【文章內容簡介】 灰器、聲波氣體溫度測量系統(tǒng)等主流節(jié)能技術。 我國煉化加熱爐節(jié)能技術的應用情況 伴隨國家對科學發(fā)展觀的逐步落實，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的地位日益突出。國內各煉化企業(yè)也更加重視加熱爐優(yōu)化設計，通過對加熱爐的改造來實現(xiàn)降低能耗，減少污染物排放。國內煉化企業(yè)主要通過管式空氣預熱器、余熱鍋爐等技術的應用來降低排煙溫度，回收余熱；應用蒸汽、激波、聲波等方式清除灰塵，減少熱量損失；使用重質燃油助燃劑或者應用強化傳熱型助燃器來提高燃燒效率；利用優(yōu)質隔熱材料來降低熱量散失；利用煙氣分析儀、紅外 熱像儀等檢測技術時時監(jiān)控排煙指標。 2021年 5月，遼陽石化公司引進美國 GTC公司技術對其 45萬噸 /年對二甲苯裝置的 3臺加熱爐實施在線清灰清垢，不僅減少了煙氣排放量，增強了熱能傳導，而且降低了能耗。利用煙氣分析儀、紅外熱像儀等檢測技術時時監(jiān)控排煙指 3 標。 2021年 8月，吉林石化煉油廠對加熱爐實施技術改造，進一步完善加熱爐燃燒系統(tǒng)，以提高加熱爐熱效率，降低加熱爐燃料消耗 [6]。 不僅減少了煙氣排放量，增強了熱能傳導，而且降低了能耗 [7]。 2021年 7月，加熱爐在線機械清焦技術首次應用于克拉瑪依石化公司 150萬噸 /年延遲焦化裝置 [8]。從整體來看，我國的煉化爐的設計、制造、新型材料和新型設備組的開發(fā)應用都遠不及國外技術水平，仍有待提高。 管式加熱爐節(jié)能技術的發(fā)展趨勢 在當今經濟、環(huán)境、能源的總體形勢之下，世界各國都將減少能源的使用、降低污染物的排放作為發(fā)展本國經濟的大前提。因此，管式加熱爐的結構設計與優(yōu)化成為了各國研究者競相研究的課題。來達到能源、技術、經濟、環(huán)境這四個方面因素的協(xié)調，制造出低能耗、低污染、低成本、高效率的新一代加熱爐體系。除此之外，應用先進的燃燒技術、新型爐用材料、脫硫技術、余熱回收技 術等使加熱裝置得到更多的發(fā)展 [9]。 節(jié)能設計的新型技術 通過研究初始參數(shù)數(shù)據(jù)、設計手冊以及參考文獻，得到了如下幾方面的新興技術：將使用燃料油更換為燃料氣，降低了原本使用燃料油時的過量空氣系數(shù)，使燃料能在燃燒爐中充分燃燒，提高了燃燒爐的熱效率；將流室內釘頭管布置為交錯排列的結構，強化煙氣與管內原油的傳熱，從而也提高了加熱爐的熱效率；采用爐管吊鉤，優(yōu)化了吊鉤結構的復雜程度和重量；通過優(yōu)化加熱爐結構設計， 4 提高生產能力，節(jié)約能源；通過使用采用輕質的澆注料，改變其自身性質，應用致密陶瓷纖維材料作為里襯，以 及噴涂隔熱涂料，都能夠降低熱量的散失，提高效率；將全密封結構應用于對流室彎頭箱，通過多種方式提高爐體的整體密封性，減少熱量散失。 確定設計方案 根據(jù)以往加熱爐的實際設計要求，綜合考慮到設計時的實際參數(shù)、對加熱爐的設計要求、資金投入情況以及實際工作時的運行要求，確定采用兩臺輻射 對流型圓筒加熱爐并聯(lián)運行設計方案。 圖 0： 管式加熱爐 5 2 管式加熱爐工藝計算 計算設計熱負荷及加熱爐選型 計算設計熱負荷 熱爐每小時傳給被加熱物料的總 熱量被稱為有效熱負荷，體現(xiàn)了爐子的供熱能力（生產能力） [15,911]。加熱爐的總負荷包括原料及水蒸汽通過加熱爐所吸收的熱量和注水汽化熱等其他熱負荷 [15,911]。 根據(jù)燃料和過熱蒸汽的特性，計算加熱爐的總負荷，計算公式如下： ? ?? ? ? ? QIIWIIeeIWQ SSSiLVF ?????????? 121 式中： Q180。 — 加熱爐計算總熱負荷， kJ/s ； WF — 油料流量， kg/s ； Ws — 過熱蒸汽流量， kg/s ； e — 管內介質在爐出口處的氣化率， %； IL — 油料出爐溫度下液相熱焓， kJ/kg； IV — 油料出爐溫度下氣相熱焓， kJ/kg； Ii — 油料入爐溫度下液相熱焓， kJ/kg； IS1 — 過熱蒸汽入爐溫度下熱焓， kJ/kg； IS2 — 過熱蒸汽出爐溫度下熱焓， kJ/kg； Q″ — 其他熱負荷， kJ/s 。 6 由設計初始數(shù)據(jù)得： （一）原油參數(shù) （ 1）原油流量 WF： ； （ 2）原油入爐溫度： 280 ℃ ； （ 3）原油出爐溫度： 360 ℃ ； （ 4）原油比重： （ 20 ℃ ） ； （ 5）原油的特性因數(shù)： ； （ 6）原油汽化率： 30 % ； （ 7）原油在 280℃ 下的液相熱焓 Ii： kJ / kg ； （ 8）原油在 360℃ 下的液相熱焓 IL： kJ / kg ； （ 9）原油在 360℃ 下的氣相熱焓 IV： kJ / kg 。 （二）過熱蒸汽參數(shù) （ 1）爐進口溫度： 142℃ ； （ 2）爐出口溫度： 420℃ ； （ 3）爐進口壓力： ； （ 4）爐出口壓力： ； （ 5）進爐流量 為原油處理量的 10%； sW ： 6 skg/ ； （ 6）蒸汽在 142℃ ， IS1： kJ / kg ； （ 7）蒸汽在 420℃ ， IS2： kJ / kg 。 將以上數(shù)據(jù)代入公式（ 1）中得單臺管式加熱爐熱負荷： Q? = 60[+()] 7 + 6( )＋ 0 kJ / s = + = kJ / s 根據(jù)文獻 [2]的相關規(guī)定采用：設計熱負荷 =； 加熱爐的設計熱負荷： Q = Q = = ； 加熱爐熱負荷裕量： 0Q = Q = = 。 爐型選擇 根據(jù)設計熱負荷，選定設計的加熱爐具體型式為：輻射 —對流型圓筒加熱爐，采用現(xiàn)場組裝 [15,10,11]。 圖 燃燒過程計算 在一定的溫度下，燃料中所含的可燃性成分與空氣中的氧接觸，發(fā)生伴隨放光和熱量的強烈氧化作用過程成為燃燒。燃燒后生成的混合氣體稱為燃燒產 8 物（即煙氣） [5,12]。 燃燒必備的三個條件是：可燃性物質、空氣（氧）及溫度。在可燃性物質存在、保持一定溫度的條件下，如果供給足夠的空氣， 燃燒過程會很順利的進行。否則，將導致燃 燒不良，甚至不能燃燒 [5,12]。 燃料的熱值是指單位質量或單位體積的燃料完全燃燒時所能釋放的最大熱量。燃料的熱值隨著其組成成分的不同而有所差異。一般分為高位熱值和低位熱值兩種。高位發(fā)熱值是指單位質量或單位體積的燃料完全燃燒后，其產物冷卻到燃燒前的狀態(tài)時其中水蒸氣以液態(tài)形式存在時所放出的全部熱量；低位發(fā)熱值是指單位質量或單位體積的燃料完全燃燒后，其產物冷卻到燃燒前的狀態(tài)時其中水蒸氣以氣態(tài)形式存在時所放出的全部熱量 [12]。 燃燒氣的高、低位發(fā)熱值按公式（ 2）、（ 3）計算， y qQ ihh ?? （ 2） y qQ ill ?? （ 3） 被加熱介質的組成： C—% H—% S—%； 式中： hQ — 燃料氣的高位發(fā)熱值， kJ/ Nm179。 ； iQ — 燃料氣的低位發(fā)熱值， kJ/ Nm179。 ； hq — 燃料氣各組分的高位發(fā)熱值， kJ/ Nm179。 ； 9 iq — 燃料氣各組分的高位發(fā)熱值， kJ/ Nm179。 ； iy — 燃料氣各組分的體積百 分率， % 。 煉廠瓦斯的高位發(fā)熱值為： Q h =13347kcal/Nm179。 =179。 ； 煉廠瓦斯的低位發(fā)熱量為： Q l =12251kcal/Nm179。 =179。 。 計算理論空氣量 理論空氣量是指按照化學當量比進行燃燒時，單位質量或單位體積的燃料所需的空氣量 [5,12]。 燃料氣的理論空氣量可按公式（ 4）計算， 式中： Lo — 燃料氣的理論空氣量， kg(空氣 )/Nm179。(燃料氣 ) ； H CO、 CmHn、 H2S、 O2 —燃料氣中 H CO、 CmHn、 H2S、 O2 的體積百分率； m — 碳氫化合物中碳原子數(shù) ； n — 碳氫化合物中氫原子數(shù) 。 經計算，燃料氣的理論空氣量 L0 =(空氣 )/Nm179。(燃料氣 ) 。 選取過剩空氣系數(shù)及加熱爐排煙溫度 A 選取過剩 空氣系數(shù) 10 燃燒在理論空氣量下完全燃燒，在工業(yè)加熱爐中是不可能完成的，而是在一定過?？諝饬康臈l件下才能達到完全燃燒。過剩空氣系數(shù)是指實際進入爐膛的空氣量與理論空氣量的比值 [15,12,13]。過剩空氣系數(shù)的大小直接影響燃燒的品質：過?？諝庀禂?shù)小于 ，會引起燃燒不完全、熱分布惡化、造成回火、爐管腐蝕；過?？諝庀禂?shù)太大時，過剩的空氣將帶走大量的熱，不僅增加排煙熱損失、降低爐子的熱效率，還會加速爐內部件的氧化、增加對流室的熱量、加劇煙氣低溫露點腐蝕等 [15]。因此合理地選擇過剩空氣系數(shù)對于提高加熱爐熱 效率，達到節(jié)能減排至關重要。 目前圓筒爐和立式爐輻射段的過?？諝庀禂?shù)約為 ～ ，對流段的過?？諝庀禂?shù)約為 ～ ；計算自然通風操作管式加熱爐的熱效率時，過剩空氣剩余系數(shù)應采取如下數(shù)值：自然通風燃氣時，取 ；自然通風燃油時 ,取， [15,12,13]；當用燃料氣作為燃料時，氣體燃料的熱效率最高時：輻射段的過?？諝庀禂?shù)為 ，對流段的過?？諝庀禂?shù) [18]；加熱爐在實際運行過程中，不可能時刻在設計工況下工作，得將裕量考慮進去。 綜上，輻射段的過?？諝庀禂?shù)取 ；對流 段過?？諝庀禂?shù)取 。 B 選取加熱爐排煙溫度 當對流段采用光管時，排煙溫度 ts=tl+(80~120)℃ ；當對流段采取翼片管或釘頭管時，排煙溫度 ts=tl+(45~80)℃ ；采用余熱回收并使用翼片管時，排煙溫度 ts=飽和蒸汽溫度 +(25~45)℃ [15]。 選定對流段的排煙溫度 ts1=380℃ ；過熱蒸汽段的排煙溫度 ts2=280℃ 。 計算加熱爐熱設計效率 11 管式加熱爐的熱效率表示管式爐體系中參與熱交換過程、為達到規(guī)定的加熱目的，供給能量利用在數(shù)量上的有效程度，即有效熱量對供給能量的百分 數(shù) []?？梢圆捎谜胶夂头雌胶鈨煞N方法計算管式加熱爐的熱效率。由于反平衡能夠直觀的反映加熱爐的各項熱損失數(shù)值、造成熱損失的原因，給提出降低熱損失措施提供依據(jù)，故采用反平衡法計算管式加熱爐的熱效率 [15,1418]。 應用反平衡方法計算管式加熱爐的熱效率， 321100 qqqη ? （ 5） 式中： ? — 加熱爐的設計效率， % ； q1 — 煙氣離開加熱爐時帶走的熱量損失， % ； q2 — 加熱爐表面散熱損失， % ； q3 — 機械和化學不完全燃燒損失， % 根據(jù)選取的過量空氣系數(shù)及排煙溫度，通過查文獻 [2，圖 22]，得 q1 = 114%； 加熱爐表面散熱損失（無空氣預熱系統(tǒng)）的規(guī)定，取 q2= [10,11] ； 加熱爐的不完全燃燒損失為 %； 綜上，加熱爐熱設計效率 ? = = 。 燃料氣用量 燃料氣用量可用公式（ 6）計算： （ 6） 12 式中： B — 燃料氣用量， Nm179。/s ； Q — 加熱爐設計熱負荷， kJ/s ； Q1— 燃料氣的低位發(fā)熱值， kJ/Nm179。； ? —加熱爐的設計熱效率， %。 代入數(shù)據(jù)得： 計算煙氣流量 加熱爐煙氣流量可用公式（ 7）計算： （ 7） 式中： gW — 煙氣流量， skg/ ； SW — 霧化蒸汽用量， kg (蒸汽 )/kg (燃料油 ) ； ? — 過剩空氣系數(shù)； 0L — 燃料氣的理論空氣量， kg （空氣） / 3Nm （燃料氣） ； ? — 燃料氣用量， /sNm3 。 代入數(shù)據(jù)，得： skg... W g /)61051741( ?????? 輻射室熱力計算 s3m6004951 2928250 1324 199 /Ν... .Β ??? 13 燃料 在燃燒過程中生成的高溫煙氣，先后經過輻射室、對流室