管式加熱爐節能技術分析與應用

秦書順 李偉英 張中軍（錦西石化公司）

錦西石化加氫精制裝置反應加熱爐為雙面輻射臥管箱式爐，于1994年8月投產，由北京石化工程公司設計，設計規模80×104t/a。2004年由錦西煉化總廠設計院進行擴能改造設計至100×104t/a，年加工時數8400 h，該加熱爐設計負荷7.559MW，設計熱效率87%。

該加熱爐已服役20年，熱效率已遠達不到設計值，而且外部鋼板腐蝕漏風，爐襯老化脫落，空氣預熱器腐蝕結垢十分嚴重，燃燒器燃燒效果差，難以滿足生產需求并且造成能源的巨大浪費。2013年裝置大檢修期間對加熱爐進行了大規模的節能技術改造，由東北煉化工程葫蘆島設計院設計，此次設計爐效率為89.4%，在加熱爐原有的基礎上對加熱爐進行節能改造。

1 封堵漏風

加熱爐所用空氣，應全部從燃燒處供給，從其他部位漏入的空氣，難以起到有效的助燃作用，而且這部分空氣沒有經過預熱，不參與燃燒的空氣勢必會增加過剩空氣量，造成排煙熱損失增大，而且會加劇爐內部構件氧化，提高SO2向SO3轉化率，加劇露點腐蝕，嚴重影響加熱爐熱效率。據資料介紹，過剩空氣量每增加7%～8%，加熱爐熱效率降低約1%。改造前的加熱爐輻射室、對流室爐皮鋼板腐蝕嚴重，有很多縫隙，防爆門、看火孔、人孔、風道等密封不嚴，大量環境空氣進入爐體，導致過剩空氣系數高。針對這樣的現狀，檢修改造期間做了如下措施：一是更換了全部爐皮鋼板，包括防爆門、看火孔、人孔、風道等附屬設施；二是對物料管進出口管套，對流室管板縫隙、空氣預熱器與爐體連接處等易漏風部位重點檢查和封堵，有效控制爐體的漏風現象，提高爐體密封性。改造后的過剩空氣系數可保持在1.1，對使用多年的加熱爐來說封堵漏風是一項非常有效的節能措施。

2 襯里改造

加熱爐襯里在加熱爐內部和外部環境之間起到隔熱的作用，爐體的散熱損失是加熱爐熱損失的重要部分，能夠有效地降低這部分損失也是提高加熱爐熱效率的有效途徑。

原加熱爐輻射室采用耐火纖維襯里，雖然絕熱性能較好，但是耐火纖維強度低，抗氣流沖刷能力差，而且安裝時層間和接縫等部位多使用粘結劑粘接，隨使用時間推移會出現損壞甚至脫落。改造前的加熱爐輻射室外表面溫度就有明顯超標，最高溫度可達170℃，為提高爐體絕熱性能，在節能改造中拆除原耐火纖維襯里，采用耐火澆注型襯里，澆注料是由骨料、耐火粉料和膠結劑按一定比例配制而成，施工時加水攪拌具有較好的流動性，再經成型、養護使其凝結、硬化即可，砌體具有結構接縫少、整體性強、硬度高、抗沖刷能力強、密封性好、易于錨固等優點。改造前后兩種襯里的對比見表1。

經過改造，加熱爐爐體表面溫度顯著降低，圖1、圖2是輻射室上部兩塊爐體鋼板改造前后測點溫度，兩次測點的環境溫度比較接近，從數據對比可以看出改造后的襯里可以有效降低爐體的散熱損失。

表1 加熱爐襯里改造前后對比

圖1 改造前（2013年8月份）

圖2 改造后（2014年4月份）

3 余熱回收系統改造

加熱爐煙氣帶走的熱量是加熱爐熱損失占比最多的部分，高效地回收煙氣熱量對加熱爐熱效率的提高至關重要。一般加熱爐對流室排煙溫度大概在300～400℃，讓這部分煙氣在空氣預熱器內與風道內的空氣換熱，提高入爐空氣的溫度，達到余熱回收的目的。原加熱爐空氣預熱器為鋼管式，其排煙溫度高達200℃，原因是空氣預熱器結垢、腐蝕導致換熱效果差，改造中重新核算了空氣預熱器的負荷，確定合理的排煙溫度，更換了新的空氣預熱器。

隨著排煙溫度越來越低，在高效地回收了熱能的同時也凸顯出另外一個問題，那就是露點腐蝕。露點腐蝕的機理【1】：一般加熱爐的燃料中均含有少量的硫，硫經過燃燒生成SO2，由于燃燒室內有過量的氧氣存在，所以又有一部分SO2進一步與氧結合形成SO3，高溫煙氣中的SO3不腐蝕金屬，但隨著煙氣溫度的降低，SO3將與水蒸氣結合生成硫酸蒸汽，當硫酸蒸汽冷凝在金屬表面上就發生了露點腐蝕。露點腐蝕的溫度與燃料中含硫量有著直接的關系，所以排煙溫度應根據燃料的含硫情況而定，燃料中的硫含量并非一成不變，而一般加熱爐的排煙溫度卻很難隨之做出調整，所以此次改造中為加熱爐的風道增加了一套冷旁路控制系統（圖3），空氣預熱器的設計排煙溫度為130℃，對應燃料硫含量100mg/m3，若燃料含硫增加，可以通過空氣冷旁路調節排煙溫度，而且北方四季溫差較大，通過冷旁路的調節可以將排煙溫度始終保持在合理的溫度，這樣既有效地回收了煙氣的熱量，也可以最大限度地保護設備。

圖3 加熱爐余熱回收系統流程圖

4 燃燒器改造

燃燒器是管式加熱爐的重要部件，燃燒器的性能不僅直接決定著燃燒工況，對加熱爐的熱負荷、熱效率、爐管的熱強度、加熱的均勻性以及對環境污染都有著重要的影響。尤其在節能方面，采用低耗高效的新型燃燒器，是提高加熱爐熱效率的有效措施，隨著技術的進步，燃燒器的種類也越來越多，燃燒器的選用依然要根據具體的爐型、結構、燃料性質、工藝要求等條件，合理正確地選擇燃燒器類型。

原加熱爐燃燒器為普通丁字管式，使用時間較長，噴嘴經過長期使用出現孔徑變大、磨損，造成火焰過長而形成不完全燃燒，燃燒器各處密封不嚴等都導致燃燒工況較差。為了徹底改善燃燒工況，改造中采用了新型低NOx燃氣燃燒器，型號為WFNQ-DQ0.25，其適用于焦化、加氫等底燒附墻火焰加熱爐，該燃燒器獨特的火盆磚設計，可實現最佳空氣流道，使火焰強力附墻燃燒，獨特的內外氣槍結構布置及各噴頭噴孔大小與噴射角設計，使燃料與助燃空氣在火盆內腔混合點燃并產生強力渦旋燃燒，形成剛性好的寬扁平附墻火焰（圖4）。

圖4 燃燒器燃燒效果圖

5 結論

從加氫精制裝置加熱爐改造后的實際運行效果和前后數據對比（表2）來看，此次改造比較理想，密封和保溫的改造有效地控制了過剩空氣系數和散熱，空氣預熱器的更新降低了排煙溫度，同時冷風路系統也有效地控制了排煙溫度降低帶來的負面影響，燃燒器的更新使加熱爐的燃燒工況非常理想，加熱爐整體效率提高6.9%。改造所投入的資金將在2年內收回。

表2 加熱爐改造前后對比

6 新節能技術展望

加熱爐節能技術隨著科技的進步也慢慢走向數字化，計算機技術應用于加熱爐的優化運行，將是加熱爐節能技術的未來方向，在國外已得到廣泛應用，國內也有大型加熱爐逐漸使用計算機技術。計算機的應用可以有效提高加熱爐運行的自動化，通過計算機的分析控制，可以準確、長期地保證加熱爐高效運行，解決人為控制易偏離最佳工況和操作調節頻繁的弊端。目前可實現的計算機技術有煙氣含氧量閉環控制、低氧燃燒控制、加熱爐熱效率在線計算等。

此外，輻射噴涂也在加熱爐節能方面取得不錯的效果，在管式爐爐膛內表面噴涂高溫輻射涂料，可增加輻射傳熱量。其節能原理為：爐內壁常用的耐火材料（耐火磚、耐火混凝土、耐火纖維氈三大類）輻射系數較小，高溫輻射涂料輻射系數高，涂抹后會增加熱源對爐壁的輻射傳熱量，使爐壁表面溫度上升，對爐管的傳熱量也顯著增加，可相應減少燃料的消耗，從而到達節能的目的。

[1]代有凡.石油化工廠設備檢修手冊第七分冊加熱爐.北京:中國石化出版社,1995:14-18.