管式加热炉热效率下降的原因分析及解决措施

王超

（大庆油田化工有限公司东昊分公司油气处理厂，黑庆江 大庆 163000）

管式加热炉广泛应用于石油化工、天然气化工和有机化学工业，是一种有燃烧的连续运转加热设备。其主要特点是长周期操作、加热温度高、传热能力大。

1 油气厂加热炉热效率下降的原因分析

1.1 加热炉的现状

油气厂加热炉为立式圆筒管式加热炉，目前加热炉空气预热器排烟温度的平均值为210℃，比设计值160℃高出50℃，同时炉体表面温度较高，说明加热炉热损较大，工作效率有所下降。

1.2 加热炉热效率下降的原因分析

1.2.1 空气预热器换热差，排烟温度高

2012年1～12月加热炉空气预热器排烟温度的平均值为210℃，比设计值高出50℃。在2013年8月份检修期间，抽出空气预热器换热管检查，发现烟气侧翅片大面积积垢，导致热阻增加，换热效率降低。同时，少数预热器换热管已严重损坏，失去换热作用。

1.2.2 对流段炉管积灰，换热效率低

检查对流段炉管，发现对流段底部炉管表面有积灰，但无法确定积灰量。在8月份检修期间打开加热炉后，进入对流室检查发现炉管表面积灰情况较严重，造成介质传热阻力增大，传热效率下降。炉管积灰每增厚1mm，炉膛温度就要上升60～70℃，排烟温度上升20℃，热效率下降1%。

1.2.3 炉体保温有破损，散热损失大

对相关参数进行测量后，计算了加热炉的散热损失量。加热炉全年运行时间为330天，总供热量约为19972.7×1010J/年，平均散热强度以 658.8W/m2计算，可以得出散热损失占其总供热量的2.95%。同时对加热炉炉体保温进行检查，发现保温层表面出现少量裂纹，顶部表面出现少量粉化脱落情况。

1.2.4 炉火燃烧效果差，不完全燃烧损失大

烟气含氧量和炉膛压力是影响加热炉燃烧效果的主要参数。目前工艺卡上对上述两参数的控制范围较大，容易造成燃料气燃烧不充分，增加不完全燃烧损失，加热炉热效率下降。

2 解决加热炉热效率下降的措施

2.1 更新空气预热器换热管

空气预热器是回收加热炉排烟余热的重要设备，空气预热器换热管换热效率的高低影响加热炉热效率。由于长期的运转导致加热炉空气预热器换热管积硫结垢严重，并有少量换热管已损坏。因此，对加热炉空气预热器的326根换热管进行更新，降低排烟温度。改造结束后，加热炉排烟温度为150～160℃，达到设计值。同时每年定期对空气预热器换热管进行除硫除垢处理，确保加热炉排烟温度在较低范围。

2.2 清除对流段炉管积灰

对流传热是加热炉能量交换的重要组成部分，传热阻力能够影响对流换热效率，进而影响加热炉热效率。利用高压空气对对流室炉管进行吹灰，清除了炉管表面积灰，达到降低传热阻力，增强传热效果，提高加热炉热效率的目的。

2.3 修复炉体保温层

管式加热炉外壁主要以辐射和对流方式向大气散热，炉壁散热损失越大，热效率越低。

为此，在保温层破损处采用高铝纤维模块保温耐火材料修复保温层，该材料具有重量轻、导热性能低、易安装、纤维模块弹性好不易裂缝等特点。修复后，加强炉体保温效果，减小炉壁面的散热损失。

2.4 正交试验确定加热炉运行参数最佳值

影响加热炉热效率的因素很多，如原油处理量、空气预热温度、燃料气品质、炉出口温度、烟气含氧量、炉膛压力等等。为优化加热炉燃烧效果，减少不完全燃烧损失，经过全面考虑后，最后确定炉出口温度、烟气含氧量、炉膛压力为本试验的试验因素，分别记作A、B、C，进行三因素四水平正交试验，因素水平表见表1所示。

表1 加热炉热效率正交试验设计表

试验号并非试验顺序，为了排除误差干扰，试验中可随机进行；安排试验方案时，部分因素的水平是采用随机安排的方式进行的。

由上表可知，三个因素的优水平组合为A3B2C3，即影响加热炉热效率各因素的最优控制条件为炉出口温度为216℃，烟气含氧量为4%，炉膛压力为-31Pa。

观察表中数据，比较各因素的极差R值的大小，可见RA＞RB＞RC，所以因素对试验指标影响的主、次顺序是ABC。即炉出口温度的影响最大，其次是烟气含氧量、炉膛压力。通过试验找到了加热炉主要运行参数的最佳控制值，为燃料气完全燃烧提供依据，同时减少不完全燃烧损失，确保加热炉高效运行。

3 经济效益和社会效益

3.1 经济效益

所有措施耗费共计40万元，若以2013年1～6月原稳装置加热炉天然气消耗量209×104m3为参照，当加热炉热效率由83.30%提高至89.42%，根据天然气消耗量与加热炉热效率的关系，推算出全年可节约天然气28.61×104m3，按照天然气市场价格1.90元/m3计算，可创造经济效益54.36万元。由此可计算出投资回收期为0.74年。

3.2 社会效益

节约天然气28.61×104m3，可使温室气体减排约657.72t。本次活动节约能源消耗，减轻环境污染，同时为企业打造绿色化工企业做出了贡献。

4 结语

针对原稳装置加热炉热效率下降的问题，通过采用正交试验的方法，改善加热炉燃烧效果；通过更新空气预热器换热管、对炉管吹灰、修复保温层的措施解决了加热炉排烟温度高、热效率低的问题。措施实施后，原稳装置加热炉热效率提高了6.12个百分点，可节约天然气28.61×104m3，为企业创造经济效益31.47万元/年，投资回收期为1.27年；同时减少温室气体排放657.72吨，实现节能减排。管式加热炉还有很多可以改造的空间，今后我们争取在以下几个方面取得进展。

（1）增加在线超声波防垢设备对炉管进行除垢处理，超声波防垢技术利用声能量的作用，使灰垢脱落，被烟气流带走，从而清除炉管外部的积灰。

（2）烟气余热回收。采用新技术改良现有空气预热器，尽量减少结垢或容易除垢，降低维护成本。

（3）采用新型加热炉全密封技术。高铝纤维模块虽然在材料性能方面表现优异，但在炉体拐角、开孔等处易产生分层、破损及脱落，可考虑在这些地方采用新的全密封技术，进一步控制加热炉的泄漏和散热。