工業萘管式爐節能及自動化升級改造

慕粉榮，劉 濤

（山西豪侖科化工有限公司，山西 運城 041000）

山西豪侖科化工有限公司（以下簡稱豪侖科化工公司）是山西陽光焦化集團股份有限公司（以下簡稱陽光集團）的全資子公司，主要業務是煤焦油加工，其2×18 萬t/a 煤焦油加工項目由山西太興煤化工有限公司（以下簡稱太興公司）于2006年4月開始建設，設計年加工焦油36 萬t，可生產中溫瀝青19.8萬t、蒽油9 萬t、工業萘3.6 萬t、洗油1.8 萬t、脫酚油0.54 萬t、輕油0.18 萬t、粗酚0.36 萬t，其中工業萘精餾裝置加工量為10 t/h，用來加工豪侖科化工公司工業萘和陽光集團下屬的山西安侖化工有限公司72 萬t/a焦油加工裝置生產的工業萘，采用雙爐雙塔常壓精餾工藝，管式爐額定熱負荷總吸熱量為14630 MJ/h。

陽光集團于2013年收購太興公司，2017年10月將焦油加工業務分離出來，成立豪侖科化工公司，并決定對原系統進行升級改造。2018年6月采用一爐兩塔、負壓精餾工藝完成第一次改造，根據核算，更換了初餾塔，保留原精餾塔（增加了塔盤數），并增加了噴射器和真空泵負壓系統。當時由于技術因素未對工業萘管式爐做相應的改造，運行一段時間后暴露出煤氣單耗高、排煙溫度高、能耗大等問題，2019年3月豪侖科化工公司采用華中科技大學高效燃燒技術對工業萘管式爐進行改造，6月底改造完成，投運后達到了預期的效果。

1 原工業萘管式爐存在問題

原工業萘管式爐為傳統形式加熱爐，采用焦爐煤氣作為燃料，通過加熱循環洗油為精餾塔提供熱源，存在問題如下。

1.1 原自然吸風燃燒器存在的問題

原工業萘管式爐采用4 臺自然吸風燃燒器，存在的主要問題有：助燃空氣量無法調節，空煤比（助燃空氣用量與焦爐煤氣流量之比）不易控制；燃燒強度低，火焰長，需較大的燃燒室；容易產生不完全燃燒，熱效率低，還存在爆炸風險。

1.2 排煙溫度高

管式爐無余熱回收設施，煙氣排放溫度高達450℃，空氣未得到預熱，煤氣消耗量大。

1.3 自動化水平低

采用人工手動點火，無自動點火和快速切斷裝置，操作自動化水平低，并且存在火焰從爐膛爆射出來灼傷工人的危險，安全性低[1]。

2 工業萘管式爐的節能及自動化升級改造

2.1 更換燃燒器

將管式爐原來的4 臺自然吸風燃燒器更換為1臺大功率的強制送風、可調焰、低氮系列燃燒器，此系列燃燒器采用雙鈍體回流技術設計，具有可靠的穩燃性能和超寬的調節比，在較低的過量空氣系數條件下即可實現燃氣充分燃燒，負荷大幅波動時燃燒器不熄火，且能燃燒充分。此外，此系列燃燒器可以根據加熱爐工況需要調節火焰長短和直徑，以改變爐膛內的溫度場分布，達到最佳傳熱效果。

2.2 增設余熱回收系統

在管式爐對流段頂部增設1 臺空氣預熱器，增加1 臺助燃空氣鼓風機，冷空氣與管式爐煙氣換熱后進入燃燒器，提高助燃空氣溫度到280 ℃，以降低加熱爐煤氣消耗。空氣預熱器換熱管采用304 不銹鋼、ND鋼和搪瓷管組合材質。預熱器結構采用五段式設計，第一、二段為搪瓷管，第三段為ND 鋼管，第四、五段為304 不銹鋼管，五段獨立設計，采用螺栓連接，便于以后對各段進行獨立更換。

2.3 增設自動點火程序，實現中控一鍵操作

通過增設自動點火程序，使燃燒器可以進行自動點火啟動；增加火焰信號自動檢測與安全聯鎖，點火過程無需人工干預；新增3 個安全聯鎖：無火檢信號、鼓風系統故障、煤氣壓力低時觸發聯鎖，切斷煤氣總閥和主閥，操作簡化且提高了安全等級。

改造后的燃燒系統能實現全自動控制，煤氣和空氣壓力檢測、燃氣閥組檢漏、爐膛安全吹掃、長明燈自動點火、火焰檢測、熄火動作和運行控制等均按規定的程序自動安全運行，火焰監視器感知不著火或失火時，自動切斷煤氣供應并報警。

2.4 改造新增主要設備及參數

此次改造共投資約150 萬元，包含新增設備及施工費用。改造中新增的主要設備及參數見表1。

表1 改造中新增的主要設備及參數

3 改造前后效果對比

3.1 節能情況

管式爐改造于2019年6月完成，投產至今經過兩年多時間的運行，效果良好，煙氣排放溫度＜140℃。改造前、后管式爐的相關數據分別見表2、表3。

表2 改造前管式爐相關數據

由表2、表3 可知，改造前，洗油循環量平均值約為154 t/h，焦爐煤氣用量平均值約為1035 m3/h，排煙溫度約為450 ℃；改造后，洗油循環量平均值約為168 t/h，焦爐煤氣用量平均值約為950 m3/h，排煙溫度約為140 ℃。

表3 改造后管式爐相關數據

3.1.1 冷空氣吸收熱量計算

增加余熱回收設施后，排煙溫度由原來的450 ℃降低至140 ℃以下，風量4000 m3/h 的空氣溫度由約30 ℃預熱到280 ℃。取空氣比熱容為1.02 kJ/（kg·℃），空氣密度為1.29 kg/m3（標況）[2]計算，則回收熱量Q1為：

焦爐煤氣熱值按15884 kJ/m3計算，則等效節省焦爐煤氣量V1為：

生產裝置年運行時間按8000 h 計算，年可節省焦爐煤氣8000×82.8=662705 m3，噸焦油焦爐煤氣單耗降低約：662705/（360000+720000）=0.61 m3/t。

3.1.2 改造前工業萘管式爐熱效率計算

洗油循環量154 t/h，管式爐進出口洗油溫差35℃，洗油比熱容取2.09 kJ/（kg·℃）[2]，煤氣用量1035 m3/h，煤氣熱值15884 kJ/m3，則管式爐熱效率η1為：

3.1.3 改造后工業萘管式爐熱效率計算

改造后洗油循環量為168 t/h，管式爐進出口洗油溫差35 ℃，洗油比熱容取2.09 kJ/（kg·℃），煤氣用量950 m3/h，煤氣熱值15884 kJ/m3，則管式爐熱效率η2為：

3.2 點火操作

3.2.1 現場啟動風機后，通過中控室點擊畫面啟動按鈕，系統將自動執行前吹掃、閥門檢漏、點小火和點大火過程，直至主火焰建立后，加熱爐進入人工調節階段。

3.2.2 加熱爐點火啟動過程中，如果點火失敗則自動進入后吹掃過程，中控人員需根據DCS 畫面上的報警信號判斷點火失敗的原因，并逐一排除。

3.3 正常停爐操作

加熱爐在運行過程中如需停爐，可通過中控室點擊停爐按鈕，加熱爐會自動執行停爐命令，依次關閉煤氣主切斷閥、點火閥和煤氣總切斷閥，風機完成后吹掃也會自行停止。現場操作人員待煤氣總切斷閥完全關閉后，立即關閉進燃燒器前手動閥門、煤氣主切閥及煤氣調節閥前后手閥。如果發現切斷閥沒有關到位，則需立即關閉進燃燒器前手動閥門。

3.4 緊急停爐操作

加熱爐在運行過程中如遇到緊急情況需急停，可通過中控室點擊畫面急停按鈕，加熱爐會自動執行急停命令，立即關閉煤氣主切斷閥、點火閥、煤氣總切斷閥以及鼓風機。現場操作工立即開啟滅火蒸汽閥門，將蒸汽充入爐膛，直至煙囪有蒸汽冒出，同時關閉主切斷閥、調節閥前后閥門，提高了加熱爐操作便捷性和安全穩定性。

3.5 安全性

通過增加快速切斷閥、氧含量分析儀、火焰檢測器、報警提醒、安全聯鎖等安全設施，設置程序自動控制，極大地增加了管式爐操作的安全性。

4 結論

4.1 通過將管式爐原來的4 臺自然吸風燃燒器更換為1 臺大功率的低氮系列燃燒器，燃燒器的穩燃性能、爐膛內的溫度場分布得到改善，實現了燃氣的充分燃燒。

4.2 管式爐對流段頂部增加余熱回收設施后，管式爐排煙溫度由450 ℃降低到小于140 ℃，助燃空氣溫度由30 ℃提高到280 ℃，管式爐熱效率由原來的68.5%提高到81.4%，加工噸焦油的煤氣單耗降低約0.61 m3。

4.3 通過增設自動點火程序、安全聯鎖等措施，系統的自動化程度得到根本改善，提高了加熱爐操作便捷性和安全穩定性。