工業加熱爐中燃氣節能器的應用與評價

王寧 馬方義 左甜 董健 晉西潤（中海油（青島）重質油加工工程技術研究中心有限公司）

工業加熱爐中燃氣節能器的應用與評價

王寧 馬方義 左甜 董健 晉西潤（中海油（青島）重質油加工工程技術研究中心有限公司）

在石化行業中加熱爐是主要耗能設備之一，如何降低其燃料用量顯得尤為重要。燃氣節能器作為一種新型的節能設備，目前在煉廠加熱爐中的應用研究尚不深入。某公司通過試用的形式投用4臺燃氣節能器，并對該燃氣節能器進行了工業試驗標定。基于該工業試驗，建立了加熱爐運行中煙氣的O2-CO含量關系曲線及函數關系式；并以投用燃氣節能器前后1 t閃底油吸收1 kJ熱量所需要提供的天然氣量（或熱量）作為比較數據，從而確定該燃氣節能器實際節能效果為0.434 7%，以供該煉化公司參考。

加熱爐；燃氣節能器；工業試驗研究；燃料耗量；熱量

加熱爐是石化行業的主要耗能設備之一，其燃料能耗占煉油廠總能耗的30%～50%，因此，如何提高加熱爐的熱效率、降低燃料耗量對降低生產裝置及整個企業的節能降耗有著重要的意義。某煉化公司通過試用的形式投用4臺燃氣節能器，安裝位置在常壓爐天然氣燃燒器金屬軟管之前。分別對投用燃氣節能器前后的常壓爐運行參數以及煙氣、閃底油、天然氣成分和用量等數據進行檢測采集，并對檢測結果進行計算分析。

1 加熱爐及燃氣節能器概述

1.1 加熱爐

該公司的150×104t重交瀝青裝置于2002年5月建成投產，并一次開車成功。常壓加熱爐設備位號F101，設計負荷8720 kW，設計熱效率88%，爐膛尺寸為φ7146 mm×12 862 mm；減壓加熱爐設備位號F102，設計負荷4700 kW，設計熱效率88%，爐膛尺寸為φ4716 mm×12 450 mm。兩爐均是2002年5月投用，為分體圓筒型加熱爐。兩爐共用排煙系統，余熱回收系統為擾流子+水熱媒空氣預熱器。如圖1所示為加熱爐物料及能量轉換簡圖。

測試期間，保證加熱爐運行穩定；測試過程中，每間隔1 h采集1組在線DCS數據；每個煙氣測試點在一定時間內取多組數據，從而確定不同狀態下爐膛（輻射室頂部）O2含量與CO含量的對應關系。被加熱介質的工藝參數，取在線儀表讀數；被加熱介質的餾程性質通過現場采樣并進行實驗室分析。

1.2 燃氣節能器

目前的燃氣環保節能器是專門針對提高燃氣燃燒效果而開發的，其工作原理：當氣體燃料經過磁化器，在磁場的作用下，氫原子由逆氫轉變為正氫，活性增強。同時，改變原子中電子的運動狀態，進而改變氣體燃料中原子之間的空間距離，加速燃料分子的擴散，使其和氧充分混合，增加受氧面積，更易于氧分子結合，促進其化學反應，使燃燒更加充分，最終降低煙氣排放中的CO含量以及NOx含量[1]。

2 煙氣檢測數據及分析

針對常壓爐燃氣節能器運行效果的標定評價，選取煙氣測試點位置為常壓爐輻射室頂部、常壓爐對流室頂部及空氣預熱器引風機前。檢測儀器選用Testo-Pro型煙氣分析儀，用以分析煙氣中的O2、CO、CO2、NO、NO2、SO2、NOx含量以及煙氣溫度等。

常壓爐燃氣節能器運行效果的評價工作分為兩個階段進行，即A時間段：運行燃氣節能器；B時間段：未運行燃氣節能器。首先通過比較兩段時間內常壓爐輻射室頂部外排煙氣中的CO含量來進行定性說明；然后再根據不同時間段內所消耗的天然氣量及加熱爐運行參數等，進行定量計算來確定其實際效果，最終完成此次燃氣節能器的評價工作。

圖1 加熱爐的物料及能量轉換

圖2 O2與CO含量關系模擬曲線

1）燃氣節能器運行前后煙氣數據。燃氣節能器運行前后，針對常壓爐輻射室頂部的煙氣數據進行檢測，同時根據不同O2含量下的CO含量數據進行數值模擬，得到對應的模擬曲線見圖2。即對應函數關系式為

y=A×exp(-x/t)+B

運行燃氣節能器時：A、t、B分別取417 234.669 57、0.034 83、5.703 88； x和y分別為O2含量及CO含量；未運行燃氣節能器時： A、t、B分別取830.323 39、0.294 67、0.992 14。

2）煙氣數據分析。在常壓爐運行狀況保持平穩的前提下，通過對比運行燃氣節能器前后的O2與CO關系來定性說明該燃氣節能器的效果。由圖2及O2與CO對應函數關系式可知：投用該燃氣節能器時，當O2體積分數為0.8%左右，其對應的CO含量基本為零；未運行燃氣節能器時，當O2體積分數為1.5%左右，其對應的CO含量基本為零。投用該燃氣節能器能夠使天然氣在較低氧含量的前提下充分燃燒，具備節能的效果。

3 燃氣節能器運行效果分析

3.1 基礎數據分析

針對該公司常壓爐所用天然氣樣品進行成分分析，其各組分的體積分數：甲烷93.679%、乙烷3.504%、丙烷0.615%、正丁烷0.107%、異戊烷0.038%、N2及CO2各占0.763%、1.179%。

常壓爐被加熱介質為閃底油，根據GB/T 1884—2000、ASTM D2887檢測標準對所采樣品進行密度及餾程測定，確定閃底油20℃時密度為968.1 kg/m3，具體餾程數據見表1。

3.2 不同時間閃底油及天然氣用量計算

根據以上統計數據及天然氣現場記錄數據，以A區間數據作為運行該節能器的有效數據；B區間數據作為未運行節能器的比對數據，從而確定以下運行參數：

表1 閃底油餾程性質數據

1）運行燃氣節能器時相關數據。閃底油：入爐平均瞬時量為 152.5 t/h，入爐平均溫度為281.81℃，入爐平均壓力為0.503 MPa，出爐平均溫度為366.89℃，出爐平均壓力為0.04 MPa；天然氣：入爐平均瞬時量為1 179.81 m3/h（標況），入爐平均溫度為24.1℃。

2）未運行燃氣節能器時相關數據。閃底油：入爐平均瞬時量為150.39 t/h，入爐平均溫度為280.48℃，入爐平均壓力為0.489 MPa，出爐平均溫度為368.45℃，出爐平均壓力為0.04 MPa；天然氣：入爐平均瞬時量為1 205.25 m3/h（標況），入爐平均溫度為22.67℃。

3.3 天然氣燃燒及顯熱相關計算

1）天然氣燃燒計算。根據所測天然氣組分，計算可得該燃料燃燒性質參數見表2。

表2 1 kg燃料的燃燒性質

2）天然氣及空氣顯熱計算。運行燃氣節能器時顯熱計算：計算可得，A時間段內，入爐空氣平均溫度為204.3℃，其顯熱值為3 132.24 kJ/kg燃料；天然氣平均入爐溫度為24.1℃，其顯熱值為14.79 kJ/kg燃料；未運行燃氣節能器時顯熱計算：B時間段內，入爐空氣平均溫度為203.28℃，其顯熱值為3 114.93 kJ/kg燃料；天然氣平均入爐溫度為22.67℃，其顯熱值為12.45 kJ/kg燃料。

3.4 燃氣節能器運行效果

加熱爐節能試驗評價中，為排除常減頂瓦斯氣流量波動帶來的數據偏差，特將常減頂瓦斯氣引入減壓爐燃燒，常壓爐燃料為單一成分的天然氣，天然氣現場采樣并進行實驗室成分分析。

根據閃底油工藝參數及餾程性質分析數據，采用PROII化工專業模擬軟件計算閃底油在不同溫度壓力下的焓值；由上述統計結果，確定出天然氣流量、低發熱值、燃料供給熱量、天然氣及空氣顯熱值等，運行該節能器前后的兩次計算中，以1 t閃底油吸收1 kJ熱量所需要提供的天然氣量（或熱量）作為直接比較的數據，從而確定該燃氣節能器的實際效果。具體計算結果見表3。

運行節能器時，閃底油在該時間段內出爐焓值與入爐焓值之差為253.39 kJ/kg；加熱爐供給總熱量由天然氣低發熱量、天然氣顯熱及入爐空氣顯熱提供，其數值為4.58×106kJ/h。

未運行節能器時，閃底油在該時間段內出爐焓值與入爐焓值之差為261.34 kJ/kg；加熱爐供給總熱量由天然氣低發熱量、天然氣顯熱及入爐空氣顯熱提供，其數值為4.68×106kJ/h。

通過對比分析，在低氧含量（輻射室頂部氧含量低于1.5%）的操作條件下運行該燃氣節能器時，無論按照熱量還是天然氣量計算，均稍優于未投用燃氣節能器時的效果。

4 結論

1）投用該燃氣節能器能夠使得天然氣在更低氧含量的前提下充分燃燒，具備一定的節能效果。

2）通過比較1 t閃底油吸收1 kJ熱量所需要提供的天然氣量作為評價依據，在低氧含量操作條件下運行該燃氣節能器時，所需要提供的天然氣量可以節約0.434 7%。

3）以上結論均是在低氧含量的操作條件下取得，運行該燃氣節能器后，常壓爐所用天然氣量有一定程度的減少。在正常操作條件下，輻射室頂部氧的體積分數為2%～4%，天然氣不完全燃燒的問題減少。因此，對于整個加熱爐系統而言，安裝運行該燃氣節能器后，節省的天然氣用量將低于評價期間（低氧含量操作條件）所得結果。

[1]陳慶生，陳松林.燃氣磁化處理原理與節能效果的探討[J].節能，2003（11）：35-36.

表3 燃氣節能器運行前后節能效果對比

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.008

2016-04-23 （編輯 沙力妮）

王寧，工程師，2014年畢業于燕山大學（材料科學與工程專業），從事石油化工腐蝕與防護及節能減排技術研究工作，E-mail：wangning19@cnooc.com.cn，地址：山東省青島市黃島區千山北路575號，266500。