管式加热炉的节能技术分析

管式加热炉的节能技术分析

摘要:介绍了影响加热炉热效率的因素,针对重整装置加热炉运行过程中炉效率偏低的现象分析了原因;分析降低加热炉的可采取的措施,同时对将来的节能方向做了展望。

关键词:管式加热炉炉效节能

随着工业化的发展,石油作为重要的能源形式,带动了石油炼制、石油化工等整个石化行业的发展。到目前为止,石化行业都已经世界经济中一个举足轻重的部门。在这些行业中,目前主要使用的工艺介质加热炉是管式炉,它具有以下主要特点。

由于在管内流动,故被加热介质仅限于气体和液体.通常这些气体或液体通常都是易燃易爆的烃类物质,具有较大的危险性,操作条件比较苛刻。加热方式主要为直接式,燃料为液体或气体,运转周期长,连续不间断操作。

石化行业最初的介质加热设备是具有相当不安全隐患的间歇式操作的“釜式蒸锅”,管式加热炉的出现,开创了“连续安全管式蒸馏”的新时代,这也使得大规模、超大规模石化企业的出现成为可能,因此可以说,管式加热炉具有化时代的意义。炼油工业采用管式加热炉始于20世纪初,经历了以下几个主要阶段。

堆形炉,它参考釜式蒸锅的原理。吸热面为一组管束,管子间的联

接弯头也置于炉中,由于燃烧器直接装在管束下方,因此炉子各排管子的受热强度不均匀,当最底一排管受热强度高达50000～70000kcal/m2·h,最顶排管子却不到800～1000cal/m2·h,因此底排管常常烧穿,管间联接弯头也易松漏引起火灾。

纯对流炉,当时认为是因为辐射热太强了,于是改为用纯对流炉。全部炉管都装在对流室内,用隔墙把对流室与燃烧室分开,避免炉管受到火焰的直接冲刷。然而,操作中又发现对流室顶排管经常烧坏,而且炉管受热仍然很不均匀。这是因为高温燃烧烟气在进入对流一之前未能和一个吸热面换热,在对流室入口处温度高达1000多℃之故。

辐射对流炉,后来人们发现,在燃烧室内安装一些炉管,一方面可取走部分热量降低烟气温度,解决对流室顶管的过热烧坏问题;同时可利用高温辐射传热强度大的特点,节省上炉管,缩小炉子体积。这样,具有辐射室和对流室的管式加热炉开始出现了,其初期代表为箱式炉。

目前管式加热炉技术发展很快,它对于石油炼制和化工工艺的进步起到了很大的推动作用。可以毫不夸张地说,管式加热炉几乎参与了各类工艺过程。尤其在制造乙烯、氢气、氨等工艺过程中,它成为进行裂解或转化反应的心脏设备,支配着整个工厂或装置的产品质量、产品收率、能耗和操作服役期等。因此,认真总结加热炉的设计,计算和操作,维修经验就显得十分必要了。管式加热炉的燃料消耗在石油化工装置能耗中占60%～80%,因此,提高管式加热炉的热效率,减少燃料消耗,对降低装置能耗具有十分重要的作用。

热效率是衡量管式炉先进性的一个重要指标。它关系着石油化工装置能耗的高低,20个世纪70年代的以前,管式炉的热效率仅为60%～75%。提高管式炉的热效率就意味着节省燃料,这是大家所熟知的,但是大家不太熟悉的是,燃料节省的比率一般都比提高的热效率高,而且原热效率越低,这个差值就越大。随着能源的消耗和短缺,提高管式加热炉热效率,节约能耗和长周期保持加热炉运行较高的水平是当前急待解决的问题。

目前主要有以下一些节能的途径和措施。

(1)优化装置的换热系统管式加热炉的热负荷大小,随装置换热流程的不同而变化,在处理能力不变的情况下,减少管式加热炉的热负荷,可减少其加热炉的燃料用量。如果将一个管式加热炉的热负荷降低10%,当此加热炉的热效率为80%时,从燃料消耗量考虑,相当于将原管式加热炉的热效率提高8.9%,管式加热炉的热效率越高,减少热负荷相应使管式加热炉热效率值提高的就越大。通过改进工艺流程,提高入炉物料温度等措施,可使管式加热炉的热负荷得到减少,从而达到节约能源的目的。

(2)联合回收余热装置一般的重沸炉或分馏炉,其介质入炉子的温度不高,通常采用对流-辐射炉型。它们之间应该采取联合回收余热的方案:一种是让分馏炉的被加热介质先进反应炉对流室,再进分馏炉的对流室;另一种是将反应炉的热烟气引入分馏炉的对流室入口处,分馏炉的对流室变成两炉共用。这样两炉的排烟温度都会大大降低,提高

了总热效率,减少了燃料消耗。

(3)降低排烟温度减少排烟热损失就可以提高热效率。值得指出的是,排烟损失在管式炉的热损失中占有极大的比例。当炉子的热效率较高(例如为90%)时,排烟损失占总损失的70%～80%;当炉子热效率较低(例如70%)时,排烟损失占总损失的比例高达90%以上。降低排烟温度的主要措施有以下几种。

①减少末端温差,即减少对流段出口温度与被加热价值入对流段温度之差,这项措施涉及到一次投资额运转费用的权衡问题。

②用各种空气预热器预热空气,采用空气预热器的优点在于它自成体系,不受工艺流程的约束。在管式炉其他参数不变的情况下,空气温度每提高20℃,炉子热效率提高约一个百分点。但是,随着空气温度的提高,燃烧产物中的NOX增加,如果没有合适的措施来降低NOX,则对环保是不利的,另外,空气温度过高,还可能引起燃油喷头结焦或燃料器结构变形烧坏等。用空气预热空气是管式加热炉回收烟气余热,提高热效率的主要方法,也是常用的方法。目前较常用的先进的空气预热器为热管空气预热器和水热媒空气预热器。

热管空气预热器是利用热管技术,制造的利用热烟气余热加热冷空气的换热设备。其工作原理热管换热器是一种利用高温流体余热加热低温流体的换热设备。换热器中的热管一般由管壳和内部工作液体组成。热管受热侧吸收高温流体热量,通过热管壁传给管内工质,工质

吸热后沸腾和蒸发,转变为蒸汽。蒸汽在压差作用下上升至放热侧,受管外低温流体的冷却,蒸汽冷凝并向外放出汽化潜热,低温流体获得热量,冷凝液靠重力回到受热侧。如此周而复始,高温流体热量便传给低温液体,加热低温流体。但是,在预热器使用过程中不凝汽的积聚是不可避免的问题,常常会引起露点腐蚀,有时即使在正常的排烟温度下,在烟气出口侧最后几排热管也存在低温露点腐蚀,根据传热学知道,烟气侧壁温主要与冷,热流体的温度,传热系数及换热面积有关,它与热流体的温度,换热系数,面积及冷流体的温度成正比,而与冷流体的传热系数和面积成反比。当冷热侧传热系数和换热面积基本一定的情况下,在冷流体温度较低时,烟气侧壁温就有可能在露点温度以下,而发生露点腐蚀。而解决露点腐蚀问题需要合理的控制排烟温度;对空气风道进行旁路设计,当烟气温度较低或环境温度较低时,可将部分换热后空气混合捣冷空气中,以提高空气的入口温度。

水热媒空气预热器利用除氧水或除盐水作热媒,建立一个闭路循环系统。热媒水通过放置在加热炉对流室出口的烟气换热器吸收烟气的热量,再通过布置子在鼓风机出口的空气预热器放出热量,加热空气,如此循环将烟气热量传递给加热炉所需要的空气。其主要有以下特点:(1)水热煤空气预热器进烟气换热器的热媒温度均控制在130℃以上,即使加热炉负荷降低排烟温度也将高于水热煤的进口温度;烟气侧最低管壁温度均高于水热煤进口温度,即高于露点温度,较好地适应加热炉负荷变化;(2)设置了旁路调节系统,只要将控制回路中进烟气换热器的热媒水温度提高,即可使烟气侧最低管壁温度高于露点温度,从