管式加熱爐燃燒器改造及熱效率探討

張浩(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

管式加熱爐廣泛應用于石油化工、天然氣化工和有機化學工業，是一種有燃燒的連續運轉加熱設備。主要優點是加熱溫度高，傳熱能力大和便于操作管理。加熱爐的熱效率，影響著裝置生產運行的安全性和經濟性。重視加熱爐的技術改造和加熱爐日常管理，提高加熱爐煙氣質量和熱效率，是滿足環保、降低能耗、提高經濟效益的關鍵[1-2]。針對某加氫裝置排放煙氣氮氧化物含量大于100mg/m3的《石油煉制工業污染物排放標準》(GB 31570—2015)排放要求，對燃燒器進行改造，改造后加熱爐煙氣氮氧化物含量達標，但加熱爐熱效率仍存在較大提升空間。

1 加熱爐燃燒器改造

1.1 工藝流程簡圖

裝置設有一臺反應加熱爐F101(純輻射單室箱式爐，28個燃燒器)、一臺分餾加熱爐F201(對流輻射圓筒爐，4個燃燒器)和一臺減壓加熱爐F202(純輻射單室箱式爐，20個燃燒器)，燃燒器均采用燈塔型的火嘴設計，加熱爐煙氣共用一套余熱回收系統：3臺加熱爐煙氣匯合后在空氣預熱器中與F101、F201空氣(鼓風機出口)進行換熱，F202為自然通風。

加熱爐工藝流程如圖1所示。

圖1 加熱爐系統工藝流程圖

裝置工藝加熱爐煙氣中氮氧化物含量結果如表1所示。

表1 加熱爐改造前煙氣中污染物含量分析結果

1.2 技術路線選擇

氮氧化物在工業裝置上的控制方法有以下兩種方案。

(1)產生前：低氮氧化物燃燒技術。主要包括低過剩空氣系數燃燒、低氮氧化物燃燒器等。

(2)產生后：脫硝裝置。主要包括選擇性非催化還原法(SNCR)、選擇性催化還原法(SCR)、臭氧氧化法等

通過調查發現，方案①與方案②對比結果如下：方案①具有初期投資小，運行成本低，改造施工周期短，對加熱爐運行影響小，脫硝率較低。

結合加熱爐燃燒器為普通燃燒器和氮氧化物超標值較小的情況，裝置將加熱爐全部燃燒器(52臺)更換為低氮氧化物燃燒器(采用燃燒分級燃燒、空氣分級燃燒、煙氣回流技術)的方式降低煙氣中氮氧化物含量。

1.3 加熱爐燃燒器改造

裝置檢修期間，將3臺加熱爐燃燒器(52臺)全部更換為超低氮氧化物燃燒器。加熱爐燃燒器改造設計基礎數據如表2所示。

表2 加熱爐燃燒器改造設計基礎數據

2 加熱爐燃燒器改造后運行情況

加熱爐火嘴改造完成后，對加熱爐進行檢測。爐設備相關檢測數據及計算結果匯總如表3、表4所示。

表3 爐設備煙氣成分測試結果匯總(環境溫度：35℃)

表4 爐設備相關檢測數據及計算結果匯總(環境溫度：35℃)

加熱爐的燃燒器經更新改造后，3臺加熱爐火嘴燃燒狀況良好，火焰呈藍色，短促有力，無發紅發飄現象。從表3數據可知，加熱爐的氮氧化物排放濃度為：46mg/m3，二氧化硫排放濃度為：0mg/m3。

3 影響加熱爐熱效率的因素和改進措施

影響加熱爐熱效率的因素很多，如裝置處理量、空氣預熱溫度、爐出口溫度、煙氣含氧量以及通過對加熱爐內壁在耐火磚及陶纖模塊表面噴涂高溫輻射涂料[3]等。從表4數據可知，F101、F201、F202 加熱爐熱效率均為90.84%，略低于91%的規定指標。從降低排煙溫度、氧含量控制及加熱爐日常管理幾個方面提高加熱爐熱效率進行討論分析。

3.1 排煙溫度

從加熱爐總體運行情況看，加熱爐的熱量損失最大的是由排煙帶走的。將排煙溫度降低，管式加熱爐排煙所釋放的熱量就能得到有效降低，從而提高加熱爐的熱效率。裝置余熱回收系統現安裝一臺聲波清灰器，日常操作中通過采用空氣預熱器熱管聲波吹灰來減少熱管與對流管積灰結垢，提高預熱器效率，但對降低排煙溫度的效果并不明顯。2019年停工檢修期間，除對加熱爐燃燒器進行改造外，對加熱爐余熱回收空氣預熱器熱管進行更換。加熱爐正常運行后，排煙溫度162.9℃，超過《加熱爐管理細則》中 140℃的規定指標，加熱爐排煙熱損失計算為3068KJ/kg燃料，分析主要原因可能是加熱爐煙氣直排煙道擋板可能關閉不嚴，部分煙氣回抽再次進入空預器，造成煙、空氣量不匹配。

根據現場的實際情況，計劃將原熱管預熱器拆除，在原熱管預熱器的地方更換一臺新的空氣預熱器，將加熱爐的排煙溫度降到110℃。另外，將加熱爐余熱回收系統中F202爐的自然通風燃燒器更換為強制通風燃燒器，增加環型風道及輔助風道、快開風門和擋板閥，將進入F202爐的助燃空氣引入空氣預熱器預熱后再送入F202爐。經過改造后，預計加熱爐的熱效率由90.8%提高到92.8%，提高2%。初步估算新空氣預熱器負荷約為1344kW，新增負荷473KW，標油價格按3000元/噸，預熱器每年運行時間按8000小時計算，則預熱器改造后多回收的熱量為1702800kJ/h，每年多回收熱量折合標油為340.56噸，每年可節約資金102.168萬元/年。

3.2 氧含量

煙氣氧含量[4]的高低直接影響到加熱爐的熱效率及安全平穩運行。煙氣氧含量高，熱效率低，爐管易氧化；煙氣氧含量低，容易造成不完全燃燒。在加熱爐熱效率測試期間，爐膛氧含量在線儀表顯示數據均大于空預器煙氣入口氧含量數據，氧含量儀表可能安裝位置不合理或測試不準確。煙氣含氧量是影響加熱爐燃燒效果的主要參數，氧含量測定不準確，容易造成燃料氣燃燒不充分，增加不完全燃燒損失，加熱爐熱效率下降。

F101加熱爐風道為直通風道，導致南北風壓不均衡，火嘴進風量偏差大，尤其是強制通風門關小時，問題更加明顯。6條分支煙道管煙氣量不均衡，且流型偏向中心集合管，造成中間多、南北少。且僅有的爐膛溫度兩個測點恰恰位于南北兩側的煙道分支管上，造成測量不準確，無代表性。通過增減火嘴的非正常方法調節南北溫差。氧化鋯和一氧化碳分析儀分別位于南北兩側的分支煙道，南北間隔10米，且所測位置均為煙氣流量不穩定區域，因此，所測數值沒有代表性，極易誤導操作。針對以上情況，需要對加熱爐風道及氧含量數據測量點進行位置改造。

3.3 操作管理

提高加熱爐的自控系統的運行效率，加強加熱爐內部的總量、分支流量以及溫度等各種參數的平穩控制，提升加熱爐的運行效率。本加氫裝置共用1臺引風機，在現有實際情況下，優化3臺加熱爐煙道擋板開度，控制好空氣預熱器入口溫度，提高空氣預熱器的使用壽命，降低加熱爐排煙溫度。此外，還應對操作人員還需要定期地進行技術培訓以及測試，提高其操作技能以及理論水平，改善操作人員對野加熱爐系統的認知程度，提升其運行保障技術。

4 結語

通過對加熱爐燃燒器改造效果評價，分析運行狀況存在問題，提出以下改進、完善措施：

(1)加熱爐的燃燒器經更新改造后，其氮氧化物排放濃度較上年度測試數據下降72%左右，效果顯著。改造后的加熱爐CO排放值、氮氧化物、二氧化硫排放濃度均符合相關標準的規定；

(2)采用新技術改良現有空氣預熱器，優化調整爐膛配風，降低排煙溫度，預計加熱爐熱效率預計提高2%，年節約燃料氣102.168萬元；

(3)操作過程中，加熱爐對流頂氧含量控制在2%～5%之間，還應對爐膛氧含量儀表安裝位置合理性或測試準確進行校核。

(4)為實現節能降耗，除通過控制好排煙溫度、煙氣氧含量，還可以通過以下手段改善加熱爐操作：爐膛溫度、爐出口溫度、爐膛負壓、燒焦等[5]。