對某石化裝置加熱爐排煙溫度異常的分析

張睿

(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

1 煙氣超溫概況

某石化裝置加熱爐系統由一套四合一加熱爐和一套重沸爐組成，如圖1 所示，煙氣經過空氣預熱器進行余熱回收后從煙囪排出，設計空氣預熱器煙氣入口溫度353 ℃，排煙溫度為120 ℃以下，空氣預熱器設計換熱負荷為3.5 MW，根據現場DCS 數據顯示實際運行時通過預熱器的煙氣溫度從287 ℃降到了125 ℃，而空氣溫度從19.2 ℃升溫到241 ℃(2021.12.13 DCS 數據)，預熱器排煙溫度過高，實際運行中排煙溫度甚至高達132 ℃，上述異常參數確定出現了排煙超溫問題。排煙溫度升高，排煙損失增大，表明在生產工藝中出現明顯的熱能損失。能耗升高，將嚴重降低企業經濟效能。

圖1 加熱爐工藝流程簡圖

2 加熱爐排煙超溫分析

2.1 排煙超溫初步分析

在加熱爐設計及運行正常情況下造成加熱爐排煙超溫的原因一般有以下兩點[1]：(1)預熱器問題，如預熱器面積不夠；(2) 系統漏風問題，如加熱爐、煙氣管道、空氣管道、預熱器等均可能存在漏風，漏風會降低加熱爐熱效率，會造成排煙溫度過高或過低。

根據現場運行數據，各加熱爐的輻射室、對流室煙氣溫度數據顯示如表1 所示，煙氣溫度在加熱爐輻射室與對流室段并未出現異常，加熱爐正常運行。

表1 加熱爐輻射室與對流段出口煙氣溫度

四合一加熱爐高溫煙氣與重沸爐高溫煙氣混合經過預熱器后出現了煙氣超溫的現象，重點對預熱器進行了熱平衡核算，按照加熱爐設計的燃料負荷對應的空氣量與煙氣量對預熱器進行熱平衡反算，核算空氣預熱器入口煙氣量，換熱量，驗證是否與空氣預熱器設計條件相匹配。進行預熱器熱平衡計算時利用焓差法計算換熱量，相關計算公式如下：

式中：Q為換熱量(kJ/h)，正值放熱，負值吸熱；M為氣體質量流量(kg/h)；Hin為入口氣體焓值(kJ/kg)；Hout為出口氣體焓值(kJ/kg)；q為熱負荷(kW)。

加熱爐運行空氣量與煙氣量核算如表2 所示。

表2 加熱爐運行空氣量與煙氣量核算

總燃料量：

輻射室氧含量為各爐膛氧含量均值3.0%。燃料氣組分如表3 所示。

表3 燃料氣組分

每100 Nm3燃料氣完全燃燒需要空氣量為723.928 63 Nm3，則2 015 Nm3/h 燃料氣完全燃燒需要的空氣量為：

核算3%氧濃度對應的空氣過剩系數為1.15。

實際空氣量為：

空氣溫度20 ℃，標準狀況密度1.293 kg/Nm3，則實際空氣量質量流量為：

煙氣組分如表4 所示。

表4 煙氣組分

1 kg 燃料氣燃燒后煙氣中各組分的質量分別為：

式(7)～式(10)中：WCO2、WH2O、WN2、WO2分別為煙氣中各組分的質量(kg/kg(燃料氣))；CO2、N2、O2分別為燃料氣中二氧化碳、氮和氧的質量分數；yi為單一氣體質量分數；ai、bi分別為計算系數，查表可知[2]。

由上述式可計算出煙氣量為22 427 kg/h?？疹A器熱平衡核算如表5 所示。

表5 空預器熱平衡核算

表5 中的空氣與煙氣進出口溫度來自于中控DCS數據顯示中預熱器前后的測點顯示，多個數據顯示的取均值，根據前面所述公式計算空氣吸熱量與煙氣放熱量：

根據焓值計算熱量，對空氣查煙氣焓溫表，采用插值計算，20 ℃左右入口焓值Hairin=21.98 kJ/kg，出口溫度241 ℃的空氣出口焓值Hairout=267.49 kJ/kg，對于煙氣組分在溫升過程依然可以根據焓值變化計算放熱量，核算得到的煙氣密度為1.153 kg/Nm3，則1 kg煙氣體積為0.867 3 Nm3，則每kg 煙氣中各組分的體積如表6 所示。

表6 各組分的體積

(1)根據工況燃料使用量及輻射室氧含量核算，加熱爐運行氧含量約為3.0%，所需要的空氣量為20 210 kg/h，理想狀態下這些空氣將由空氣預熱器換熱后供給，加熱爐運行產生的煙氣量為22 427 kg/h，約287 ℃的高溫煙氣進入預熱器換熱后從煙囪排出；

(2)經計算得空氣側吸熱量為4 961 710 kJ/h，熱負荷為1 378 kW，煙氣側放熱量僅為4 338 160 kJ/h，熱負荷為1 205 kW，煙氣側放熱量與空氣側吸熱量不匹配，若空氣與煙氣流量保持不變情況下，煙氣同樣放出約1 378 kW 的熱量煙氣溫度應該降到約96 ℃，實際排煙溫度比理論值高了24 ℃；

(3)即使預熱器部分失效或者換熱面積不足的情況下，核算的空氣吸熱量與煙氣的放熱量都應該是平衡的，換熱面積不足時煙氣若超溫，空氣溫升也會減小，兩者在熱量上維持平衡，目前熱量不平衡，歸根到底能量的不平衡來自質量的不平衡，即在預熱器完成的換熱過程不是按照理論空氣與煙氣量的對應關系進行的，初步判斷整個系統某處存在漏風。

2.2 系統漏風分析

化工工藝系統由于密封各種原因漏風是不可避免的，較大的漏風會影響系統正常穩定運行，經過分析將超溫原因鎖定在工藝系統存在較大漏風上，以加熱爐和預熱器為節點將整個工藝系統分為預熱器、煙氣段、空氣段、加熱爐四部分進行漏風分析。

2.2.1 預熱器漏風分析

空氣預熱器空氣側為正壓、煙氣側為負壓，存在三種漏風可能性：空氣側空氣通過彎頭箱法蘭或密封焊接處向外漏風；煙氣側外界空氣通過彎頭箱法蘭或密封焊接處向內漏風；受腐蝕及焊點漏風影響，預熱器空氣側向煙氣側漏風。對上述漏風可能性，利用煙氣分析儀對現場煙氣進行了檢測，重點關注了預熱器進出口煙氣的氧含量，預熱器進出口氧含量從3.29%上升到了4.43%左右，經核算煙氣側漏進約1 386.29 kg/h 的空氣量。計算中將漏進的空氣組分對煙氣組分的影響考慮進去，進行預熱器換熱計算發現時與不考慮漏風對組分影響相比煙氣溫度差異不足2 ℃，漏進空氣對煙氣組分影響在計算中可以忽略。在預熱器低溫段存在少量漏風，煙氣中漏進較冷的空氣，會使排煙溫度降低，因此預熱器漏風并不是造成排煙超溫的原因如表7 所示。

表7 現場預熱器進出口煙氣相關數據

2.2.2 加熱爐對流室頂部至預熱器入口漏風分析

加熱爐對流室出口至預熱器進口之間主要是煙氣管道連接，且有一段煙氣旁路與煙囪連接，使用煙囪密封擋板閥控制煙氣旁路的開閉，正常運行時煙囪密封擋板閥是關閉的，當引風機或預熱器故障時打開該擋板閥使煙氣直接由煙囪排出。在現場煙氣檢測發現爐子對流段出口氧含量約為3.00%，煙氣到達預熱器頂部氧含量約3.29%，氧含量增加約0.30%左右，核算泄漏率約1.48%左右，漏風量較小為正常漏風，不是煙氣超溫的原因。

2.2.3 檢查加熱爐漏風問題

加熱爐是一個相對復雜且具有多個開口的設備，工況運行時加熱爐內部為負壓，因此加熱爐設備是存在較多漏風點的，主要有以下幾點：(1) 加熱爐看火門、防爆門處；(2) 燃燒器看火孔；(3) 輻射室頂部集合管。

從加熱爐各接口法蘭泄漏進加熱爐的空氣，一般不參與燃燒過程，而且會吸收部分熱量，同時這部分參與了加熱爐爐膛中氧含量的組成，從鼓風機供給的助燃風量減少，通過預熱器進行換熱的空氣量小于設計值，會導致預熱器換熱平衡失衡，即冷空氣溫升較高，而熱煙氣降溫不足，預熱器出口的排煙溫度會出現超溫現象。

經過以上分析造成排煙溫度超溫的原因很可能是加熱爐部分結構存在漏風，漏風量較難通過儀器測量定量分析，可以到現場進行加熱爐漏風檢測及堵漏工作，對加熱爐可能存在的漏風位置進行檢查。

3 分析結論及應對措施

通過分析，可以得出結論，導致排煙超溫的原因很大可能是系統存在漏風。通過理論分析，在加熱爐輻射段漏風很可能是造成預熱器進出口核算熱量不平衡且煙氣超溫的主要原因。針對以上分析結果，開展以下工作：

(1)聯系專業加熱爐漏風監測人員到現場，對加熱爐可能存在的泄漏部位進行檢測，查找泄漏部位后進行封堵。2023 年2 月24 日，邀請青島樹鼎技術工程有限公司使用工業爐泄漏檢測儀，對所有可能存在泄漏的部位進行了全面檢測。通過檢測，發現加熱爐集合管保溫棉底部、防爆門等部位存在比較明顯漏風，與加熱爐廠家及空預器廠家現場分析，全部漏風量不會對加熱爐排煙溫度造成較大影響。

(2)對加熱爐集合管保溫、看火門、防爆門等容易存在漏風的部位進行全面封堵，觀察加熱爐排煙溫度的變化情況。首先將方爐底部人孔邊緣漏風部位進行了封堵，無明顯效果。隨后，將加熱爐集合管整體重新包保溫鋁皮，并在集合管前后端漏風部位使用保溫泥進行封堵。集合管堵漏完成后，加熱爐排煙溫度降至120 ℃，熱效率提升至92.9%左右，滿足了技術要求。

4 結語

通過此次對加熱爐排煙溫度高問題的排查及治理，會同設備制造廠、設計院等多家單位，從各個方面進行了分析。問題排查、分析過程同時也是對加熱爐系統相關知識重新梳理和整合的過程。該問題的成功解決，為今后對加熱爐的操作和管理帶來了寶貴的經驗。希望本文能夠對同類裝置設備類似問題的分析提供借鑒，共同做好加熱爐的運行管理工作。