炼油加热炉节能技术现状及展望

李斌，王茂生，戴晓辉，刘旭旭，邵晓荣

（陕西精益化工有限公司，陕西 榆林 719300）

随着能源日益匮乏，科技革命和产业变革日渐深入，人们的活动方式逐步向低碳化、智能化转变，能源体系正在向非化石能源主导的阶段发展。“十四五”期间是中国能源低碳转型、实现“双碳”目标的关键时期，国家正在加速推动能源绿色低碳转型，加快实施重点行业节能降碳。

1 概述

炼油行业在发展过程当中消耗大量能源，不仅影响经济效益，也为行业的稳定发展带来不利影响，同时伴有环保问题，节能和提高能源利用效率成为社会共识［1］。

炼油加热炉的能耗占整个炼油行业能耗的35%，只有挖掘炼油加热炉节能技术、提高炼油加热炉的能效，才能达到节能降碳的目的［2］。

加热炉根据外形结构、辐射盘管形式、燃烧器的布置及其组合划分有很多种。各种炉型的优缺点不仅是从投资的经济性比较得出结论，还要结合其适用性来评估。不同的炉型的适用场合也不同，应将选用炉型在技术和经济方面的因素综合纳入考虑［3］。李文辉［4］针对加热炉通风方式展开讨论，并就4种通风方式在强化燃烧和强化传热方面的可行性做了详细的总结分析，为炼油加热炉节能技术发展提供了参考依据。

2 能量损失分布和节能措施现状

造成加热炉热效率低的因素很多，裴召华［5］将影响管式加热炉热效率的因素分类为过剩空气系数、不完全燃烧、排烟温度等。邹家民等［6］从能量转化的角度对热效率影响因素进行了分析，认为燃料在加热炉燃烧后所放出的热量除一部分被加热的炉管内介质吸收外，剩余均被以烟道烟气带走、炉体散热、以及不完全燃烧等方式损失，该热量损失也是导致加热炉热效率低的主要因素。

2.1 炉体散热损失

有分析结果显示，加热炉散热损失58.21%在炉顶，炉墙和炉底散热量远不及炉顶，所以炉顶可适当调整保温材料的厚度，可减少散热损失［7］。Prasanth R［8］等对CPCL炼油厂原油蒸馏装置加热炉目前使用的保温材料进行了分析，并用先进的保温材料代替，最大限度减少通过辐射墙段的热损失。

李振林［9］等通过以排烟热损失、未完全燃烧热损失和炉体散热损失3种热损失作为权数引出综合指标的概念，并分析总结得出相应的计算公式，实现了对加热炉在原有的单项评价指标的基础上更加完善的评价，同时为加热炉评价过程中对于节能点的寻找以及改造最终实现节能目标提供了方法。

许景阳［10］针对加热炉炉体绝热，利用硅酸铝容重轻、热导率小、耐温高、热稳定性好和抗震性强等物理特性，认为是绝佳的耐火纤维绝热材料，将是减少炉体散热损失的发展方向。

2.2 烟气排放损失

炼油加热炉的烟气排放损失主要有排烟热损失和气体不完全燃烧热损失2种。加热炉烟气排放过程中会携带大量的热量，在炼油加热炉中所占的比例大约在5%～7%，但在全部热损失中占的比例高达50%以上，加热炉节能技术的关键在于如何减少排放损失。

有经验表明，同等条件下，排烟温度每升高10℃，热损失增加0.5%～0.8%，但露点腐蚀的限制为降低排烟温度增加了难度［12］。降低加热炉排烟温度最有效的方法是增设或改造空气预热器，用烟气余热加热入炉空气，从而使热量回至加热炉达到重复利用的目的［13］。

Yu Zhou［14］等通过高温空气燃烧（HTAC）技术（又称蓄热式燃烧技术）实现了节能、CO2、NOx减排和低噪声燃烧，在各类中大型加热炉中应用广泛，取得良好效果，但在小型炉上的应用较少。

张霞等［15］对富氧燃烧技术在加热炉上应用过程中的节能特性及减排性能进行了重点分析，认为富氧燃烧方式较传统燃烧方式具有节能、增加烟气辐射能力、增加产量等优点。

吴黎明［16］等认为富氧燃烧可以使燃烧产生的烟气中CO2的浓度达到90%以上，高浓度的CO2可有效改善加热炉受热面的传热，同时可以减少NOx和SO2等的排放。

2.3 过剩空气造成的热损失

在保证加热炉正常燃烧的前提下，应当尽量减少通入加热炉的空气量，最终减少空气从加热炉中带走的热量。尤勇［17］通过对空气过剩系数影响因素的分析，开展了加热炉运行状态优化试验，通过测试和分析过剩空气系数与排烟热损失和加热炉热效率之间的关系，讨论了过剩空气系数对加热炉热效率的影响，并给出了最佳的过剩空气系数适用范围，同时创造了较高经济效益。

王复越［18］分别对富氧量与烟气回流量对试验炉内温度分布、炉内流场变化、烟气排放、污染物NOx生成的影响及变化规律进行了分析与对比，认为富氧空气助燃对炉膛内部起到提升炉温的作用，但烟气回流量对炉膛内不仅起到均匀化炉内温度分布的作用，而且可以抑制局部温度过高、增大高湍流强度、增强对流换热的效果，同时，炉内生成辐射能力较强气体中三原子分子浓度大幅升高，炉气的辐射换热能力也得到大幅度提高。

Huang Mingming［19］等为促进MILD方案在炉内的应用，在高热值下，评估过量空气系数对MILD燃烧的影响，同时观察到过量空气系数对气体再循环、热均匀性和减少废气排放有积极作用。

Benmenine，D.a，b［20］等通过考察空气预热温度和过量空气系数对燃烧过程的影响发现，当过量空气系数或空气预热温度升高时，温度场变得更加均匀。

3 节能研究进展

3.1 空气预热器节能

空气预热器作为加热炉降低排烟温度、提高加热炉热效率的重要设备，主要在炼油行业起到节能减排的作用。逯红江［21］对原热管式空气预热器在实际运行中存在的热管外表面翅片积灰结垢、热管失效、低温段腐蚀失效等问题进行了比较深入的分析，通过分析和对比，总结得出了玻璃板管式空气预热器在节能方面具有优势。

V.A.Naletov［22］对加热炉和用于空气预热的多通回热换热器组成进行了系统的研究并总结得出了在推荐的运行条件下，带有加热炉和回热换热器的系统中的总（火用）损失减少和节能经济性的结论，为加热炉空预器研究提供了节能依据。

潘琦琨［23］针对加氢裂化装置加热炉热管空气预热器存在效率低的问题，通过采用水热媒技术予以有效的解决，保障了装置长周期高效运行。

李保良和王景堂［24］将空气预热器由原热管式改造为组合式，即高温段采用不锈钢板式模块而低温段采用玻璃管模块，实现了排烟温度可调节，检修期间方便拆卸维护。

3.2 强化辐射管传热

通过对炉膛内传热过程的分析，认为影响辐射传热过程的关键因素主要有炉衬与工件的比表面积（可由辐射传热角系数表示）、热辐射场的空间分布（可由传播路径表示）、炉衬辐射发射率（可由黑度表示）。将新型陶瓷基复合材料及特殊工艺制成的热辐射体安置于炉膛耐火层表面适当部位，不仅使炉衬的辐射传热面积增加，还可以提高热射线的集中度，增加工件表面受热热流密度，而使炉膛工件辐射传热效率提高，实现节能目的［25］。

张志诚［26］等通过对强化辐射对工业加热炉内传热过程的影响的研究，认为在保持燃料量不变的情况下，炉膛中烟气的平均温度值和传热效率会因安装热辐射元件强化炉壁的辐射传热而显著提高；认为强化炉壁的辐射传热后，保持炉管内介质吸热量不变，可以减少的燃料量约10%。

李治岷［27］认为加热炉使用传统的节能方法的缺陷在于炉膛内的热射线呈漫反射状分布，到位率较低，炉子的热效率低，并在此基础引出了“黑体强化辐射传热节能”的机理，该节能机理的优势在于可以使能耗在现有材料轻型化和减少蓄热散热损失的基础上再降低20%～30%，并在大量实践中得以应证。

卢国楷［28，29］等利用“多孔介质的对流—辐射能量转换效应”来强化辐射传热，在加热炉中加装多孔介质后，相比加装无多孔介质，炉内温度明显升高，排烟温度显著降低，该机理为燃烧、高温换热和高温化学反应装置等的节能设计提供了依据。

3.3 高效燃烧器技术

高效燃烧器又称为高强度燃烧器，其具有能量大、燃烧稳定、燃烧完全、火焰瘦短温度高、喷口烟气速度高等特点，不论从其本身设计制造的经济性，还是从安全、环保、节能的角度考量，都可以实现生产能力的提高。

赵仲慧［30］通过对高效燃烧器在管式加热炉上使用情况的介绍，以及对其在运转中出现的问题的试验和分析，还有对设计和运行中应注意的事项的讨论，为高效燃烧器在加热炉领域的使用提供了重要的借鉴。

S.Sanaye［31］通过对新型高效燃烧器技术在4个产业群27个研究行业当前替代低效燃烧器运行的情况评估，表明目前运行的燃烧器约有57万个，其中66%（约38万个燃烧器）可以被高效燃烧器代替。此外，经济性角度分析表明，在水泥、石灰、砖块生产等非金属矿物行业和铸造等金属行业中，以高效燃烧器替代旧燃烧器会产生非常可观的经济效益。

刘发起等［32］设计的内混式高效空气雾化油燃烧器，具有雾化粒度细、燃烧完全、火焰刚直集中、喷嘴不结焦等特征，该设计为管式加热炉中在燃烧器上的选择提供了新的思路。

Shuhn-Shyurng等［33］通过对旋流、装填高度以及半受限燃烧火焰参数对旋流气体燃烧器热效率和CO排放的影响的考察表明，相比常规径向流燃烧器，旋流燃烧器具有更高的热效率和更低的CO浓度排放。

4 结束语

炼油加热炉作为石油炼制行业中主要的能源消耗环节，发展炼油加热炉节能技术，是降低石油炼制行业能耗的关键，对于中国“碳达峰、碳中和”目标的实现具有重要意义。

炉体散热损失、烟气排放损失以及空气过剩造成的热损失是炼油加热炉热损失的3个主要方面。其中，烟气排放损失占热损失总量的50%以上。空气预热器、强化辐射管传热以及高效燃烧器技术是降低炼油加热炉能耗的3种主要途径，从降低排烟温度、强化炉内传热、提高燃烧效率等方面降低炼油加热炉热损失，指明了未来新建或改造炼油加热炉的技术方向。