加熱爐余熱回收系統常用預熱器選型

吳昊 楊振澤 楊溪榮

摘 ?????要：加熱爐是煉油企業的主要耗能設備。利用煙氣余熱回收技術可以在相當程度上降低加熱爐排煙溫度，使加熱爐運行中的熱效率得到相應的提高，進而提高能源利用率，這對于煉油企業降本增效具有非常重要意義。從技術原理、技術特點、適用范圍、節能效果等多方面，分析了目前煉油企業加熱爐上常用的幾種煙氣余熱回收技術，指出應根據生產實際的需要、節能效果分析等，針對不同排煙溫度的加 熱爐采用不同的余熱回收技術。

關 ?鍵 ?詞：加熱爐;熱效率;余熱回收;空氣預熱器

中圖分類號：TQ 052 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）02-0431-03

Abstract： The heating furnace is a main energy consumption equipment in refining enterprises. The exhaust temperature of the flue gas can be significantly reduced by means of the waste heat recovery， thus the heat efficiency can be improved， which has the important meaning for reducing costs and improving efficiency in refining enterprises. The common waste heat recovery technologies for the heating furnace were analyzed in terms of principle，characteristics，applicability and energy-saving effect. It's pointed out that， according to actual situation and energy conservation effect， different waste heat recovery technologies should be adopted on the basis of different exhaust temperatures.

Key words： Energy conservation effect; Heat efficiency; Waste heat recovery; Air preheater

加熱爐作為在石油煉化和工業化學品生產行業的加工裝置的主要能耗設備，它消耗的燃料在整套運行裝置中的能源消耗比重比較大，平均占到 39%，加熱爐在裝置運行時能量利用率的高低影響著煉化生產單位的生產狀態和盈利狀況。但與此同時，也不能盲目單一追求過高的熱效率，使得一次投資過高或產生尾部換熱面低溫露點腐蝕與粘灰堵塞的情況，影響整個裝置的長周期安全生產。以下生產線中的加熱爐燃料消耗量，占整個生產裝置總能耗的比例為：常減壓蒸餾裝置一般為 82%～92%，焦化裝置約為 90%，連續重整裝置約 為 82%，柴油加氫裝置約為30%[1]。所以，將加熱爐在運行過程中的能量利用率在一定范圍內合理提高，以此手段來降低加熱爐燃料消耗量，對于響應習近平總書記“綠水青山就是金山銀山”的口號、落實各地方政府“節能減排”政策、優化煉油化工企業生產商的經濟效益和改善地方環境水平，都有著非常積極的作用。

1 余熱回收技術

能量利用率是評價加熱爐在設計層面上合理性與經濟性的一個關鍵因素， 煉化裝置加熱爐運行時熱量利用效率直接影響著煉油裝置運行時能量消耗的多寡，將石化加熱爐能量利用率適當提高，即意味著減少燃料的消耗量、降低生產成本、減小裝置在生產運行過程中的能量消耗。將加熱爐運行能量利用率提高的目的是為了減少能量消耗，而煉化裝置中的加熱爐可以采用的節能解決方案，比一般工業用爐可選擇的手段更多，因為經過的傳熱流體介質，在進入其他環節完成蒸餾或后續加工工序之后，需要將介質熱量減小到一定程度才可以流出裝置進入下一個環節。一系列復雜的熱交換過程往往在溫度較低的原料和溫度較高的產品之間發生。一套裝置內通常有多臺加熱爐，除此之外，還有各種其它的熱量交換器，可以將熱量在它們之間循環利用以提高能量利用率。

優化加熱爐運行時的熱量利用率常用手段，主要有使排煙時的溫度盡可量低、使過剩空氣系數盡量小、避免不充分燃燒、降低能量在傳遞過程中的耗散等。上面提到的這幾種解決方案中，煙氣中剩余熱量的回收和二次利用、減少排煙帶走的熱量是實際設計過程中優化加熱爐熱量利用率、減少加熱爐運行時能量消耗的最可靠和最穩定的成熟解決措施。

將煙氣的余熱進行回收來提高加熱爐熱效率的手段非常多：盡可能的降低對流室末端的溫差;在對流室的尾部引入其它需要加熱的低溫流體介質;將煙氣余熱鍋爐外置進而產生蒸汽;設置空氣預熱器以對燃燒用空氣的溫度升溫以達到預熱的目的等。其中煉油裝置中經常采用的就是設置煙氣-空氣熱量交換器來對空氣進行預熱的方案。本文重點闡述煙氣-空氣熱量交換器的各種方案。

收集并利用煙氣剩余熱量將燃燒用空氣升溫的方案五花八門，但具體可將其分為用煙氣的熱量間接將空氣升溫預熱和用煙氣的熱量直接將空氣升溫預熱兩個種類。

把煙氣的熱量間接傳遞給空氣并使其升溫的方案可分為工藝分支物流預加熱空氣、冷進料熱油預加熱空氣、熱載體預熱空氣等等。各種煙氣間接預熱空氣方案的不可替代的優越性和先進性體現在，將液體介質引入煙氣和空氣中間，在氣相和液相之間進行熱量的交換過程，管束外的介質為氣相，可以將釘頭或翅片設置在換熱管上來使傳熱面積增大進而加強傳熱效果，進而使材料面積減小。可是，煙氣熱量間接傳給空氣預熱的缺點也無法忽略，它在實際過程中通常都會因工藝流程的因素而產生約束，很難獨自成為體系，而且還會使實際生產過程中的工藝操作難以掌握。所以，只有在特殊介質載熱體爐和塔底二次沸騰爐使用熱載體對空氣進行預熱方案，間接預熱空氣的方案在新建的煉油化工裝置項目中一般都不予考慮。

煙氣直接預熱空氣的方案就不需要熱量交換第三方介質，煙氣可以直接經過熱量交換器的交換面，將熱量傳遞給空氣。雖然存在氣相給氣相傳熱效率低的短板，可是它不受其它工藝過程的影響，獨自成為一個孤立的體系，就算是余熱回收系統發生故障停止工作時，也不會使整個的工藝過程和裝置的運轉流程受到波及，所以，它在石油化工裝置的管式爐上得到了非常普遍的應用[2-4]。

由于不同類型剩余熱量再利用技術設備的構造與運行機理以及適用條件不一樣，下面主要探討鋼管形式的煙氣-空氣熱量交換器、熱管形式的煙氣-空氣熱量交換器、板狀形式的煙氣-空氣熱量交換器、鑄鐵形式的煙氣-空氣熱量交換器等剩余熱量回收技術和設備。

2 常用預熱器的類型

2.1 鋼管式空氣預熱器

鋼管式空氣預熱器具有構造形式簡單、制造加工方便、市場價格低廉等優越性;但其不足之處是進行熱量交換時，熱流量密度相對來說不大，而當量直徑尺寸較大，需要的幾何面積或空間較多，特別是在低溫工況運行的情況下，其受熱面因積灰導致堵塞與露點腐蝕問題較為嚴重。

即便在設計過程中可以采用各種措施降低低溫露點腐蝕的程度，但除了過多地提高排煙溫度、降低熱效率外，露點腐蝕和積灰堵塞仍然存在。所以在設計之初，預熱器低溫部位受熱面的檢查、積灰的清理和零部件更換等問題應要充分考慮。對于上置式空氣預熱器，設計的結構應便于從側面抽出，這樣可以在不起吊煙囪和鋼構件的前提下對鋼管進行更換。

由于預熱器的受熱面采取了可拆卸結構，并且構件的熱膨脹也要考慮進去，所以各連接部位的密封應特別注意。如果煙氣中混入空氣，就會大大降低煙氣的溫度，造成不必要的露點腐蝕與積灰堵塞。

2.2 ?熱管式空氣預熱器

熱管是一種熱效率很高的傳熱元件，管的兩端為密封形式，并將管內抽成真空后引入工質。當加熱管的一端（熱端）時，工質開始吸熱，并蒸發，然后向另一端（冷端）流入，在冷端，工質將吸收的熱量傳遞給管外的冷介質，從而產生冷凝液，冷凝液又流回熱端，再吸收熱量并蒸發，循環往復，將管兩端的熱量進行傳遞。由于工質在溫度不變時汽化過程中所吸收的熱量數值比較大，所以在非常微小的溫差工況下就能來回傳遞管子兩端大量的熱量。將若干根上述熱管按照一定形式排列組裝起來，就組成了熱管空氣預熱器。熱管式空氣熱量交換器的一般構造，主要包括熱交換管管束、熱量阻隔板和外殼三個基本部分。這三部分組成了煙氣和空氣的通道。蒸發發生段與冷凝發生段用隔板將熱管隔離，與此同時，煙氣通道與空氣通道也被隔離開來。由于煙氣側的壓力為負（微真空狀態），空氣側的壓力為正（微正壓狀態），所以隔板與熱管之間需要嚴格密封，一旦有空氣大量地流進煙氣，就會大大降低了熱效率。

從以上的熱管工作原理敘述中可知，它利用的是蒸發與冷凝兩個換熱效率很高的相變傳熱過程和一個流動與熱力阻力極小的流動過程，所以具有極好的傳熱性能。相變傳熱的條件只需極小的溫差，且傳遞的是汽化潛熱，其傳熱量比顯熱大幾個數量級。而且熱管在軸向方向的導熱熱阻非常小，且對管長的敏感性極小，幾乎是一個不變的常數。傳熱流程尺寸越長，采用熱管的優勢越明顯。

2.3 ?板式煙氣-空氣熱量交換器

板式空氣熱量交換器的傳熱的核心元件是板片。傳熱的板片為波紋制式的薄金屬板。波紋不但可以使傳熱效果得到強化，還可以在一定范圍內使薄板的許用強度和剛度提高。波紋還可以促使介質的流態逐漸擺脫層流，而趨向湍流，可以減小沉淀物和污垢的形成的概率，起到一定的自清灰效果。若干板片按照一定規律排列組合，組成板束。板束主要有可拆卸的夾緊式與不可拆卸的焊接式兩類結構。一般地，可拆卸的夾緊結構用于溫度低于250 ℃，設計壓力低于2.5 MPa時的設計工況。板式空氣熱量交換器的操作壓力并不高，一般情況下，在低溫段工況下運行時主要采用可拆卸的夾緊結構，更有利于在進行清洗或者更換被腐蝕了的板片時拆開板片。不可拆卸的焊接結構一般應用于板式空氣預熱器的高溫段，其原因是由于在高溫段工況下，較少發生積灰情況，或積的是干灰，吹掃清理比較容易;另一個原因是避免在高溫工況下損壞夾緊墊片，導致空氣流入，使傳熱效果大打折扣。

板狀形式的煙氣-空氣熱量交換器中，氣流在兩板之間流動，氣體流動通道的流動阻力幾乎可以忽略不計， 所以其氣體側壓降與其它類型的空氣預熱器相比較要小很多。板狀形式的煙氣-空氣熱量交換器氣流流動截面面積，僅相當于進出口截面面積的一半， 截面的變化程度不大; 熱量傳遞板片與管子比較亦不一樣，板片的進口處和出口處可以很方便地加工成流線形狀， 所以，由于截面的變化而產生的局部阻力系數基本為零。一般情況下， 板狀形式的煙氣-空氣熱量交換器的沿程阻力，約等于同樣流通長度管束式煙氣-空氣熱量交換器的2/5～3/5， 這對于風機減少動力消耗， 降低成本大有裨益。

2.4 ?鑄鐵空氣預熱器

鑄鐵空氣預熱器具有獨特的鑄鐵翅片結構，傳熱表面包括了幾排水平鑄鐵管，互相疊加，煙氣在管外側垂直向下流過。空氣在管子內部以交叉和逆流的方向流過，管排都是獨立的，提供了多管程的布置，保證了最大的傳熱面。低溫爐管外側翅片，內側光滑，在接近露點時提供較高金屬溫度，整個煙氣外表面的垂直翅片成線性布置，全部的表面被煙氣掃過，因此不易積灰，可以長時間不做清掃處理。

鑄鐵段通常采用灰鑄鐵，其材質自身的物理特性，使其具有較好的彈性、耐高溫性以及對大部分侵蝕金屬的化合物具有惰性，因此灰鑄鐵比鋼材質的部件在相同的操作條件下具有更長的使用壽命，即使鑄鐵和鋼部件具有相同的厚度。另外，灰鑄鐵在特殊加工后，比球墨鑄鐵擁有更好的抗腐蝕性，但需要注意的是，鑄鐵本身并不能徹底解決腐蝕問題[5-7]。

3 ?結 論

受國內外能源供需形勢的影響，能源供應緊張，降低能耗提高能源利用率已成為石化行業當務之急。煉油化工裝置中加熱爐是該行業的主要耗能設備之一，如何設計好利用好余熱回收系統以提高加熱爐的熱效率，進而提高能源利用率，優化煉油化工企業生產商的經濟效益和能效水平都有著十分深遠的意義。。

煉油廠很多裝置的圓筒爐和立式爐的對流室和煙囪位于輻射室上部，預熱器直接放在對流室頂部，稱為上置式;將空氣預熱器置放于爐側地面的基礎或鋼架上，先引出對流室里的煙氣，通過空氣熱量交換器和新風引入機后，再將煙氣通過煙囪排出的，叫下置式。上置式空氣預熱器的優越性是占用面積小，構造簡單，利用煙囪的自然抽力抵消由預熱器和加熱爐其他部位產生的阻力，無需引風機，故節省耗電量，操作成本低。不足之處是預熱器的荷載由加熱爐框架本體承受，舊加熱爐改造時需對爐框架強度進行核算，必要時還要加強爐體鋼架結構;而且預熱器的位置在爐頂，增加了更換和檢維修難度，也不能拋開預熱系統對加熱爐進行獨立操作。下置式空氣預熱器的優越性體現在空氣預熱器在更換和檢修時比較簡便、操作過程靈活;但占地面積較大，鋼材消耗量和資金投資均較多。

良好的余熱回收系統方案設計除占地、預熱器的煙氣適應性、壓降、所需抗露點腐蝕性能、安裝、檢修是否方便等以外還應考慮以下原則：

1）在選用余熱回收系統方案時應通過詳細的技術經濟比較論證來確定。選用的解決方案在技術上應是安全可靠成熟，且能滿足長時間的運轉周期要求;經濟上通常要求三年內回收投資成本;

2）所選用的余熱回收系統方案必須滿足當地政府部門環保的要求;

3）在選用余熱回收系統方案時，應優先考慮充分利用對流室的受熱面，降低排煙溫度的措施方案;

4）決定余熱回收方案選取的關鍵因素是煙氣側換熱面低溫露點腐蝕與積灰堵塞，在選用余熱回收方案，確定設計結構與參數時應給予足夠的重視。

從中我們可以看出，選擇空氣預熱器需要根據場地面積、預熱器的煙氣適應性、壓降、所需抗露點腐蝕性能、安裝、檢修是否方便等來綜合考慮。

參考文獻：

[1]李文輝.煉油裝置加熱爐節能途徑與制約因素[J]. 中外能源，2009，14（10）： 85-91.

[2]鄭平，馬貴陽.凍土區埋地輸油管道溫度場數值模擬的研究[J].油氣儲運，2006，25（8）：25-28.

[3] 李文輝 ， 歷亞寧 ， 趙建國. 空氣預熱 器的運行管 理 [J].石油化工設備技術，2009，30（3）： 5-9.

[4] 劉鴻翔.常減壓加熱爐余熱回收系統改造[J].科技傳播，2010，2（21）： 17-18.

[5] 陳力，楊瑞，陳威.煉廠加熱爐空氣預熱器的選型思考[J].內蒙古石油化工，2010，30（10）： 101-102.

[6] 黃雙， 康強利 ， 劉新軒 ，等.板式空氣預熱器在芳烴加熱爐的應用 [J]. 石油化工設備 ，2005，34（2）： 57-58.

[7] 周建新， 宋秉棠，陳韶范，等.板式空氣預熱器的推廣應用[J]. 石油化工設備技術，2007，36（1）： 68-70.