提高炼油加热炉热效率的节能技术探讨

张海江

( 中国石化加热炉检测评定中心金陵中心站，南京210033)

管式加热炉(以下简称加热炉)是炼油装置的重要设备，也是重点耗能设备，其燃料消耗一般占炼油厂能源消耗的50%左右，有的高达80%。加热炉运行水平的高低直接影响到炼油能耗的高低和炼油厂的经济效益，提高加热炉热效率有十分重要的意义。节能减排是我国的大政方针，提高加热炉热效率既可减少能源消耗，又可减少有害气体排放。近期国民对PM 2.5 尤其关注，加热炉烟气中有许多直径小于或等于2.5 μm 的颗粒物，把加热炉的燃料由燃料油改为燃料气，改善加热炉的燃烧状况，可以大大减少烟气中这些微小颗粒物的含量，减少大气污染。

加热炉热效率的检测有正平衡和反平衡两种方法。由于正平衡的检测项目多，计算较为复杂，有些数据很难准确测出(如被加热介质的气化率、被加热介质发生反应产生或吸收的热量等)，所以加热炉热效率的检测一般采用反平衡法。中国石化加热炉检测评定中心在对加热炉检查时，也是用反平衡法来计算被测加热炉的热效率。21世纪初，中国石油化工股份有限公司(以下简称中国石化)各炼油装置加热炉的平均热效率只有85%左右，多年来，随着各项节能措施的实施，目前炼油加热炉的平均热效率已超过90%。

1 加热炉热效率的检测方法

1.1 加热炉热效率的正平衡检测

加热炉热效率的正平衡检测是计算被加热介质吸收的有效热量与燃料燃烧产生热量的比值。热效率的正平衡计算公式如下:

η=100% ×QYX/QGG

式中:η，加热炉正平衡热效率，%;QGG，加热炉总的供给能量，kJ/h;QYX，所有被加热介质从入口状态加热到出口状态所吸收的热量，kJ/h。

加热炉热效率正平衡检测的内容有11 项:(1)被加热介质的相对密度、组分、相对分子质量等(通过实验测定);(2)被加热介质的流量，进、出加热炉的温度和压力;(3)被加热介质的气化率(很难准确测出);(4)被加热介质发生反应的反应热量(通过实验测定);(5)燃料耗量、温度和压力;(6)燃料的组分或热值;(7)雾化蒸汽耗量、温度和压力;(8)大气温度和供风量;(9)如果采用外供热源预热空气，需测定空气入炉温度和流量;(10)鼓风机、引风机等辅助设备的耗电量;(11)排烟中有害气体的体积分数。

1.2 加热炉热效率的反平衡检测

加热炉热效率的反平衡检测是计算各项损失占加热炉总的供给能量比例。具体计算公式如下:

η=100% -(q1+q2+q3+q4)

式中:η，加热炉反平衡热效率，%;q1，排烟损失热量占供给能量的百分数，%;q2，不完全燃烧损失热量占供给能量的百分数，%;q3，表面散热损失热量占供给能量的百分数，%;q4，附属设备耗能占供给能量的百分数，%。

加热炉热效率反平衡检测的内容有8 项:(1)燃料耗量、温度、压力;(2)燃料的组分或热值;(3)雾化蒸汽耗量、温度、压力;(4)鼓风机、引风机等辅助设备的耗电量;(5)排烟温度、氧体积分数、可燃气体体积分数、有害气体体积分数;(6)炉体外表面散热热流;(7)大气温度和供风量;(8)如果采用外供热源预热空气，需测定空气入炉温度和流量。

1.3 正、反平衡热效率检测方法的比较

由正平衡和反平衡热效率的检测内容可知:反平衡热效率检测的项目相对较少，检测数据较为精确，计算简单。如果加热炉的被加热介质在加热过程中无相变，热负荷能比较准确测定，在加热炉标定时，正平衡和反平衡这两种检测方法可以同时进行，并对两种检测方法的计算结果进行比较。

2 提高加热炉热效率的节能技术

提高加热炉热效率就是使燃料燃烧产生的热量尽量被加热介质有效吸收。从另一个方面讲，就是尽量减少加热炉的各项热量损失。根据反平衡检测法的各热能损失项目，可以采取针对性的节能措施以提高加热炉整体热效率。

2.1 减少排烟损失热量

排烟损失热量是随着烟气从加热炉中排出的热量。排出烟气的温度越高，烟气量越大，加热炉损失的热量就越多。排烟热损失是加热炉热效率的主要损失，占总损失热量的80%以上［1］。21 世纪初中国石化各炼油装置加热炉的排烟损失一般占供给能量的10%以上，现在已控制到5%左右。控制的主要手段就是降低加热炉的排烟温度和排烟氧含量(体积分数，下同)，这也是中国石化“示范炉”改造时提高热效率的主要手段，通过减少排烟损失热量，可以大幅度提高“示范炉”的热效率。

2.1.1 降低排烟损失热量的条件

炼油加热炉燃料品质较差一直是排烟温度难以降低的主要原因。以前大部分炼油加热炉都烧燃料油，而炼油厂自用燃料油一般都是减压渣油，其品质一般达不到加热炉燃料的设计要求，最主要的缺点是灰分和硫质量分数偏高，由此带来积灰结垢和酸露点腐蚀等许多问题。为了减轻这些问题对加热炉的危害，以前炼油加热炉设计时要求排烟温度不得小于170 ℃。而乙烯裂解炉等燃料品质较好的加热炉，其设计排烟温度一般在110 ℃左右。如果炼油加热炉能使用品质优良的燃料，就可以大大降低它们的排烟温度，从而降低排烟损失热量。

优良的燃料品质是降低加热炉排烟温度的必要条件。据报道有烧含硫瓦斯的炼油加热炉，为了提高加热炉热效率，把排烟温度降到了130 ℃左右，结果运行不到3 个月，空气预热器就因酸露点腐蚀和积灰结垢而失效，被迫切出加热炉系统，影响了加热炉的正常运行。如果燃料的硫质量分数偏离设计值较大，则必须进行加热炉烟气露点测试，根据烟气露点温度确定合理的烟气排放温度。一般加热炉的排烟温度应高于露点温度20～30 K。

在2003 年中国石化加热炉检测评定中心成立以前，中国石化大部分炼油加热炉的排烟温度在200 ℃以上。10 年来，随着中国石化加热炉检测评定中心的检查督促和各种技术进步，现在炼油加热炉燃料的品质已大大改善，一般都是烧脱硫瓦斯，有的已经改用天然气，基本解决了加热炉低温段露点腐蚀和积灰结垢的问题，为降低排烟温度创造了有利条件。现在，中国石化要求炼油加热炉的最终排烟温度一般应不大于150 ℃。

2.1.2 降低排烟温度的方法

降低加热炉排烟温度有增加对流室取热面积等多种手段，最有效和简便的手段是增设或改造空气预热器，把烟气余热传递给入炉空气，从而把热量回收进加热炉。最近几年，中国石油化工股份有限公司金陵分公司通过增设和改造一批空气预热器，加热炉的平均排烟温度已经控制在120 ℃左右，有些加热炉的排烟温度已控制到90 ℃左右。经过连续几年的安全运行，验证了加热炉的排烟温度控制到100 ℃以下是完全可行的，烟气中的水蒸气还没开始冷凝就已经随着高速流动的烟气排出加热炉，不会对加热炉最后换热面处的设备造成损害。当然，加热炉的排烟温度也不能降得太低，必须保证加热炉能正常、安全地运行。

由于热管式空气预热器具有许多独特优点，使得它在炼油加热炉上的应用比较普遍。普通钢材热管的工作温度为320 ℃时，其壳体的承压已达11.8 MPa［1］。温度越高，钢材与水越容易发生化学反应产生不凝气，聚集在热管冷端，使热管失效，当管内压力超过壳体的承压能力，热管就会发生爆管事故。如果烟气进空气预热器的温度在280 ℃以上时，设计时一般会在热管式空气预热器前加一个其他形式的空气预热器(如扰流子式等)，由两个串联的空气预热器发挥各自优点，把热量尽可能多地回收进加热炉。

2.1.3 降低排烟氧含量的方法

降低加热炉排烟氧含量，在保证加热炉燃料正常燃烧的前提下，尽量减少入炉空气量，最终减少烟气从加热炉中带走的热量。由于加热炉运行时的扰动因素比较多，因此入炉空气在保证加热炉燃料完全燃烧的前提下，还应有一定的余量，来保证加热炉安全运行。中国石化相关文件规定:燃气加热炉对流室顶部烟气中的氧含量应控制在2% ～4%。由于各项技术条件限制，氧含量这一指标很难纳入加热炉的分散控制系统(DCS)中。南京金炼科技有限公司开发的“加热炉优化控制系统”解决了这个难题，可以把排烟氧含量自动控制在一个合理范围内。

加强加热炉系统的密封也是降低排烟氧含量的重要手段。炼油加热炉都是负压操作，炉体上存在看火孔、防爆门、炉管进出口等各种开孔处，空气从开孔的缝隙处漏进加热炉中，长年累月造成的损失是巨大的。因此，要确保密封必须加强各开孔密封部位缝隙的堵漏工作，如把变形的老旧看火门、防爆门更换为新型的密封型看火门、防爆门等。

2.2 减少不完全燃烧损失热量

不完全燃烧损失是指由于燃烧设备及燃烧工况等原因，造成燃料没有完全燃烧而未能释放出的反应热。正常运行(不冒黑烟)的加热炉，其不完全燃烧损失一般都不高，烟气中一氧化碳体积分数不超过0.01%时，不完全燃烧损失对加热炉热效率的影响十分微小。

一般来说，燃烧器能否适应燃料组分的较大变化，主要用华白数是否接近设计值来衡量。如果华白数相差较多，说明燃烧器已不适合这种燃料，需要更换燃烧器。所以燃烧器的选型十分重要，必须选用与所使用燃料相匹配的燃烧器，保证燃烧器有较宽的操作弹性。中国石化“示范炉”改造时要求集成国内外先进的加热炉部件和配件，各装置应选用与自已炉形相匹配的燃烧器，目前焦化、重整等炼油加热炉都有自己的专用燃烧器。燃烧器的操作和调整也十分重要，必须在保证燃料完全燃烧的前提下，供入尽可能少的空气。

燃烧器前的燃气压力必须保证在0.01 MPa以上。如果加热炉负荷率较低，燃料调节阀接近全关，阀后燃料压力太小，可能导致燃烧状况不佳。如一些加氢类(柴油加氢和蜡油加氢等)加热炉，由于工艺状况的改变，运行负荷只有设计值的20% ～30%，这些加热炉的燃烧器没有较宽的操作弹性，燃烧状况不佳，不完全燃烧损失比较大。因此，为了适应工艺状况的改变，这些加热炉的燃烧器应该配置2 套喷头，低负荷运行时用喷孔小的喷头，高负荷运行时用喷孔大的喷头。

2.3 减少表面散热损失热量

散热损失是加热炉体系内所有设备及管线表面通过辐射和对流向周围环境中散失的热量。炼油加热炉的散热损失一般在3%左右，加热炉热负荷越大，其散热损失所占的比例越小。

减少散热损失就是要提高设备和管线的保温效果。相同的保温材料，其保温厚度越大，保温效果就越好，但保温材料的花费就越多。中国石化按“示范炉”标准建设的加热炉，其炉体表面温度只比环境温度高30 K 左右。从加热炉衬里经济厚度的计算公式可以得出，加热炉衬里的厚度一般在200 ～300 mm。

保温材料的密度越小，材料的导热系数就越小，保温效果就越好。对炼油加热炉来说，目前保温效果最好的材料是陶瓷纤维，但陶瓷纤维衬里密度小，容易被烟气穿透，衬里中的保温钉根部因酸露点腐蚀而发生断裂，导致保温材料衬里因没有附着力而脱落。2005 年前后，发生了不少加热炉陶瓷纤维衬里大面积脱落的事故，之后新建或改造的加热炉，一般都采用浇注料加陶瓷纤维的双层衬里。浇注料衬里的密度较大，烟气无法穿透，浇注料里面陶瓷纤维中的温度比露点温度高，避免了陶瓷纤维中的保温钉发生酸露点腐蚀情况。

为了进一步降低炉体外壁温度，现在大部分炼油装置加热炉都在原有炉衬表面涂一层辐射涂料。辐射涂料的施工工艺十分重要，涂料施工一定要等炉衬完全干透后再进行，涂刷厚度也要严格按照设计标准，过厚的涂料会引起涂层开裂起皮，严重的能撕脱大块衬里。

2.4 减少附属设备耗能

附属设备耗能损失是指鼓风机、引风机、吹灰器、热载体循环泵等加热炉辅助设备所耗掉的能量。随着加热炉燃料品质改善，加热炉积灰结垢问题已不是很严重，吹灰器的使用频率也越来越小。使用热载体循环泵(主要用于水热媒空气预热器)的加热炉逐渐减少，因此目前的附属设备损失耗能主要是指鼓风机、引风机消耗的能量。

以前加热炉的供风和负压的控制都是依靠风道上的碟阀和烟道上挡板来调节。如果碟阀和挡板仅是单轴或双轴，调节效果的线性较差，操作比较困难，因此一般情况下可调节挡板通常都是三轴以上的配置。

目前，中国石化对大部分加热炉的鼓风机、引风机进行了变频改造。风机采用变频调节，不仅降低了电耗，而且调节性能好，有利于线性调节加热炉的供风量和炉膛压力。另外，永磁耦合调速装置也可以线性地调节加热炉的鼓风机、引风机，并且对供电网络没有影响，一些不适合变频改造的高压电机可以应用永磁耦合调速装置。

3 结语

早期炼油加热炉的运行热效率只有60% ～75%［1］，通过精心调整操作可提高10 个百分点左右。中国石化按“示范炉”标准建设的加热炉，要求其改造后的热效率不得低于92%，长期运行不得低于91%，并且以中国石化加热炉检测评定中心的标定结果为项目的验收依据。而随着各种节能措施的实施，现在中国石化大部分炼油装置加热炉的运行水平都比较高，再往上提高的难度比较大，花费的成本也比较高。从经济效益和投入产出比考虑，炼油加热炉热效率的指标不宜定得过高。

排烟损失热量等于烟气在离开加热炉最后换热面时的焓与基准温度下的焓之差。如果采取降低炼油加热炉排烟温度的手段来减少排烟热能损失，排烟温度不宜降得过低，否则会导致烟气在加热炉最后换热面处冷凝析出凝结水，对该处的设备造成严重损害，影响加热炉的安全运行。因此在当前技术条件下，炼油加热炉排烟损失努力目标设定为4%比较合适。同时，炼油加热炉的体积一般都比较大，其散热损失相对乙烯裂解炉等来说也比较大。因此炼油加热炉的散热损失加其他两项损失可以控制在2.5%以内。总体来说，炼油加热炉热效率的远期目标可以设定为93.5%。

［1］ 钱家麟主编. 管式加热炉［M］.2 版. 北京:中国石化出版社，2003:520 -628.