)嚴(yán)重，過量空氣系數(shù)大，燃料水分高，這些都會(huì)增大排煙容積，排煙熱損失就增加。

3 整改措施

針對以上影響加熱爐、一段爐熱效率原因分析后，對提高加熱爐、一段爐熱效率主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了調(diào)節(jié)和優(yōu)化。

3.1 降低一段爐出口溫度，提高氧氣利用率

將降低一段爐出口溫度降至轉(zhuǎn)化反應(yīng)所要求的最低溫度，由設(shè)計(jì)680℃降至650℃。通過提高二段爐內(nèi)加氧氣量，保證二段爐出口溫度，從而保證了殘余甲烷含量達(dá)標(biāo)的同時(shí)，減少了氧氣放空，充分發(fā)揮了制氧裝置的產(chǎn)能。不影響轉(zhuǎn)化新鮮氣品質(zhì)，減少了一段爐燃料消耗，進(jìn)一步降低了轉(zhuǎn)化爐膛溫度，減少了熱損失。一段爐內(nèi)反應(yīng)溫和，更有利于操作溫室性，避免了因爐溫波動(dòng)造成的熱損，有利提高加熱爐熱效率。

3.2 降低排煙溫度

通過認(rèn)真研究爐子各組盤管，我們發(fā)現(xiàn)通過降低給水盤管溫度，可以降低一段爐和加熱爐的排煙煙氣溫度，從而提高煙氣熱量回收率。具體措施如下：開大H X202B副線閥門，減少進(jìn)入H X202B轉(zhuǎn)化工藝氣冷卻介質(zhì)，從而增加了直接進(jìn)入一段爐、加熱爐的鍋水量，使經(jīng)過轉(zhuǎn)化爐鍋爐水預(yù)熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐、加熱爐對流段盤管的給水溫度降低，提高轉(zhuǎn)化爐對流段鍋爐水與煙氣溫差，回收更多的煙氣余熱。同時(shí)由于進(jìn)入H X202B轉(zhuǎn)化工藝氣冷卻介質(zhì)減少，轉(zhuǎn)化熱量發(fā)生后移至精餾系統(tǒng)，精餾系統(tǒng)加壓塔和預(yù)塔的熱負(fù)荷提高，可以減少轉(zhuǎn)化系統(tǒng)為提高精餾熱負(fù)荷補(bǔ)入的中壓蒸汽。通過這樣的調(diào)節(jié)，補(bǔ)入精餾的中壓蒸汽量下降了2.5 t/h。一段爐排煙溫度降低8℃，加熱爐排煙溫度也有所下降。

3.3 控制過剩空氣系數(shù)

在裝置負(fù)荷變化時(shí)，結(jié)合季節(jié)、環(huán)境溫度做好一段爐和加熱爐的風(fēng)門、煙道擋板的微量調(diào)整，減小過剩空氣系數(shù)。根據(jù)不同的負(fù)荷，及時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)門、煙道擋板開度，保證燒嘴燃燒完全、燃燒效果良好。委托吐哈環(huán)境檢測中心定期對轉(zhuǎn)化爐、加熱爐燃燒煙氣進(jìn)行分析，檢測煙氣組分中的氧氣、二氧化碳含量，并對過剩空氣系數(shù)和燃燒熱效率進(jìn)行了核算。根據(jù)核算結(jié)果及時(shí)校正燃燒嘴的風(fēng)門。

3.4 減少一段爐熱損失

加強(qiáng)密封，關(guān)閉漏風(fēng)的窺火孔，根據(jù)負(fù)荷變化，及時(shí)調(diào)整風(fēng)門和煙道擋板；增加鐵皮圍欄，用保溫棉覆蓋高溫爐管上封頭，增加對流段爐管上端的保溫棉厚度。經(jīng)常觀察爐內(nèi)運(yùn)行情況，減少加熱爐熱量損失，確保加熱爐燃燒狀態(tài)良好。

3.5 對一段爐進(jìn)行維修

1）修復(fù)爐膛襯里，利用檢修停工期間，進(jìn)入一段內(nèi)爐膛，將運(yùn)行期間受損的耐火澆注料修復(fù)，以減少爐壁散熱損失。

2）逐個(gè)清理燒嘴積碳，消除阻塞。改善燃燒器燃燒狀況，有利于火焰燃燒穩(wěn)定，爐膛溫度均勻，避免火焰偏燒或舔管。

3）檢查變形的燒嘴磚，重新砌筑破裂部分。4）修復(fù)斷裂變形的對流段支撐鋼結(jié)構(gòu)，使?fàn)t內(nèi)受熱更合理。

4 效果評估

通過合理控制排煙溫度、爐膛溫度、爐出口溫度、爐膛負(fù)壓、煙氣氧含量、進(jìn)料流量，做好爐體密封、燃燒器的操作與維護(hù)等來提高加熱爐熱效率，一段爐、加熱爐的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)趨向良好。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、分析結(jié)果見表1。

表1 21000m3/h（標(biāo)況）負(fù)荷下低壓天然氣耗量

5 結(jié)論

一段爐、加熱爐熱效率由79.6%、88.9%提高至84.04%、91.86%。低壓天然氣耗量逐月下降,以負(fù)荷21000m3/h（標(biāo)況）余熱發(fā)電為4000k W h的工況計(jì)，每年3—10月生產(chǎn)，考慮每年一次開工損耗，年內(nèi)低壓天然氣平均耗量為4659m3/h，遠(yuǎn)小于去年6304 m3/h的水平，年節(jié)約成本947.72×104元，取得了良好的節(jié)能效果。

[1]宋維端,肖任堅(jiān),房鼎業(yè).甲醇工學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1991:13-35.

[2]代有凡.石油化工廠設(shè)備檢修手冊（加熱爐）[M].北京：中國石化出版社,1995:432-462.

[3]劉運(yùn)桃.管式加熱爐技術(shù)問答[M].2版.北京:中國石化出版社,2005:1-2.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.03.017

陳梟杰，1997年畢業(yè)于西安石油大學(xué)，工程師，從事石油天然氣化工方面的研究，E-mail：chenxiaojie@petrochina.com，地址：新疆鄯善火車站鎮(zhèn)吐哈油田甲醇廠，838202。

2012-01-28)