高酸海洋原油煉油裝置加熱爐節能優化分析

潘巖 葛玉龍 晉西潤 王寧 左甜 馬方義

（中海油煉油化工科學研究院有限公司）

高酸海洋原油煉油裝置加熱爐節能優化分析

潘巖 葛玉龍 晉西潤 王寧 左甜 馬方義

（中海油煉油化工科學研究院有限公司）

通過實地檢測多家加工高酸海洋原油煉油裝置的加熱爐運行狀況，針對影響加熱爐效率的主要因素及存在的問題，對加熱爐節能檢測工作的完整性進行了探討。對比分析加熱爐檢測數據，包括加熱爐溫度控制、氧含量控制、不完全燃燒狀況、散熱損失情況、壓差狀況等數據對加熱爐效率的影響，指出提高加熱爐熱效率的有效途徑，為企業加熱爐的節能優化工作提供了具有可操作性的依據。

煉油裝置；加熱爐；熱效率；節能優化

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.011

在現代煉油企業中，多支路的管式加熱爐是最常見的設備之一，而對于加熱爐這種煉油裝置的能耗大戶，其燃料消耗約占裝置總能耗的86%[1]。因此，加熱爐是煉油裝置節能的關鍵設備。在滿足產品質量的前提下，提高加熱爐的控制精度、實現加熱爐的高效燃燒對降低生產成本、提高經濟效益有很大的意義。同時，燃料燃燒的越充分，有害氣體的排放就會越少，即實現了減排的目的，又實現了對環境的保護，有良好的社會效益。

1 加熱爐存在的問題

在我國石化行業中，對于裝置中多支路多燃燒火嘴的管式加熱爐的控制[2]，應用的基本上都是分布式控制系統（DCS）。DCS系統的應用，在一定程度上實現了加熱爐的自動控制，從而簡化了加熱爐的操作，降低了操作工人的勞動強度，同時保證了加熱爐安全高效的運行。

現場統計數據顯示，處在自動狀態下的回路比率不是特別高，相當一部分操作由操作工人手動來完成。一般情況下加熱爐的控制包括被加熱介質或物料出口溫度、燃料氣流量、氧含量控制、爐膛負壓、原料流量等，目前煉化企業的加熱爐中，大多只有出口溫度、燃氣流量構成串級投入自動，其余回路多為手動。很多爐子爐膛負壓、氧含量從爐子建成以來就沒有投入過自動運行[3-4]。由于加熱爐自控率低，手工操作非常普遍，為了防止“爐膛回火”、“冒黑煙”等現象[5-6]，現場操作中往往維持較高的爐膛負壓、較大的氧含量，從而造成加熱爐在遠低于設計熱效率下工作。

這幾年，中石化在各大煉化企業加強了典型示范爐的改造推廣，主要措施是：采用新型爐管、新型襯里、改造空氣預熱器、增強保溫、加熱爐外噴涂。但一系列不系統的改造也帶來了諸多問題，結合加工重質高酸原油的多家煉油企業的加熱爐實際運行情況及存在問題，討論加熱爐節能檢測的方法及其制約因素，針對實際生產運行情況提出節能優化措施。

2 現場檢測數值與結果分析

目前國內煉油化工企業已經廣泛使用煙氣分析儀進行加熱爐檢測，該儀器可以同時分析煙氣中的O2、CO、CO2、NO、NO2、SO2、NOx、煙氣溫度、環境溫度、差壓等。利用該儀器能夠完成加熱爐或鍋爐運行狀態監測和故障診斷，可以實時計算出加熱爐或鍋爐的熱效率，判斷加熱爐的漏風部位和程度，判斷煙道、風道的阻力大小與堵塞部位，判斷燃燒器的燃燒狀況，判斷露點腐蝕的基本趨勢等。同時該儀器準確度高、方便快捷，只要現場有直徑大于8mm的采樣口或軟管接頭，就可進行現場采樣分析和測量。采用煙氣對空氣升溫預熱的加熱爐流程，同時對比的加熱爐均加工高酸低硫原油，加熱爐類型為管式加熱爐，加熱爐的熱平衡體系如圖1。7家公司的加熱爐概況見表1。

表1 7家公司加熱爐概況

圖1 加熱爐熱平衡體系

管式加熱爐的熱效率是指為達到規定的加熱目的，供給能量利用的有效程度在數量上的表示，即有效能量相對供給能量的百分數。目前計算加熱爐熱效率的方法主要包括正平衡法和反平衡法。

正平衡法求熱效率的計算公式：

反平衡法求熱效率的計算公式∶

在實際應用中，由于有效(吸收)能量的測量很困難，通常使用反平衡法來計算。因此僅以反平衡效率的計算方法所涉及的主要參數作為主要研究對象。反平衡法的損失能量包括化學不完全燃燒熱損失、排煙熱損失、機械不完全燃燒熱損失、散熱損失。

2.1 加熱爐排煙溫度控制

各家煉廠加熱爐的排煙溫度控制的比較低，其中B公司與E公司控制排煙溫度最低，為94.5℃；F公司排煙溫度為126.7℃，為最高煉廠，其他煉廠排煙溫度均介于這2個溫度范圍內。

排煙溫度的控制與加工燃料及燃料氣成分有關。從表2可以看出，各家所使用的燃料氣中硫含量很低，加工原油所產生的瓦斯氣進加熱爐作為燃料氣，瓦斯氣量相對天然氣比率很小，其H2S含量也極低，這樣也間接的降低了煙氣外排時的硫酸露點溫度。適當的降低煙氣溫度是可以的，但煙氣外排溫度也不能太低，在裝置運行過程中工藝條件的改變可能誘發空氣預熱器局部的硫酸露點腐蝕。

表2 燃料中硫化物含量

對流室后煙道存在溫度損失，從表3可以看出，部分公司對流室至空氣預熱器間的煙氣溫度損失較多，溫降最多可達30℃。從紅外圖片可知，部分公司煙道段內襯里可能存在破損、法蘭密封面和煙道擋板漏風現象，具備條件的情況下應進行保溫或襯里、法蘭密封面和煙道擋板進行處理。

2.2 加熱爐氧含量

煙氣中氧含量的多少及不同部位氧含量的變化趨勢，可以有效反映加熱爐系統的密封情況。由表4可知，由輻射室至對流室氧含量變化相對不大，部分公司氧含量上升主要是由于對流室彎頭箱有縫隙，保溫襯里有損壞，主要發生在對流室進行改造的公司及加熱爐投用時間比較長的公司。

表3 各煉化公司加熱爐的煙氣溫度分布情況單位:℃

表4 各煉化企業加熱爐煙氣氧含量分布情況單位:%

氧含量上升比較嚴重的主要發生在對流室頂部，當測試點在靠近煙道擋板的對流室頂部時，氧含量上升比較明顯，其主要原因與煙道擋板密封不嚴有關。對于新建裝置的F公司未見氧含量明顯上升。煙道擋板不嚴，帶來空氣漏至煙氣中，增加了排煙熱損失，增加了燃料消耗和引風機的電耗，降低了加熱爐的熱效率。

此外，檢測過程中發現B公司煙氣外排處氧含量驟然上升至11%，其原因主要與引風機密封有關，引風機軸封處有縫隙。對比發現氧含量控制較好的為F公司，其引風機密封性較好。

2.3 不完全燃燒情況

根據《中國石化煉化企業加熱爐管理規定》，輻射室頂部氧含量，燃氣加熱爐為2%～4%，燃油加熱爐為3%～5%。輻射室內氧含量越低空氣過?？諝庀禂翟叫。訜釥t熱效率越高，但是氧含量越低燃料燃燒越不完全，一氧化碳量越高。各家公司的加熱爐燃燒狀況見表5。

F公司為新投用的加熱爐，燃燒器采用的是新型節能燃燒器，在氧含量控制大于2%的情況下，一氧化碳的含量并未超標。從看火窗觀察到火焰呈明亮的橙黃火焰。C公司加熱爐以天然氣為燃料，常減壓爐輻射室頂CO及O2含量均較少，可以推知燃料燃燒較充分，加熱爐不完全燃燒損失較低?？梢娂訜釥t燃燒效率的好壞，除了與操作有關還與加熱爐燃燒設備有關。

表5 常減壓爐不完全燃燒情況

2.4 散熱損失情況

各煉化企業加熱爐外表面熱流密度分布情況見表6，散熱損失的大小嚴重影響加熱爐的熱效率，普通加熱爐的散熱損失占加熱爐效率的3%左右，控制好加熱爐的散熱損失可以有效地提高加熱爐的熱效率；如E公司加熱爐表面進行了保溫涂料噴涂、A公司對加熱爐煙道、彎頭箱等部位進行保溫處理，其熱流密度也較其他公司相對低一些。

同時加熱爐技術改造及檢修過程中可能對加熱爐保溫造成損壞，保溫的破壞會增大加熱爐散熱損失，例如技術改造后遺留的吹灰器部位沒有保溫措施，形成的高溫散熱區；由于防爆門密封問題而導致的散熱量較高。

表6 各煉化企業加熱爐外表面熱流密度分布情況單位:kJ/(m2·h)

表7 各煉油企業加熱爐負壓控制情況單位:Pa

對流室彎頭箱在檢修后恢復過程中缺固定螺栓，保溫陶纖填充量不夠，造成表面熱流密度偏高；在加熱爐底部，由于人孔的密封性問題，導致表面存在熱流密度偏高現象。

2.5 壓差情況

根據《中國石化煉化企業加熱爐管理規定》：簡單爐型輻射爐膛頂部的負壓值應控制在-20～-30 Pa。多爐膛聯合，或多爐共用煙道的爐型，其輻射爐膛頂部負壓值可適當放寬至-50～-60 Pa，但不得超過-80Pa。

合理爐膛負壓控制有助于加熱爐的平穩運行，高負壓值控制附屬設備能耗高。如表7，B公司引風機功率控制較高，引風機前負壓大，爐膛及對流室壓力值相對較小，其原因可能由于漏風或煙道擋板開度不夠造成的，致使附屬設備能耗高。C公司整體負壓控制較高，煙氣流動速度快，不利于原料及冷空氣取熱，致使熱能浪費，同時高負壓也不利于裝置操作。同行工頻的設備耗能更明顯。

3 結論

1）排煙溫度控制。爐子的排煙溫度能很大程度決定加熱爐的熱效率，要想實現加熱爐能耗的降低，必須要想盡辦法來控制排煙溫度不要過高。可是排煙溫度是不能隨意選擇設定的，主要是因為還有露點腐蝕在限制爐子的排煙溫度。應根據燃料的組成來控制排煙溫度，保證煙氣溫度在酸露點腐蝕溫度之上的同時煙氣溫度不要過高。

2）降低過?？諝庀禂?。應加強燃燒器三門一板的管理，確保燃料的充分燃燒的前提下，注意控制好加熱爐的氧含量及爐膛負壓等；裝置加工負荷波動較大狀況，建議增上變頻風機控制。所以從工藝控制角度、節能角度改善加熱爐操作條件。

3）降低散熱損失。部分公司存在加熱爐局部密封不嚴、空氣進入加熱爐內的現象，如對流室彎頭箱門及連接橫梁（尤其連接螺栓部位）局部溫度超標，建議考慮檢修期間用高鋁陶纖塞實彎頭箱內空隙，減少散熱損失，降低漏風量。運行時間較長的加熱爐煙道擋板都多少存在密封不嚴現象，所以及時檢查泄漏點，更換密封性更好煙道擋板對于降低加熱爐的散熱損失具有積極的意義。

4）壓力控制?？刂坪脽煹罁醢彘_度，采用變頻附屬設備，保持加熱爐系統合理負壓值操作，減少不必要的能耗。

[1]孫鳳茹，溫旭，劉峰.水環式真空泵汽蝕的原因分析及消除措施[J].華北電力技術，2007（4）：40-41.

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[6]王寧，馬方義，左甜，等.工業加熱爐中燃氣節能器的應用與評價[J].石油石化節能，2017，7（1）：18-20.

2017-03-31

（編輯 鞏亞清）

潘巖，工程師，2009年畢業于延邊大學（有機化學專業），從事腐蝕與防護技術研究工作，E-mail：pyice@126.com，地址：山東省青島市黃島區千山北路575號，266500。