油氣儲運過程中加熱爐的節(jié)能技術(shù)及進展

張意（中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室）

油氣儲運過程中加熱爐的節(jié)能技術(shù)及進展

張意（中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室）

油氣儲運作為石油加工和生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，耗費了相當(dāng)一部分的能源。降低儲運系統(tǒng)的能耗，可以增強油氣加工企業(yè)的競爭力，實現(xiàn)可觀的經(jīng)濟效益。通過探討油氣儲運系統(tǒng)中能量損耗的原因，從長輸管道運輸和油田集輸系統(tǒng)兩方面來分析油氣儲運過程中加熱爐的節(jié)能技術(shù)，同時介紹當(dāng)前加熱爐節(jié)能技術(shù)的最新成果，為油氣儲運過程中制定節(jié)能降耗措施提供參考。

油氣；儲運系統(tǒng)；加熱爐

與傳統(tǒng)意義上的油氣存儲不同，現(xiàn)階段的油氣存儲內(nèi)容包括了原油、中間產(chǎn)物、成品油、半成品油，甚至包括了生產(chǎn)中的各種化學(xué)藥品等的存儲和運輸。作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要輔助系統(tǒng)，儲運系統(tǒng)的地位不容忽視。要提高當(dāng)前石油化工業(yè)油氣儲運系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，首先要分析油氣儲運系統(tǒng)能耗量大的原因，再結(jié)合當(dāng)前油氣儲運系統(tǒng)的組成以及系統(tǒng)自身的能耗特點，探討降低油氣儲運系統(tǒng)節(jié)能措施的關(guān)鍵技術(shù)[1]。

1 油氣儲運系統(tǒng)能耗大的原因

一般的油氣儲運系統(tǒng)能量消耗都較大，這主要是由三方面因素導(dǎo)致的[2]，分別是電量消耗、水消耗以及熱消耗。但是在不同的油氣儲運系統(tǒng)組成中，三個因素所占的比重也不相同。例如在長輸成品油管道中，提供動力的泵站電力消耗是主要因素；而在黏度較大的原油運輸中，如何降低鍋爐的熱能消耗則是關(guān)鍵。下面主要就原油的加熱節(jié)能方面進行分析。

加熱爐是原油集輸加熱的主要設(shè)備。而加熱爐在燃燒過程中易出現(xiàn)排煙溫度高、燃燒不充分，使加熱爐出現(xiàn)熱能損失大、燃燒效率降低的問題[3]。具體表現(xiàn)：

1）部分加熱爐燃?xì)馀浔炔缓侠恚瑢?dǎo)致加熱爐燃燒效果不好，燃?xì)馊紵牟怀浞之a(chǎn)生一些有害氣體（CO、SO2）排放到空氣中，對空氣和環(huán)境造成污染，加熱爐系統(tǒng)效率偏低。

2）部分加熱爐受設(shè)備、燃料等條件的制約，燃?xì)饫寐瘦^低，燃?xì)庀牧枯^大。

3）由于水質(zhì)等因素的影響，幾乎所有工質(zhì)為水的加熱爐都會出現(xiàn)不同程度的結(jié)垢，管壁結(jié)垢降低了加熱爐的傳熱能力，大量的熱損失也造成了資源的浪費。

加熱爐節(jié)能的有效途徑是減少熱損失，加熱爐的熱損失及其影響因素大致有三種[4]：

1）排煙熱損失。排煙溫度越高，熱損失越大。排煙溫度每提高12～15℃，熱損失將增加1%。由加熱爐檢測報告得出加熱爐的排煙損失最高可達30.3%，平均散熱損失14.4%。

2）氣體不完全燃燒熱損失。這種熱損失是由于部分甲烷、氫、一氧化碳等可燃?xì)怏w未完全燃燒放熱而隨煙氣排出造成的。

3）散熱損失。散熱損失是爐體表面溫度高于環(huán)境溫度，將熱量散失于環(huán)境中的熱損失。根據(jù)加熱爐檢測報告得出散熱損失最高可達32.49%，平均散熱損失16.7%。

針對以上問題，為進一步降低燃?xì)庀模岣呒訜釥t效率，近幾年摸索出了加熱爐燃燒器一些節(jié)能措施，取得了較好的節(jié)能效果。

2 集輸系統(tǒng)與長輸管道加熱爐節(jié)能技術(shù)

我國原油大部分為高含蠟、高凝點、高黏度的“三高”原油，因此原油熱輸工藝應(yīng)用比較廣泛。原油加熱方式有直接加熱和間接加熱兩種：直接加熱是原油直接經(jīng)過加熱爐，吸收燃料燃燒放出的熱量；間接加熱是原油通過中間介質(zhì)（導(dǎo)熱油、飽和水蒸氣或飽和水）在換熱器中吸收熱量，達到升溫的目的。這兩種加熱方式所用的加熱設(shè)備分別為直接加熱爐和間接加熱爐（熱煤爐）。現(xiàn)在加熱爐的技術(shù)改造主要從以下幾個方面進行[5]。

2.1 節(jié)能型加熱爐的使用

1）水套加熱爐。由于水套加熱爐具有安全性好、加熱均勻、加熱盤管不會產(chǎn)生局部過熱而結(jié)焦等優(yōu)點，所以在油田聯(lián)合站廣泛使用。水套加熱爐屬于火筒式加熱爐的一種，這種加熱爐是將火筒、煙管發(fā)熱部件及換熱部件盤管內(nèi)置于殼體內(nèi)部，燃料燃燒產(chǎn)生的熱能通過火筒煙管以輻射、對流傳熱方式來加熱殼內(nèi)的水，殼內(nèi)熱水以對流傳熱方式加熱盤管內(nèi)介質(zhì)(油、水)。

2）真空加熱爐。真空加熱爐采用真空相變換熱技術(shù)，換熱過程是利用真空控制閥把加熱爐頂部空間抽成真空，水作為傳熱介質(zhì)吸收燃料燃燒供給的汽化熱而蒸發(fā)，蒸汽在釋放熱量后冷凝成液滴回落至液相空間，形成動態(tài)熱平衡。

3）可抽式加熱爐。油田注聚以后，采出液黏度增加，加快了煙火管的結(jié)焦進程和破損速度。2003年研制開發(fā)了可抽式加熱爐，其主要特點是改變了以往爐內(nèi)清垢不徹底的弊端，可將煙火管抽出爐體進行清垢。

2.2 工藝改造

1）加熱爐燃料氣系統(tǒng)改造。加熱爐燃料氣燃燒不完全，致使加熱爐耗氣量大，能源浪費。為此需要對加熱爐燃料氣系統(tǒng)進行改造，不同的油田情況不同，需根據(jù)現(xiàn)場實際得出改造方案。

2）加熱爐煙氣熱量回收。由薩北油田的加熱爐數(shù)據(jù)可知，當(dāng)正壓原穩(wěn)裝置加熱爐正常運行時，排放的煙氣量達到了26.6×104m3/d，排煙溫度高達250～313℃，利用熱管技術(shù)，可以將這部分熱量回收利用[6]。

2.3 已建加熱爐節(jié)能技術(shù)改造

1）高效節(jié)能燃燒器。在老油田改造工程中對加熱爐燃燒系統(tǒng)進行改造，安裝高效節(jié)能燃燒器，該裝置具備自動點火和熄火保護功能。通過控制燃料氣流量，調(diào)節(jié)燃料、空氣混合比，提高加熱爐效率。

2）膜法富氧技術(shù)[7]。膜法富氧技術(shù)系利用空氣中氧和氮透過富氧膜時的滲透速率不同，在壓力差驅(qū)動下，通過膜得到空氣中的氧氣。膜法富氧技術(shù)應(yīng)用在油田加熱爐上，可降低空氣過剩系數(shù)，提高熱效率，節(jié)約能源。

3）老式二合一加熱爐的高效熱管換熱技術(shù)改造。由于高效熱管具有的傳熱速度快、軸向傳熱能力強、傳熱效率高的優(yōu)點，可快速將高溫?zé)煔鉄崃總鬟f到水中，降低煙氣溫度、提高加熱爐熱效率。加熱爐高效熱管換熱改造方案是在加熱爐火管后部空間安裝數(shù)根高效熱管。

2.4 更新燃料類型，改進燃燒方式

改進加熱爐結(jié)構(gòu)，在能夠利用天然氣、蒸汽的地區(qū)用其替代傳統(tǒng)的燃料油（大多為管道干線的原油）為管線原油加熱。在燃料油(煤炭煉焦的副產(chǎn)品)中，煤焦輕油是品質(zhì)較好的一種新型的燃料。它與柴油有著相近的物化指標(biāo)，可替代原油或重油等燃料油使用。煤焦輕油這種燃料，不僅霧化良好，熱量與原油相當(dāng)，而且二氧化硫、氮氧化合物、煙氣黑度等排放指標(biāo)均符合國家環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)。

在改進燃燒方式上，可以優(yōu)化改進加熱爐的燃燒裝置[8]，具體的措施有：

◇采用燃料油乳化、磁化技術(shù)，強化燃燒，提高其燃燒效率；

◇采用高效火嘴，改善燃燒，減少燃燒熱損失；

◇采用微正壓燃燒，強化燃燒，提高爐膛熱強度，縮小爐子體積，同時也消除了漏風(fēng)，降低了排煙熱損失；

◇在采用合適的燃燒控制裝置和保證燃燒穩(wěn)定的條件下，使過量空氣系數(shù)具有最低值，得到最佳熱效率。

2.5 減少排氣損失

1）對加熱爐進行改造，增加對流段的傳熱面積，更多的吸收煙氣中的熱量。在加熱爐尾部增加助燃空氣預(yù)熱裝置（列管式、回管式、熱管式），增加其物理顯熱和燃燒形成的煙氣量，有效提高燃燒溫度。此外可以給加熱爐加裝余熱回收裝置，如煙氣-水換熱器或煙氣-熱媒換熱器。煙氣帶走的熱量占燃料爐總供熱量的15%～20%，充分回收煙氣余熱是節(jié)約能源的主要途徑，如果排煙溫度降低1～15℃，熱效率可增加1個百分點。

2）加熱爐積灰是影響加熱爐正常運行的一個重要因素。現(xiàn)在工業(yè)中一般有以下幾種方法除塵：變流速法、電除塵法、化學(xué)方法、吹灰器法等，工業(yè)上應(yīng)用較多的是吹灰器。

2.6精細(xì)調(diào)節(jié)

精細(xì)調(diào)節(jié)是經(jīng)過多年來對加熱爐管理的經(jīng)驗總結(jié)出來的，通過對加熱爐各個生產(chǎn)參數(shù)和煙氣中各種組分的含量測算，結(jié)合加熱爐運行時的現(xiàn)場表象，首先判斷影響的主要因素，然后再進行針對性的調(diào)節(jié)，從而使加熱爐始終保持最佳運行狀態(tài)。

2.7 空氣預(yù)熱裝置

由于冬季氣溫低，進入爐堂內(nèi)的空氣溫度也較低，使助燃空氣在燃燒過程中吸收大量的熱能，增加了燃料消耗；燃燒空氣溫度低，空氣分子不活躍，燃?xì)馀c空氣混合不充分，影響加熱爐的燃燒效果。另外，燒火間內(nèi)的溫度低，燃料氣管線容易結(jié)冰堵塞，經(jīng)常造成停爐現(xiàn)象。為此研制了加熱爐空氣預(yù)熱裝置，在加熱爐對流室尾部裸露的煙箱和煙囪的底部分別用鐵皮密封，形成高溫導(dǎo)熱密封室，密封室下端與燒火間相連處開口并安裝滑道擋板。氣溫高時將擋板關(guān)閉，防止燒火間內(nèi)溫度過高；氣溫低時打開擋板，密封室與燒火間對流換熱，從而使進入爐堂的空氣升溫。

2.8 防垢除垢技術(shù)

由于水中含有大量的鹽、堿懸浮物，極易產(chǎn)生沉淀，沉積于管壁，形成厚厚的水垢，這些水垢阻止了熱量的有效傳導(dǎo)，致使燃料釋放的熱量不能被工質(zhì)充分吸收，造成燃料的浪費。目前，加熱爐除垢、防垢技術(shù)的應(yīng)用主要包括電子除垢儀、空穴射流技術(shù)、高頻振蕩技術(shù)等。

2.9 涂敷節(jié)能涂料

在加熱爐的輻射受熱面上涂刷耐高溫紅外線節(jié)能涂料，增強了受熱面的輻射吸收率，并且紅外波被涂層返復(fù)多次吸收并轉(zhuǎn)化為內(nèi)能傳遞，自身成為紅外輻射熱源，增強了受熱面吸收輻射熱量的能力，強化了加熱爐火筒的吸熱、傳熱效果，提高了輻射傳熱的效率。

3 新型加熱爐

3.1 爐型火筒式加熱爐

1）微正壓通風(fēng)燃燒技術(shù)。傳統(tǒng)的火筒式加熱爐一般采用自然通風(fēng)負(fù)壓燃燒方式，燃燒過剩空氣系數(shù)和燃燒自動控制較為困難，影響加熱爐的運行熱效率。借鑒燃油（氣）火筒式工業(yè)鍋爐的經(jīng)驗，新型火筒式加熱爐一般均采用了微正壓通風(fēng)燃燒方式，從而強化了燃燒，提高了爐膛容積熱強度，使燃燒過剩空氣系數(shù)可以控制在1.2（燃油）和1.1（燃?xì)猓┳笥遥_到了較好的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。

2）全自動燃燒技術(shù)。新型的火筒式加熱爐一般均配置了全自動燃燒器，除了具有程序點火、熄火保護和低液位連鎖保護等安全保護功能外，可根據(jù)加熱爐運行負(fù)荷的變化，實現(xiàn)燃燒自動調(diào)節(jié)，有效控制燃燒過剩空氣系數(shù)，使加熱爐一直處于高效運行狀況[9]。

3）相變傳熱技術(shù)。利用同一種物質(zhì)以氣、液、固三種存在形式的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)熱量傳遞的過程稱為相變傳熱，相變傳熱具有傳熱熱阻較小、傳熱速率極高、可實現(xiàn)等溫傳熱等特點。

3.2 新型管式加熱爐

1）采用性能優(yōu)越的新型燃燒器是降低燃燒過剩空氣系數(shù)，提高加熱爐熱效率，實現(xiàn)低氧燃燒最有效的方法之一。新型高效管式爐通過采用平流式機械霧化燃燒器、長型電動旋杯式燃燒器等新型燃燒器，不僅使火焰具有良好的穩(wěn)定性，而且氣流中后期的擾動和混合較好，使燃料油（氣）能夠在較低的過剩空氣條件下，實現(xiàn)完全燃燒。燃油時燃燒過剩空氣系數(shù)可控制在1.2以下，燃?xì)鈺r燃燒過剩空氣系數(shù)可控制在1.1以下[10]。

2）對流室設(shè)置燃料預(yù)熱盤管在對流室的低溫段（煙氣溫度小于350℃）設(shè)置燃料油或燃料氣的預(yù)熱盤管，利用低溫?zé)煔鈱θ剂嫌停猓┻M行加熱。由于燃料油（氣）溫度的提高，改善了燃料的霧化條件和燃燒條件，可有效提高燃料的燃燒效率。

3.3 微正壓加熱爐

微正壓加熱緩沖裝置的殼體是帶有橢圓形封頭的臥式容器[11]。殼體采用斜錐殼結(jié)構(gòu)（圖1），該裝置具有兩大優(yōu)點：燃燒系統(tǒng)設(shè)計合理，能使燃燒空氣預(yù)熱，提高火焰溫度，從而產(chǎn)生較高溫度的煙氣，使熱交換的強度大大增加；熱交換系統(tǒng)能保證熱量進行充分的交換，使加熱爐的熱效率達到90%。

圖1 微正壓加熱緩沖裝置

4 結(jié)束語

加熱爐是石油集輸過程中的主要耗能裝置，通過分析油氣儲運系統(tǒng)能量損耗的原因，探討加熱爐的節(jié)能技術(shù)，改進加熱爐裝置，增強燃料燃燒效率，以達到降低油氣集輸過程中熱能消耗的目標(biāo)，為油氣儲運和制定節(jié)能措施提供參考。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.007

2016-09-08

（編輯 賈洪來）

張意，中國石油大學(xué)（北京）（油氣儲運工程專業(yè)）在讀碩士，E-mail：81897277@qq.com，地址：中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室，102249。