影响加热炉效率因素分析与整改措施

陈枭杰（吐哈油田分公司甲醇厂）

影响加热炉效率因素分析与整改措施

陈枭杰（吐哈油田分公司甲醇厂）

管式加热炉、转化炉是天然气蒸汽转化最重要的加热和反应设备之一，热效率的高低、燃料的节约与生产的成本有着密切的关系。吐哈油田甲醇厂影响加热炉、一段转化炉热效率的主要因素是排烟热损失、炉体散热损失和过剩空气系数。通过优化整改措施，如降低一段炉出口温度，提高氧气利用率；降低排烟温度；减小过剩空气系数；提高了转化炉效率，实现了甲醇装置的节能增效。

加热炉 热效率 措施 降耗增效

吐哈油田24×104t/a甲醇装置，是在原8×104t/a甲醇装置基础上改扩建而成，于2006年10月投产。采用一段转化炉、纯氧二段蒸汽转化工艺制取甲醇合成气、Lu r g i低压合成甲醇、三塔精馏制取精甲醇。其中加热炉、一段转化炉是燃烧低压天然气的主要能耗设备。一段转化炉采用侧烧、梯台式负压炉，易于控制，适合于制甲醇合成气。由于采用了二段转化炉，所以一段转化炉的热负荷较低，操作比较温和。一段转化炉辐射段为天然气汽化初步反应提供热量。对流段设有辅烧和利用烟气余热加热工艺介质的九组盘管，其作用是对原料、锅炉给水预热，产生过热蒸汽。一段转化炉设计的排烟温度为136℃。管式加热炉是一台燃气工业炉，为预热后的天然气燃烧提供热量，在炉内对混合气预热、原料气以及锅炉给水加热。炉设计的排烟温度为140℃。

1 存在的问题

甲醇装置在实际运行中主要存在如下问题：以2010年8月6日装置某点实际生产情况为例,其进料量为满负荷1700m3/h（标况），测得排烟温度（158℃）、烟气氧含量、烟气中一氧化碳含量，计算两列反应加热炉的热效率为88.9%，一段炉热效率为79.6%，热损耗占到18.17%，转化炉热效率明显偏低。天然气实际单耗1135m3/t，高于设计指标1050m3/t。为此必须提高工业炉热效率，实现降耗增效。

2 影响加热炉效率因素分析

加热炉的热效率将直接影响其燃料气消耗，而影响炉子热效率的主要因素是：排烟热损失、炉体散热损失和过剩空气系数。炉体散热损失与炉膛操作温度、炉膛负压、炉体外表面温度、炉子设计、内衬保温材料性能有关，影响相对固定[1]。以下对几项因素分别加以分析。

2.1 排烟温度

排烟热损失是锅炉的主要热损失之一,可达10%～20%。排烟热损失主要取决于排烟温度和排烟容积。排烟温度测评加热炉、一段炉总热效的主要指标。排烟温度高，烟气带走的热量多，热损失大，热效率低，甚至导致炉管破裂、烟道损坏等。但是排烟温度过低经济上是不合理的，甚至技术上是不允许的。要避免尾部受热面受烟气低温露点腐蚀，排烟温度也不宜过低[2]。甲醇厂燃料天然气中硫含量比较低，设计指标为：一段炉138℃、加热炉140℃。实际生产中由于原料气的波动和操作不好一段炉烟气出口温度处于158℃左右，超过设计值138℃。调节排烟温度的主要手段包括:调节烟道挡板的开度和调节风门的开度。一段转化炉、加热炉热效率低，其中一段炉排烟温度高于设计指标约10℃，热损失大，造成天然气耗量增加。

2.2 炉膛温度

炉膛温度是加热炉的重要工艺操作指标,也是保证加热炉长周期安全运行的指标之一。该温度是指烟气离开辐射室的温度，代表炉膛内的烟气温度。该装置加热炉在炉膛内安装有多点热电偶，测量并控制炉膛温度。操作时，主要改变燃料在炉膛内的燃烧状况、火嘴分布，合理控制燃料流量和空气量及压力来保持炉膛合适温度，确保燃料在炉膛内的充分燃烧及炉管内的介质加热到指定温度。

2.3 炉出口温度

天然气与高温水蒸气在一段炉辐射段转化管镍催化剂的作用下发生强烈的吸热反应，由于采用了二段转化工艺，一段炉设计出口温度仅为687.5℃，所以一段转化炉的热负荷较低，相对于普通的一段蒸汽转化炉操作温度830~935℃，其操作比较温和。转化反应主要集中在二段炉内，一段炉只需维持催化转化反应的最低温度就可以了。经调查发现：主装置运行负荷低于90%时，若按照设计指标控制一段炉出口温度在680℃，二段炉出口温度在958℃，会出现低压天然气耗量增加，部分氧气放空的现象。因此负荷降低时应该适当调整一段炉出口温度，增加氧气加入量。统计发现吐哈油田甲醇厂供气在70%~90%负荷之间波动，需要及时优化操作，降低能耗。

该温度的高低直接影响到与炉管内物料反应，决定产品质量及反应器的操作稳定与否。温度过高，会使物料在炉管内可能析碳结焦甚至烧坏炉管。操作中主要通过保证燃料性质平稳，确保燃料总管压力稳定，合理分布火嘴，控制加热炉入口温度及进料流量、组成等手段，将炉出口温度控制合适且保持其平稳。

2.4 炉膛负压

通过监视和控制炉膛负压可保证炉内燃烧工况的稳定并分析炉内燃烧工况、烟道运行工况，分析某些事故的原因。若炉膛负压过大，漏风量、风机能耗、不完全燃烧损失、排烟热损失均增大，甚至导致燃烧不稳定或加热炉熄火等现象；而若炉膛负压过小，甚至变为正压，会导致火焰及飞灰将从炉膛不严处冒出，甚至造成回火现象，进而恶化工作环境并危及人身、设备安全。故而根据该加热炉的特点，参考火焰燃烧情况、排烟温度、过剩空气系数、压力等，调节烟道挡板开度或风机流量，将炉膛负压控制在指标范围内，该加热炉的过渡段负压控制在-0.05 k Pa，一段炉对流段顶负压控制在－1.2k Pa。

2.5 烟气氧含量

烟气氧含量的高低直接影响到加热炉的热效率及安全平稳运行。烟气氧含量高，热效率低，炉管易氧化；烟气氧含量低，容易造成不完全燃烧。过剩空气系数太小，燃料燃烧不完全，甚至会造成二次燃烧；过剩空气系数太大，入炉空气太多，炉膛温度下降，传热不好，烟道气量多，带走热量多。影响过剩空气系数因素主要包括：燃料性质、燃烧器的操作、空气量、烟道挡板的开度、炉体密封性等[3]。另外,加热炉的进料流量、炉体密封的好坏、燃烧器的操作与维护等情况都会影响加热炉的热效率。

影响排烟容积大小的因素有烟道出口过量空气系数α、烟道各处的漏风量及燃料所含水分。烟道漏风严重，过量空气系数大，燃料水分高，这些都会增大排烟容积，排烟热损失就增加。

3 整改措施

针对以上影响加热炉、一段炉热效率原因分析后，对提高加热炉、一段炉热效率主要从以下几个方面进行了调节和优化。

3.1 降低一段炉出口温度，提高氧气利用率

将降低一段炉出口温度降至转化反应所要求的最低温度，由设计680℃降至650℃。通过提高二段炉内加氧气量，保证二段炉出口温度，从而保证了残余甲烷含量达标的同时，减少了氧气放空，充分发挥了制氧装置的产能。不影响转化新鲜气品质，减少了一段炉燃料消耗，进一步降低了转化炉膛温度，减少了热损失。一段炉内反应温和，更有利于操作温室性，避免了因炉温波动造成的热损，有利提高加热炉热效率。

3.2 降低排烟温度

通过认真研究炉子各组盘管，我们发现通过降低给水盘管温度，可以降低一段炉和加热炉的排烟烟气温度，从而提高烟气热量回收率。具体措施如下：开大H X202B副线阀门，减少进入H X202B转化工艺气冷却介质，从而增加了直接进入一段炉、加热炉的锅水量，使经过转化炉锅炉水预热后进入转化炉、加热炉对流段盘管的给水温度降低，提高转化炉对流段锅炉水与烟气温差，回收更多的烟气余热。同时由于进入H X202B转化工艺气冷却介质减少，转化热量发生后移至精馏系统，精馏系统加压塔和预塔的热负荷提高，可以减少转化系统为提高精馏热负荷补入的中压蒸汽。通过这样的调节，补入精馏的中压蒸汽量下降了2.5 t/h。一段炉排烟温度降低8℃，加热炉排烟温度也有所下降。

3.3 控制过剩空气系数

在装置负荷变化时，结合季节、环境温度做好一段炉和加热炉的风门、烟道挡板的微量调整，减小过剩空气系数。根据不同的负荷，及时调节风门、烟道挡板开度，保证烧嘴燃烧完全、燃烧效果良好。委托吐哈环境检测中心定期对转化炉、加热炉燃烧烟气进行分析，检测烟气组分中的氧气、二氧化碳含量，并对过剩空气系数和燃烧热效率进行了核算。根据核算结果及时校正燃烧嘴的风门。

3.4 减少一段炉热损失

加强密封，关闭漏风的窥火孔，根据负荷变化，及时调整风门和烟道挡板；增加铁皮围栏，用保温棉覆盖高温炉管上封头，增加对流段炉管上端的保温棉厚度。经常观察炉内运行情况，减少加热炉热量损失，确保加热炉燃烧状态良好。

3.5 对一段炉进行维修

1）修复炉膛衬里，利用检修停工期间，进入一段内炉膛，将运行期间受损的耐火浇注料修复，以减少炉壁散热损失。

2）逐个清理烧嘴积碳，消除阻塞。改善燃烧器燃烧状况，有利于火焰燃烧稳定，炉膛温度均匀，避免火焰偏烧或舔管。

3）检查变形的烧嘴砖，重新砌筑破裂部分。4）修复断裂变形的对流段支撑钢结构，使炉内受热更合理。

4 效果评估

通过合理控制排烟温度、炉膛温度、炉出口温度、炉膛负压、烟气氧含量、进料流量，做好炉体密封、燃烧器的操作与维护等来提高加热炉热效率，一段炉、加热炉的各项运行参数趋向良好。现场数据采集、分析结果见表1。

表1 21000m3/h（标况）负荷下低压天然气耗量

5 结论

一段炉、加热炉热效率由79.6%、88.9%提高至84.04%、91.86%。低压天然气耗量逐月下降,以负荷21000m3/h（标况）余热发电为4000k W h的工况计，每年3—10月生产，考虑每年一次开工损耗，年内低压天然气平均耗量为4659m3/h，远小于去年6304 m3/h的水平，年节约成本947.72×104元，取得了良好的节能效果。

[1]宋维端,肖任坚,房鼎业.甲醇工学[M].北京:化学工业出版社,1991:13-35.

[2]代有凡.石油化工厂设备检修手册（加热炉）[M].北京：中国石化出版社,1995:432-462.

[3]刘运桃.管式加热炉技术问答[M].2版.北京:中国石化出版社,2005:1-2.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.03.017

陈枭杰，1997年毕业于西安石油大学，工程师，从事石油天然气化工方面的研究，E-mail：chenxiaojie@petrochina.com，地址：新疆鄯善火车站镇吐哈油田甲醇厂，838202。

2012-01-28)