原油加热炉加装空气换热器技术探讨

周靖（大庆油田有限责任公司天然气分公司）

原油加热炉加装空气换热器技术探讨

周靖（大庆油田有限责任公司天然气分公司）

原油加热炉是原油稳定装置中主要的能耗设备，杏V-I原油加热炉燃料气为深冷气，供风方式为自然通风，投产以来，运行正常，但加热炉消耗燃料气量较大，经分析发现加热炉燃烧配比空气加热消耗较多燃料气。由于天然气的碳氢比低，致使燃烧产生的废气汽化潜热大，回收这部分热量可以有效地节约能源。现对杏V-Ⅰ原油加热炉设计、加装空气换热器，收集自身释放热量来进行空气加热，在通过引风设备将预热空气送入加热炉内，实现节约燃料气的目的。

加热炉 燃料气 空气 热量 换热器

杏V-I原油稳定装置（简称原稳装置），采用微正压闪蒸工艺原理进行原油稳定。设计年处理量为180×104t/a，波动范围为70%~110%，年操作时间为8000h。总装机容量1600k W，运行负荷1200k W。原稳装置采用立式圆筒加热炉对原油进行加热，加热炉设计功率5.5 M W，设计出口温度160℃。加热炉燃料气为深冷气，供风方式为自然通风。装置自2007年11月投产以来，运行正常，与同类装置相比加热炉消耗燃料气量偏高，经分析发现加热炉燃烧配比空气加热消耗较多燃料气。

1 原油加热炉运行工况分析

1.1 原稳装置基本数据

装置来油量平均270m3/h；

原油进加热炉平均温度为133℃；

原油出加热炉平均温度为160℃；

加热炉温升为27℃；

加热炉平均含氧量3.5%；

加热炉辐射段平均温度260℃；

加热炉排烟段平均温度190℃；

加热炉燃料气平均气量560m3/h（深冷气）；

甲烷密度为0.77k g/m3（标况下）；

空气密度为1.29k g/m3（标况下）；

空气平均分子量29；

空气比热容理想状态下为1.4 J/（k g·K）[1]（空气比热容随温度变化，因此取理想状态）；

甲烷的燃烧值为37.7M J/m3[2]。

注：所有数据在生产记录中取平均值，所有计算不考虑热损失。

1.2 加热炉燃烧加热空气的燃料气消耗

加热炉燃料气为深冷气，深冷气主要成分为甲烷（甲烷含量占深冷气量的95%~99%）[2]，以下加热炉内深冷气燃烧按甲烷充分燃烧进行计算。可得出每小时参与燃烧的空气质量为7435 k g/h、体积为5763m3/h，燃烧生成二氧化碳质量为1186k g/h、水蒸气质量为970k g/h。

因含氧分析数值不为零，则说明在加热炉内混有未燃烧的氧气。加热炉含氧分析取样点在排烟段，所以排烟段气体构成为：反应产生的二氧化碳+水蒸气+未燃烧的氮气+进入加热炉内的多余空气。

根据理想气体状态方程PV=nRT[1]，计算各组分气体在排烟段体积（排烟段温度为190℃）：

二氧化碳体积V=nRT/P=1024 m3/h

同理：氮气体积为7742m3/h；水蒸气体积为2046m3/h。根据加热炉内含氧量可计算出未燃烧的190℃空气量为1934 m3/h（不考虑排烟段负压造成的体积增大），根据公式V=nRT/P得出该部分空气质量为151 k g/h，再通过密度换算得出25℃下其体积为129m3/h。

合计进入加热炉空气量=充分燃烧空气量+未燃烧空气量=7586k g/h，体积为5892m3/h。

加热炉夏季运行、冬季运行工况差别较大，下面分别进行计算。

夏季空气进入加热炉后由环境温度25℃加热到辐射段平均温度260℃时消耗热量为

同理冬季空气进入加热炉后由环境温度-25℃加热到辐射段平均温度260℃时消耗热量为3.03×106k J/h。

燃料气采用的是深冷气，深冷气的燃烧值为37.7M J/m3，燃料气量为560m3/h，经计算释放的热量为560×37.7×1000=21.11×106k J/h。

1.3结论

在加热空气过程中燃料气的消耗为12%~14%。按照平均用气13440m3/d计算,用于加热空气的燃料气量为1613~1882m3/d。（因未考虑热损失，所以实际消耗会大于计算结果）。

表1 引风机技术参数表

2 设计改造

2.1改造原理

由于天然气的碳氢比低，导致燃烧产生的废气汽化潜热大，回收这部分热量用来对冷空气进行加热可以有效地节约能源。

2.2 改造方法

我们利用加热炉的结构特点，改变加热炉结构，加装空气换热器。加热炉排烟段与对流段采用螺栓连接，可以在不改变工艺管线流程的情况下，提升排烟段，插入空气换热器，对冷空气进行加热，在通过引风设备将预热空气送入加热炉内。

通过计算得出烟气的流量比空气流量高许多，所以合理设计空气和烟气通道是十分重要的。由于烟气是自然通风，因此烟气通道的阻力必须很小，否则会影响设备工艺工况。考虑到流体随着温度的变化其体积也急剧变化的特性，我们对空气采用风机增加动力。综上所述，我们将空气流程设计为二回程，以提高设备的传热效率。

2.2.1 设计参数

高温板式换热器技术参数，设备设计压降，热侧50Pa，冷侧-400Pa；设计温度，热侧400℃，冷侧300℃等。

2.2.2 设计方案

空气换热器设计方案见图1。

2.2.3 辅助设备设计参数

引风机技术参数见表1。

2.3 改造后效益

加热炉加装空气换热器可提高常温下空气至150℃，年节约燃料气39.7×104m3，获得经济效益39万余元。考虑到新增电能损耗，所以杏V-Ⅰ原油加热炉加装空气换热器年创造效益至少为36万元。

3 结论

原油加热炉加装空气换热器，不仅可以很好地收集自身释放热量来进行空气加热，节约燃料气，还能通过换热降低加热炉排烟温度，减少高温气体对环境的破坏。同时，燃料气的减少更能减少二氧化碳气体的排放量。本项设计不仅能带来明显的经济效益，而且还能带来很好的安全效益、社会效益，最重要的是本项设计施工简单，推广性强，适用于各类企业加热炉改造。

[1]沈维道,蒋智敏,童钧耕.工程热力学[M].3版.北京:高等教育出版社,2008:394.

[2]孙爱忠.油气初加工过程[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1990:347.

10.3969/j.i ssn.2095-1493.2012.09.008

周靖，2008年毕业于黑龙江工程学院，从事油气初加工装置工艺技术工作，E-mail：tzhouj@petrochina.com.cn，地址：黑龙江省大庆油田有限责任公司天然气分公司油气加工一大队杏V-Ⅰ油气处理站，163000。

2012-06-17）