加热炉第二章讲义

2007年11月中国石化加热炉检测评定中心长岭中心站岳阳长岭设备研究所有限公司•管式炉的燃料消耗在化工装置能耗中占60％-80％。因此，提高管式炉的热效率，减少燃料消耗，对降低装置能耗具有十分重要的意义。热效率是衡量管式炉先进性的一个重要指标。•效率与燃料的关系，如图2-12第二章管式加热炉节能途径与措施图2-1效率与燃料的关系3•它关系着石油化工装置能耗的高低。上个世纪七十年代以前，管式炉的热效率仅60％-75％。那个年代的末期，一场世界性的能源危机促使各种节能措施纷纷上马，从那时以来，管式炉的热效率一再得到提高，现在大中型管式炉的热效率一般都在85％-93％之间，特别是裂解炉，由于重视能量综合利用的整体设计，其热效率已达到94％-95％。小炉群则联合采用余热回收系统以提高热效率。第二章管式加热炉节能途径与措施常用的节能途径及措施管式加热炉的热负荷大小，随装置换热流程的不同而改变，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。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。2.1优化装置的换热系统4第二章管式加热炉节能途径与措施对流室的工艺流程变化加氢装置的反应炉，由于炉管材质昂贵，又要减少压降等原因，常常采用纯辐射的单排管双面辐射炉型，排烟温度可高达800℃。该装置一般还有重沸炉或分馏炉，其介质入炉温度不高，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，提高了总的热效率，减少了燃料消耗。2.2联合回收余热5第二章管式加热炉节能途径与措施重整装置扩建时，常常将预处理部分的炉子进料先引入新建的重整炉对流室，再回到原来的炉子。这样既解决了新建重整炉的热效率问题，又使原来的预处理炉子不用改造就能满足装置扩能而要求炉子增加热负荷的需要。联合烟道：对于小炉群，例如芳烃装置预处理部分的管式炉，就单个炉子而言，由于其热负荷不大，单独上一套余热回收系统并不经济，但将这些小炉子的烟气集中起来上一套余热回收系统则是合理的。还有把烟气集中回收，通过高烟囱统一排放。6第二章管式加热炉节能途径与措施•2.3.1减小末端温差•减小对流室出口温度与被加热介质入对流室温度之差。这项措施涉及到一次投资和运转费用的权衡问题，应该由详细的技术经济比较来决定。•末端温差大，一次投资少，但管式炉热效率低，运转费用高；末端温差小，一次投资大，热效率高，运转费用低。72.3降低排烟温度第二章管式加热炉节能途径与措施•采用空气预热器由烟气直接预热空气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，空气预热温度与热效率提高值的关系见图2-2。从图中可以看出，空气温度每提高20℃，炉子热效率提高约一个百分点。•随着空气温度的提高，燃烧产物中的NOX增加，如果没有适当的措施来降低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烧器结构变形、烧坏等问题，除非改变燃烧器结构和材质，一般空气预热温度不宜超过300℃。2.3.2用各种空气预热器预热空气8第二章管式加热炉节能途径与措施9图2—2空气温度与热效率的关系第二章管式加热炉节能途径与措施10•2.3.2.1热管空气预热器•热管空气预热器中的热管一般由管壳和内部工作液体(工质)组成。钢制、密闭管壳内抽成真空,工质是经特殊处理的液体,如图2-3所示。•但是，碳钢-水热管在使用过程中不凝气的积聚是常见的问题之一。因此，长期制约了热管有效使用寿命的提高。第二章管式加热炉节能途径与措施11•图2-3热管原理图第二章管式加热炉节能途径与措施•岳阳长岭设备研究所研发的低温除氢技术很好地解决了这个难题。该技术在2004年第13届国际热管年会上，得到国内外专家的高度评价，并于2006年获得了国家发明专利。采用该技术生产的热管有以下特点：•①除氢反应温度大幅降低，在常温下就能很好的进行除氢反应，这样彻底解决了钢—水热管在不同使用温度下不凝气体的消除问题，保证了钢-水热管的长周期高效运行。12第二章管式加热炉节能途径与措施13•②用该技术生产的长效钢-水热管，在试验室条件下，使用寿命较普通热管提高两倍以上，其性能已基本达到铜材的效果，但成本较铜材大幅降低。•③工业应用节能效果明显，在相同热管数量下，热风平均温度提高20℃以上。第二章管式加热炉节能途径与措施14•④对不凝气的消除效果非常明显。从已在工业上应用的情况看，新生产的热管使用一年，无一支热管因产生不凝气而性能下降；普通热管使用半年后，热管冷端顶部温度有66%的下降，温度平均降幅为63℃，而长效钢-水热管只有6%略有下降。•目前，该技术已在长岭分公司、岳化烯烃厂、鹰山石化、扬子石化、西安石化、武汉石化等单位得到应用，受到用户的一致好评。第二章管式加热炉节能途径与措施当热管换热器在低温烟气中使用时，热管会遇到低温露点腐蚀是其在使用中常见的又一个主要问题。解决露点腐蚀问题我们可以从以下几方面做工作：•①根据烟气的露点温度合理确定排烟温度。一般而言，排烟温度应高于露点温度20-40℃。另外，在冬、夏季节环境温度相差较大的情况下，应控制不同的排烟温度，在应适当提高冬季排烟温度。15第二章管式加热炉节能途径与措施16•②增设前置预热器，提高空气入预热器的温度，可有效的防止露点腐蚀。•③对空气风道进行傍路设计，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到冷空气中，以提高空气的入口温度。•④进行调壁温防低温腐蚀设计。通过调节冷热端的结构参数，提高热管换热器的最低壁温，防止低温腐蚀。结构参数中，冷热端长度的变化对壁温的变化最敏感，但热端的长度不能增加太多，否则出口烟气的温度升高，单支热管传热能力下降，空气侧流动阻力也会增大；目前应用得最多的是调整翅片的高度和间距。在结构参数调整中，一般建议冷热侧同时改变某一参数，这样壁温变化较快，且单排热管的传热量基本不变，不用增加管排即可保证原有的传热性能。在壁温与露点温度相差不大时，优先选择翅片高度或间距作为调温参数；当壁温与露点温度相差较大时，应选择冷端长度作为调温参数或同时调节多个参数。采用这种办法逐排改变壁温低于烟气露点的最后几排热管结构，就可有效的防止低温腐蚀。17第二章管式加热炉节能途径与措施18•⑤热管是低温区的换热元件，其外表面采用烧镀搪瓷，即在普通碳钢(翅片管)外涂一层耐酸搪瓷，可有效防止换热器低温露点的腐蚀。由于搪瓷层很薄，一般厚度为0.2mm，因而与碳钢结合紧密，对传热效果影响很小。搪瓷管的传热系数大于等于48.3W(m2·℃)，与碳钢管相比，传热系数相对降低率小于7.14%；且搪瓷表面光滑，不易结垢积灰，又耐磨损、抗腐蚀；与选用耐酸不锈钢材料相比，可降低投资。第二章管式加热炉节能途径与措施•2.3.2.2水热媒空气预热器•水热媒空气预热器利用除氧水或除盐水作热媒(中间载热体)，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的空气。为了防止烟气换热器发生低温露点腐蚀，在水热媒空气预热器进口和循环水泵入口之间，设置旁路调节阀，控制空气预热器的换热量，保证进烟气换热器热媒水的温度高于露点温度，即烟气换热器的最低壁温高于露点(一般设计值为120℃-150℃)。水热媒空气预热器典型流程见图2-4。19第二章管式加热炉节能途径与措施20第二章管式加热炉节能途径与措施图2-4水热媒空气预热器典型流程图•主要工作特点有以下四点：•(1)由于水热媒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媒的进口温度；烟气侧最低管壁温度均高于水热媒进口温度，即高于露点温度，较好地适应了加热炉负荷变化。•(2)水热媒空气预热器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，便可使烟气侧最低管壁温度高于露点温度，从而适应燃料的变化。21第二章管式加热炉节能途径与措施•(3)在加热炉短时间操作异常，进空气预热器烟气温度高于正常设计值时，水热媒空气预热器不会发生像热管式空气预热器的热管失效甚至爆管的现象。水热媒空气预热器总管路中设有安全阀，当热媒水的压力高于设定值时，安全阀自动启跳，确保设备安全，设备使用寿命在5年以上。•(4)最终排烟温度同热管式空气预热器相比，可降低20℃-50℃，所以余热回收效率高，加热炉热效率可提高1％以上。22第二章管式加热炉节能途径与措施•2.3.2.3水热媒空气预热器与热管空气预热器的比较•热管空气预热器的主要不足之处有：•(1)热管操作弹性小。加热炉正常操作时，烟气出对流室进空气预热器的温度为220℃-350℃，而在异常情况下，烟气温度可能高出设计值100℃-150℃，此时产生大量不凝气体，减弱了热管元件内的循环，导致部分热管失效。23第二章管式加热炉节能途径与措施24•(2)热管式空气预热器较难适应燃料的变化。当燃料硫含量增加，烟气的露点温度提高，热管式空气预热器低温段管壁温度可能低于露点温度，导致露点腐蚀。•所以采用热管式空气预热器时为了防止露点腐蚀，排烟温度不能定得太低，一般为140-180℃。•水热媒空气预热器的主要不足之处有：•(1)因水热媒空气预热器是用除氧水或除盐水为介质循环取出烟气余热，需要与装置外(或内)的水系统相连，因此流程长，在加热炉区要增加热水泵、旁路调节系统、安全阀等(其它类型的余热回收系统没有这些设施)，增加了操作的复杂性。•(2)用于热负荷较小的加热炉时，投资成本高。•因此，对这两项技术的应用，要因地制宜，灵活采用。25第二章管式加热炉节能途径与措施•2.3.3用烟气余热锅炉发生蒸气•在一些生产装置上如连续重整四合一重整反应炉上，热负荷很大，为了减少压降又不能在对流室排炉管，只能将对流室作为烟气余热锅炉。又如制氢装置的转化炉，其转化反应只在辐射室的转化炉管内进行，热负荷较大，烟气出辐射室的温度比一般管式炉要高的多，对流室仅靠预热原料气远不能将烟气温度降下来，只能布置烟气余热锅炉来产生蒸汽并入系统管网。26第二章管式加热炉节能途径与措施•2.3.4去灰除垢保证高的炉热效率•加热炉不完全燃烧产生的碳粒和燃料中的灰分等烟尘均会污染对流室炉管和余热回收系统（如热管）的外表面，增加热阻，降低传热效果。•造成受热面积灰结垢的主要因素有：燃料品质变重，含硫增高；吹灰器的选型与使用不当，受热面表面生成陈垢；炉负荷变化导致的燃烧质量波动性大。27第二章管式加热炉节能途径与措施为保证加热炉长期在高效率下运行，采取的主要措施有：•（1）在线投用清灰剂。在加热炉运行过程中，定期从辐射段看火孔适量加入清灰剂，达到清除对流段炉管表面污垢的目的。它的原理是：投入到炉膛的清灰剂燃烧后，生成碱性物质随着烟气的流动而堆积在炉管表面上，与垢物中的酸和碳酸盐起中和反应，变成无腐蚀、无粘接性的硫酸盐，从管壁上自行剥离脱落下来。•（2）必须坚持用吹灰器定期清除积灰。这对于燃油加热炉尤为重要。现在吹灰器的种类较多，有蒸汽吹灰器、声波吹灰器、次(亚)声波吹灰器和燃气脉冲(激波)吹灰器等，它们在各自的使用范围内效果较好。28第二章管式加热炉节能途径与措施•现在使用较多的是声波吹灰器，其原理是利用了声学、振动学和疲劳学等原理，通过声波发生器，把一定强度的声波送入运行中的加热炉内各种可能积灰结垢的空间区域，通过声能量的作用，使这些区域中的空气分了与灰、垢粒子产生振荡，即对这些粒子施以拉、压循环变化的载荷，当达到一定的循环应力周次数N（N为102-105)后，灰、垢之间的结合力会因疲劳而被逐步破坏，再加上烟气流的冲刷及烟气中所含颗粒对灰粒子的撞击而使灰垢脱落，被烟气流带走。29第二章管式加热炉节能途径与措施30•北京时林公司制造的声波除灰系统由4部分组成：压缩