影響蠟油加氫加熱爐熱效率的因素分析及節(jié)能措施

王海峰，李 明，韓永青，周彩榮

(1.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001;2.中石化洛陽分公司，河南洛陽471000)

0 引言

蠟油加氫加熱爐的熱效率是衡量加熱爐工作能力優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，它關(guān)系著石油化工裝置能耗的高低.目前加熱爐熱效率在90%左右，進(jìn)一步提高管式加熱爐熱效率，節(jié)約能耗和長期較高水平運(yùn)行是當(dāng)前亟待解決的問題之一［1-4］.

洛陽石化蠟油加氫處理裝置設(shè)計(jì)處理量220×104t/a，反應(yīng)加熱爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為125 000 kW，爐型為輻射對流型雙室單排雙面輻射臥管立式加熱爐.介質(zhì)分四路從對流段上部進(jìn)爐，經(jīng)對流段加熱后進(jìn)入輻射室，從輻射室下部出爐.輻射段爐管表面迎火面設(shè)有管壁熱電偶，以檢測爐管壁溫的變化.對流室采用高頻焊翅片管以增強(qiáng)傳熱效果.加熱爐設(shè)計(jì)負(fù)荷下的總體計(jì)算熱效率為90.5%，保證熱效率89%.

筆者以洛陽石化加氫處理裝置加熱爐現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對影響加熱爐熱效率的因素進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的節(jié)能措施，給車間節(jié)能降耗生產(chǎn)提供參考.

1 熱效率的計(jì)算原理

一般采用反平衡法計(jì)算加熱爐的熱效率［5］，計(jì)算公式如下:

式中:η為熱效率;q1，q2，q3分別為排煙熱損失，不完全燃燒熱損失，表面散熱損失;α為過剩空氣系數(shù)，對濕煙氣(氧化鋯在線分析)其值用公式(4)計(jì)算;tg為排煙溫度，℃;Δta為溫差，當(dāng)燃燒空氣利用爐子自身煙氣預(yù)熱空氣時(shí)，Δta=0;wO2為排煙中氧含量百分?jǐn)?shù)，如為5%，則式(4)代入數(shù)字5;wco為排煙中一氧化碳含量，mg/L.

通常情況下，排煙熱損失占加熱爐總熱損失的60% ～65%，加熱爐表面散熱損失q3約占3%.

2 影響加熱爐熱效率的因素分析

圖1是蠟油加氫加熱爐熱效率現(xiàn)狀圖，通過對2011年12月份至2012年5月份車間加熱爐(F5101)的熱效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與分公司平均熱效率進(jìn)行對比，結(jié)果表明，蠟油加氫加熱爐的熱效率在92.5%左右，其它裝置加熱爐的熱效率在91.3%左右，蠟油加氫反應(yīng)加熱爐的熱效率處于較好的水平，但其熱效率呈現(xiàn)總體下降水平.影響加熱爐熱效率的因素很多，而過剩空氣系數(shù)，排煙溫度，燃料燃燒狀況，爐體保溫狀況等是影響熱效率的主要因素，下面就這幾個(gè)方面進(jìn)行分析討論.

圖1 加熱爐熱效率現(xiàn)狀圖Fig.1 The status chart on the thermal efficiency of furnace

2.1 過剩空氣系數(shù)對加熱爐熱效率的影響

實(shí)際進(jìn)入爐膛的空氣量與理論空氣量之比稱為過剩空氣系數(shù).過剩空氣系數(shù)表示了入爐的實(shí)際空氣量，其值愈大，說明入爐的實(shí)際空氣量就愈大，可使燃料燃燒完全.但過剩空氣系數(shù)過大的話，會使得煙氣帶走的熱量增多，降低了加熱爐的熱效率;過剩空氣系數(shù)若過小，供氧不足導(dǎo)致燃料燃燒不完全，產(chǎn)生一氧化碳，反而會引起燃料耗量增加，所以控制適量的過剩空氣系數(shù)，對加熱爐的熱效率至關(guān)重要［6］.

加熱爐熱效率與過剩空氣系數(shù)的關(guān)系見圖2.由圖2可以看出，隨著加熱爐過剩空氣系數(shù)的增大，加熱爐的熱效率呈降低趨勢.據(jù)圖2數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，氧含量每升高1%，過剩空氣系數(shù)增加約6.3% ，而熱效率降低約0.4%.因此，為了提高加熱爐的熱效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)，就需要控制氧含量和過剩空氣系數(shù).在操作中，一般控制加熱爐的過剩空氣系數(shù)在1.1～1.25之間，氧含量在2.0～4.0之間.

2.2 CO含量對加熱爐熱效率的影響

在加熱爐中，當(dāng)存在有化學(xué)不完全燃燒反應(yīng)時(shí)，煙氣中就會產(chǎn)生可燃?xì)怏w，這些可燃?xì)怏w的主要成分是CO和H2，還可能有少量的CH4.生產(chǎn)過程中，車間常用CO含量來評定不完全燃燒的狀態(tài).圖3為加熱爐熱效率與CO含量的關(guān)系.由圖3可以看出，隨著加熱爐中CO含量升高，加熱爐的熱效率呈現(xiàn)降低趨勢.因此，降低加熱爐中CO的含量，可提高加熱爐的熱效率.據(jù)圖3數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，CO含量每升高100 mg/L，其熱效率降低約0.05%.因此，在生產(chǎn)操作中，加熱爐的CO含量需要控制在100 mg/L以下，以保證燃料充分燃燒.

2.3 排煙溫度對加熱爐熱效率的影響

在管式爐的熱損失中排煙損失占有極大的比例.當(dāng)爐子的熱效率較高(例如為90%)時(shí)，排煙損失占總損失的60% ～65%;當(dāng)爐子的熱效率較低(例如70%)時(shí)，排煙損失占總損失的比例高達(dá)90%以上.圖4是加熱爐熱效率與排煙溫度的關(guān)系.

由圖4可以看出，隨著加熱爐排煙溫度升高，加熱爐的熱效率呈降低趨勢.據(jù)圖4進(jìn)行估算，排煙溫度每升高5℃，熱效率降低約0.25%.因此，降低加熱爐排煙溫度，可提高加熱爐的熱效率.但若排煙溫度過低，在空氣預(yù)熱器等余熱回收設(shè)備的換熱管面上就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的低溫露點(diǎn)腐蝕，短時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，換熱管束就會被嚴(yán)重腐蝕穿孔，使加熱爐不能正常運(yùn)行.綜合以上考慮，在生產(chǎn)操作過程中加熱爐的排煙溫度一般控制在125～135℃為宜.

圖4 加熱爐排煙溫度對熱爐熱效率的影響Fig.4 The influence of flue gas temperature on the thermal efficiency of furnace

2.4 其它因素對加熱爐熱效率的影響

2.4.1 爐管結(jié)焦

結(jié)焦是爐管內(nèi)的油品溫度超過一定界限后發(fā)生熱裂解，變成游離炭，堆積到爐管上的現(xiàn)象.爐管內(nèi)壁結(jié)上一層焦炭以后，造成加熱爐輻射室和對流室的熱阻增加，導(dǎo)熱系數(shù)減小，使得管壁溫度升高.其后，氣相和液相油品繼續(xù)滲透到焦層的孔隙中去，繼續(xù)結(jié)焦，逐漸形成越來越厚的堅(jiān)實(shí)焦層，使管壁溫度最終升高到允許值以上.爐管結(jié)焦不僅降低了加熱爐效率，而且損害爐管使用壽命［7］.

2.4.2 表面散熱損失

正常生產(chǎn)過程中，由于加熱爐溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，有一部分熱量以輻射傳熱方式散發(fā)出去，造成熱效率降低3%左右.如果保溫棉損壞，爐管外露，或者設(shè)備損壞密封不嚴(yán)，這部分損失將更大［8］.

3 提高熱效率的措施

針對以上分析，可從以下幾個(gè)方面提高加熱爐的熱效率.

(1)在保持完全燃燒的情況下，降低過剩空氣系數(shù)，將三門一板調(diào)節(jié)恰當(dāng).

(2)合理控制一氧化碳含量，盡可能使燃料氣完全燃燒.燃料不完全燃燒，除了降低熱效率外，還會造成大氣污染，所以應(yīng)該盡量減少不完全燃燒，減少一氧化碳的排放量.

(3)從熱效率和露點(diǎn)腐蝕兩方面綜合考慮，排煙溫度不應(yīng)太高，空氣預(yù)熱器采用耐腐蝕材料，燃料氣應(yīng)控制硫含量.

(4)加強(qiáng)設(shè)備管理，定時(shí)巡檢，勿使?fàn)t壁耐火層有裂縫，塌陷等.盡量減少彎頭箱及人孔，及時(shí)更換、修復(fù)損壞的設(shè)備和附件，裝置的外露部分要加強(qiáng)保溫，減少散熱損失.

(5)防止?fàn)t管結(jié)焦.利用裝置檢修對加熱爐進(jìn)行爐管材料升級，對流段的爐管進(jìn)行清洗，輻射室大檢修時(shí)燒焦和洗鹽垢等.裝置檢修改造后加熱爐效率有明顯提高.對流室加強(qiáng)吹灰，自動(dòng)吹灰，提高熱效率.

(6)加強(qiáng)精細(xì)管理，例如現(xiàn)場及時(shí)調(diào)整風(fēng)門，定期清理火嘴，定期對燃料氣管線氣密等.

(7)在加熱爐現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，如前階段鼓風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)下裝變頻器，對于加熱爐操作，熱效率提高都有很大改觀［9］.

4 結(jié)論

(1)根據(jù)生產(chǎn)中獲得實(shí)際數(shù)據(jù)，對影響石化蠟油加氫加熱爐的熱效率的因素進(jìn)行了分析，在正常生產(chǎn)過程中，加熱爐熱效率主要受過剩空氣系數(shù)，排煙溫度，一氧化碳等因素影響.據(jù)估算，氧含量每升高1%，過剩空氣系數(shù)增加約6.3%，熱效率降低約0.4%;一氧化碳含量每升高100 g/m3，熱效率降低約0.05%;排煙溫度每升高5℃，熱效率降低約0.25%.

(2)為了提高加熱爐效率和達(dá)到節(jié)能減耗的目的，實(shí)際生產(chǎn)操作中，控制氧含量在2% ～4%，在此基礎(chǔ)上盡可能降低一氧化碳含量，排煙溫度控制在125～135℃為宜.

(3)現(xiàn)場巡檢做到位，保證爐墻耐火材料完好和爐體的嚴(yán)密性，盡量降低散熱損失.

［1］趙錕，任耀杰.影響裂解爐熱效率的原因分析與對策［J］.乙烯工業(yè)，2010，22(2):46-51.

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［5］侯芙生.煉油工程師手冊［M］.北京，石油工業(yè)出版社，1994，506-507.

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