基于经济性的加热炉效率和排烟温度

2023-12-23远战红王海涛李长浩高中金

炼油与化工 2023年6期

远战红，王海涛，李长浩，胡磊，高中金

（1.中国海油惠州石化有限公司，广东惠州，515086；2.中国石化工程建设有限公司，北京，100101；3.洛阳瑞昌环境工程有限公司，河南洛阳，471000）

石化火焰加热炉的能耗占比在30%～40%，个别装置高达70%～80%［1］，从占比可以看出，加热炉每提升1%效率，装置综合能耗能降低0.4%～0.5%，所以加热炉的能耗必然是行业节能关注的焦点。

理论上，根据年节省燃料费及年分摊投资费，可计算出年总收益，找出比较经济的排烟温度［1］。然而，设备投资、建设成本、燃料成本、环保成本等均不是稳定值，较难精准找到最佳操作点，但通过排查和逼近，可以找到比较接近的目标范围。一般采用SH/T3036 提供的G.3.2.3［2］方法来计算加热炉效率，文中在此基础上，以广东沿海气候为基础条件，以新建100 MW 单体方箱式烧气型工业加热炉为研究对象，根据观测数据，重点对影响加热炉效率的主要因素进行了定性或定量的分析评估，得出了该炉型比较经济的排烟温度和效率范围。

1 加热炉效率影响因素

1.1 排烟特性对效率影响的半定量分析

1.1.1 烟气中冷凝水对效率的影响分析112 MW的加热炉，配备1 台10～12 MW 的空气预热器，回收能量主要以烟气显热为主。当烟气温度低于露点温度时，其中部分水会以液态排出。观察发现，112 MW 炉子燃料气消耗6.8 t/h，烟气排量181 t/h，排烟温度在85 ℃时，预热器底部有200～300 kg/h的冷凝水出现。按水的潜热2 260 kJ/kg计算，冷凝释放的潜热为300×2 260÷1 000÷3 600=0.19 MW，可以看出，此部分潜热总量不大、热品位较低并呈一定的酸性（pH值为4～6），回收意义不大。

1.1.2 排烟携带的显热影响分析在烟气组分无相变发生时，烟气显热释放量与排烟温度呈线性关系，数据见表1。

表1 烟气显热典型值定性计算

从表1 可以看出，当排烟温度从180 ℃降低到150 ℃时，从烟气中回收的能量可增加1.69 MW，其中N2携带能量1.13 MW，占排烟损失的67%，所以N2的存在，不可避免对加热炉的效率产生较大影响，但作为廉价的空气，其氮含量无法调整，所以N2携带的热量只能通过降低排烟温度来减轻。

1.2 露点的影响

1.2.1 露点的产生烟气露点温度对设备的腐蚀主要取决于SO3的含量，也受SO2向SO3转化量的影响［2］。由于露点温度对设备材质的影响较大，所以露点温度的影响归根结底是经济性问题。随着节能技术和低碳发展的需要，多数加热炉将烧自产燃料气改为混烧天然气。

天然气的硫含量约60×10-6，自产燃料气约350×10-6，如按常规掺烧比例6：4（LNG：LPG）计算，烟气中约有7×10-6的硫含量（主要是SO2），按SO2向SO3的转化率2%计，则烟气中SO3含量为0.14×10-6，露点温度为103 ℃［3］，MÜller 露点-SO3曲线见图1。

图1 MÜller露点-SO3曲线

1.2.2 露点在空气预热器内的形成及影响对于有中间热媒的空气预热器（如热管式、相变式），只要控制排烟温度高于露点温度，一般不会出现冷凝结露现象。

对于没有前置预热器的间壁式空气预热器（如板式、管式和扰流子式等），单纯把排烟温度提高到露点温度以上，无法避免冷凝结露。原因是间壁式预热器是空气与烟气在换热板2 侧直接换热，换热板的温度介于烟气及空气的温度之间。假设烟气露点温度是110 ℃，户外空气温度为0 ℃，当控制排烟温度为120 ℃时，间壁式空气预热器空气入口处（即空气温度最低处）换热板/管平均温度只有60 ℃，远低于烟气露点温度，相当于120 ℃的热烟气中出现了60 ℃的“冷壁”，当烟气流过“冷壁”时，水蒸汽就会发生冷凝结露，并附着在换热板表面。

换句话说，只要冷空气温度低于露点温度，冷凝结霜就很难避免。

CFD模拟的板式空气预热器温度分布见图2。

图2 玻璃板式空气预热器温度场分布

从图2可以看出，CFD 模拟的板式空气预热器的烟气进/出口温度分别为150 ℃/100 ℃，空气进/出温度分别为10 ℃/65 ℃。板片温度自左上至右下呈“三角形”不均匀分布。虽然烟气进/出口温度为150 ℃/100 ℃，但实际换热板表面温度最高107 ℃，最低40 ℃，原因是换热板比较薄，换热板温度近似于2侧温度的平均值，即便排烟温度高于露点温度，当烟气接触温度较低的“冷壁”时，冷凝仍会发生。所以，对于间壁式类换热器，防露点腐蚀设计是关键。

烟气中水发生冷凝的温度在55～60 ℃（按照烟气中水含量体积比15%～20%考虑），由于预热器板片平均温度低于烟气出口温度，因此冷凝结露只发生在预热器内部，并伴随溶出部分的酸性物质，通过空气预热器后的烟气，因温度高于水的露点，所以水在冷烟道和烟囱内不会发生冷凝［4］。

从了解到的炼油厂燃料硫含量情况看，实际进入烟道和烟囱的SOX量非常少，SO2本身不会直接腐蚀烟道和烟囱，只有转化为SO3并在湿水环境才具有腐蚀性，而SO2在烟气环境中向SO3的转化率一般在2%～5%，所以低温排烟对烟道和烟囱的腐蚀影响微乎其微。

1.3 加热炉表面散热分析

关于炉体表面温度，按SHT3036-2012 规定，在无风、环境温度为27 ℃条件下，辐射段、对流段和热烟风管道的外壁温度不超过80 ℃，辐射段底部外表面温度不超过90 ℃。

实际生产中，炉墙外表温度能稳定到60 ℃，一般能优于设计指标。具体的加热炉表面热流量可依据表2和表3计算［5］。

表2 加热炉散热表面积

表3 加热炉表面散热损失计算

从表3 可以看出，炉体表面温度/环境温度分别在60/27 ℃和80/40 ℃时，炉子表面热流损失分别为1.3 MW 和1.6 MW。热流损失虽然绝对值较大，但考虑到冬季夏季变化及投资收益率，进一步降低表面温度，工业获利略显不足。

1.4 不完全燃烧/低NOX/过剩空气系数

空气过剩系数不足，会导致一定程度的不完全燃烧，提高助燃空气的温度，可改善空气过剩不足和炉膛温度的分布不均，但助燃空气温度过高会导致NO 大幅增高和火嘴结焦甚至变形，所以，空气的温度不宜超过300 ℃。

降低助燃空气中O2浓度，可以大幅度降低NOX 的产生，一般情况下，氧浓度降低一半，NOX可降低1 个数量级［6］，说明NOX 的生成，对O2的浓度非常敏感。但降低助燃空气中的氧含量会导致更多的N2进入而产生更多的烟气显热损失，所以一般不采用降低氧含量的方法来降低NO 的生成。近年来，超低NOX燃烧器已成为主流，主要是通过烟气回流技术降低燃烧区域的O2浓度。

空气过剩系数控制在1.1～1.3 之间，符合GB/T 15319 不高于1.25［5］的规定。过剩系数每降低0.1，加热炉热效率提高1.3%，但仅适于低效加热炉的粗略评估，对于高效加热炉，数据需要大幅修正。

随着精细化操作的提升，CO 控制技术得到市场的认可，在经过特殊的稳焰设计后，CO可控制到40～80 mg/m3，空气过剩系数可到1.05甚至更小。

1.5 经济排烟温度分析

排烟温度越低，余热回收的末端温差越小，需要换热面积就越大，1次投资会快速增加，见表4。

表4 余热回收工况计算

从表4 可以看出，当排烟温度在89.5 ℃时，加热炉理论效率在95%；当排烟温度为100 ℃时，理论效率可到94.5%。排烟温度从100 ℃降至80 ℃时，节能经济效益上升10%，但换热面积上升了62%，考虑钢结构和地基载重能力的提升，总投资预计会上升70%，性价比很低。插值分析发现，在排烟温度从100 ℃降到80 ℃的过程中，投资上升率和经济效益均在84.5 ℃左右出现拐点，此时加热炉理论热效率在95.2%，考虑到可能出现的其它散热损失及漏风，实际效率要低于95.2%。通过插值逼近，经济的排烟温度和效率在85 ℃/95%。

2 优化余热回收效率的推荐措施

2.1 铸铁板低温预热器

该方案在高温段使用碳钢或不锈钢材质，低温段使用铸铁板，并铸造双面翅片来增加传热。优点是具有较好的抗露点腐蚀能力，缺点是铸铁材质比较笨重，翅片易积灰。对于此类型换热器，排烟温度可降低到露点温度以下。为减少酸水的产生，多数工厂会将排烟温度控制在88 ℃以上。此方案加热炉效率可做到94.5%。

2.2 玻璃板/玻璃管低温预热器

该方案在高温段使用碳钢或不锈钢，低温段使用玻璃板或玻璃管换热器。玻璃材质抗腐蚀能力强，流动阻力小，流速高，不易积灰，易清洗，具有单位体积的换热面积大，易模块化设计、制作、安装和维修等特点。玻璃热膨胀系数小、易脆、抗拉弯扭振能力差，所以玻璃换热器更适用于15 kPa以下的腐蚀性介质。由于玻璃材质具有超强的耐腐蚀能力，所以不受露点温度的影响，使用玻璃材质的换热器，加热炉总效率能做到94.5%～94.8%。