基于經濟性的加熱爐效率和排煙溫度

遠戰紅，王海濤，李長浩，胡 磊，高中金

（1.中國海油惠州石化有限公司，廣東 惠州，515086；2.中國石化工程建設有限公司，北京，100101；3.洛陽瑞昌環境工程有限公司，河南 洛陽，471000）

石化火焰加熱爐的能耗占比在30%～40%，個別裝置高達70%～80%［1］，從占比可以看出，加熱爐每提升1%效率，裝置綜合能耗能降低0.4%～0.5%，所以加熱爐的能耗必然是行業節能關注的焦點。

理論上，根據年節省燃料費及年分攤投資費，可計算出年總收益，找出比較經濟的排煙溫度［1］。然而，設備投資、建設成本、燃料成本、環保成本等均不是穩定值，較難精準找到最佳操作點，但通過排查和逼近，可以找到比較接近的目標范圍。一般采用SH/T3036 提供的G.3.2.3［2］方法來計算加熱爐效率，文中在此基礎上，以廣東沿海氣候為基礎條件，以新建100 MW 單體方箱式燒氣型工業加熱爐為研究對象，根據觀測數據，重點對影響加熱爐效率的主要因素進行了定性或定量的分析評估，得出了該爐型比較經濟的排煙溫度和效率范圍。

1 加熱爐效率影響因素

1.1 排煙特性對效率影響的半定量分析

1.1.1 煙氣中冷凝水對效率的影響分析112 MW的加熱爐，配備1 臺10～12 MW 的空氣預熱器，回收能量主要以煙氣顯熱為主。當煙氣溫度低于露點溫度時，其中部分水會以液態排出。觀察發現，112 MW 爐子燃料氣消耗6.8 t/h，煙氣排量181 t/h，排煙溫度在85 ℃時，預熱器底部有200～300 kg/h的冷凝水出現。按水的潛熱2 260 kJ/kg計算，冷凝釋放的潛熱為300×2 260÷1 000÷3 600=0.19 MW，可以看出，此部分潛熱總量不大、熱品位較低并呈一定的酸性（pH值為4～6），回收意義不大。

1.1.2 排煙攜帶的顯熱影響分析在煙氣組分無相變發生時，煙氣顯熱釋放量與排煙溫度呈線性關系，數據見表1。

表1 煙氣顯熱典型值定性計算

從表1 可以看出，當排煙溫度從180 ℃降低到150 ℃時，從煙氣中回收的能量可增加1.69 MW，其中N2攜帶能量1.13 MW，占排煙損失的67%，所以N2的存在，不可避免對加熱爐的效率產生較大影響，但作為廉價的空氣，其氮含量無法調整，所以N2攜帶的熱量只能通過降低排煙溫度來減輕。

1.2 露點的影響

1.2.1 露點的產生煙氣露點溫度對設備的腐蝕主要取決于SO3的含量，也受SO2向SO3轉化量的影響［2］。由于露點溫度對設備材質的影響較大，所以露點溫度的影響歸根結底是經濟性問題。隨著節能技術和低碳發展的需要，多數加熱爐將燒自產燃料氣改為混燒天然氣。

天然氣的硫含量約60×10-6，自產燃料氣約350×10-6，如按常規摻燒比例6：4（LNG：LPG）計算，煙氣中約有7×10-6的硫含量（主要是SO2），按SO2向SO3的轉化率2%計，則煙氣中SO3含量為0.14×10-6，露點溫度為103 ℃［3］，Müller 露點-SO3曲線見圖1。

圖1 Müller露點-SO3曲線

1.2.2 露點在空氣預熱器內的形成及影響對于有中間熱媒的空氣預熱器（如熱管式、相變式），只要控制排煙溫度高于露點溫度，一般不會出現冷凝結露現象。

對于沒有前置預熱器的間壁式空氣預熱器（如板式、管式和擾流子式等），單純把排煙溫度提高到露點溫度以上，無法避免冷凝結露。原因是間壁式預熱器是空氣與煙氣在換熱板2 側直接換熱，換熱板的溫度介于煙氣及空氣的溫度之間。假設煙氣露點溫度是110 ℃，戶外空氣溫度為0 ℃，當控制排煙溫度為120 ℃時，間壁式空氣預熱器空氣入口處（即空氣溫度最低處）換熱板/管平均溫度只有60 ℃，遠低于煙氣露點溫度，相當于120 ℃的熱煙氣中出現了60 ℃的“冷壁”，當煙氣流過“冷壁”時，水蒸汽就會發生冷凝結露，并附著在換熱板表面。

換句話說，只要冷空氣溫度低于露點溫度，冷凝結霜就很難避免。

CFD模擬的板式空氣預熱器溫度分布見圖2。

圖2 玻璃板式空氣預熱器溫度場分布

從圖2可以看出，CFD 模擬的板式空氣預熱器的煙氣進/出口溫度分別為150 ℃/100 ℃，空氣進/出溫度分別為10 ℃/65 ℃。板片溫度自左上至右下呈“三角形”不均勻分布。雖然煙氣進/出口溫度為150 ℃/100 ℃，但實際換熱板表面溫度最高107 ℃，最低40 ℃，原因是換熱板比較薄，換熱板溫度近似于2側溫度的平均值，即便排煙溫度高于露點溫度，當煙氣接觸溫度較低的“冷壁”時，冷凝仍會發生。所以，對于間壁式類換熱器，防露點腐蝕設計是關鍵。

煙氣中水發生冷凝的溫度在55～60 ℃（按照煙氣中水含量體積比15%～20%考慮），由于預熱器板片平均溫度低于煙氣出口溫度，因此冷凝結露只發生在預熱器內部，并伴隨溶出部分的酸性物質，通過空氣預熱器后的煙氣，因溫度高于水的露點，所以水在冷煙道和煙囪內不會發生冷凝［4］。

從了解到的煉油廠燃料硫含量情況看，實際進入煙道和煙囪的SOX量非常少，SO2本身不會直接腐蝕煙道和煙囪，只有轉化為SO3并在濕水環境才具有腐蝕性，而SO2在煙氣環境中向SO3的轉化率一般在2%～5%，所以低溫排煙對煙道和煙囪的腐蝕影響微乎其微。

1.3 加熱爐表面散熱分析

關于爐體表面溫度，按SHT3036-2012 規定，在無風、環境溫度為27 ℃條件下，輻射段、對流段和熱煙風管道的外壁溫度不超過80 ℃，輻射段底部外表面溫度不超過90 ℃。

實際生產中，爐墻外表溫度能穩定到60 ℃，一般能優于設計指標。具體的加熱爐表面熱流量可依據表2和表3計算［5］。

表2 加熱爐散熱表面積

表3 加熱爐表面散熱損失計算

從表3 可以看出，爐體表面溫度/環境溫度分別在60/27 ℃和80/40 ℃時，爐子表面熱流損失分別為1.3 MW 和1.6 MW。熱流損失雖然絕對值較大，但考慮到冬季夏季變化及投資收益率，進一步降低表面溫度，工業獲利略顯不足。

1.4 不完全燃燒/低NOX/過?？諝庀禂?/h3>

空氣過剩系數不足，會導致一定程度的不完全燃燒，提高助燃空氣的溫度，可改善空氣過剩不足和爐膛溫度的分布不均，但助燃空氣溫度過高會導致NO 大幅增高和火嘴結焦甚至變形，所以，空氣的溫度不宜超過300 ℃。

降低助燃空氣中O2濃度，可以大幅度降低NOX 的產生，一般情況下，氧濃度降低一半，NOX可降低1 個數量級［6］，說明NOX 的生成，對O2的濃度非常敏感。但降低助燃空氣中的氧含量會導致更多的N2進入而產生更多的煙氣顯熱損失，所以一般不采用降低氧含量的方法來降低NO 的生成。近年來，超低NOX燃燒器已成為主流，主要是通過煙氣回流技術降低燃燒區域的O2濃度。

空氣過剩系數控制在1.1～1.3 之間，符合GB/T 15319 不高于1.25［5］的規定。過剩系數每降低0.1，加熱爐熱效率提高1.3%，但僅適于低效加熱爐的粗略評估，對于高效加熱爐，數據需要大幅修正。

隨著精細化操作的提升，CO 控制技術得到市場的認可，在經過特殊的穩焰設計后，CO可控制到40～80 mg/m3，空氣過剩系數可到1.05甚至更小。

1.5 經濟排煙溫度分析

排煙溫度越低，余熱回收的末端溫差越小，需要換熱面積就越大，1次投資會快速增加，見表4。

表4 余熱回收工況計算

從表4 可以看出，當排煙溫度在89.5 ℃時，加熱爐理論效率在95%；當排煙溫度為100 ℃時，理論效率可到94.5%。排煙溫度從100 ℃降至80 ℃時，節能經濟效益上升10%，但換熱面積上升了62%，考慮鋼結構和地基載重能力的提升，總投資預計會上升70%，性價比很低。插值分析發現，在排煙溫度從100 ℃降到80 ℃的過程中，投資上升率和經濟效益均在84.5 ℃左右出現拐點，此時加熱爐理論熱效率在95.2%，考慮到可能出現的其它散熱損失及漏風，實際效率要低于95.2%。通過插值逼近，經濟的排煙溫度和效率在85 ℃/95%。

2 優化余熱回收效率的推薦措施

2.1 鑄鐵板低溫預熱器

該方案在高溫段使用碳鋼或不銹鋼材質，低溫段使用鑄鐵板，并鑄造雙面翅片來增加傳熱。優點是具有較好的抗露點腐蝕能力，缺點是鑄鐵材質比較笨重，翅片易積灰。對于此類型換熱器，排煙溫度可降低到露點溫度以下。為減少酸水的產生，多數工廠會將排煙溫度控制在88 ℃以上。此方案加熱爐效率可做到94.5%。

2.2 玻璃板/玻璃管低溫預熱器

該方案在高溫段使用碳鋼或不銹鋼，低溫段使用玻璃板或玻璃管換熱器。玻璃材質抗腐蝕能力強，流動阻力小，流速高，不易積灰，易清洗，具有單位體積的換熱面積大，易模塊化設計、制作、安裝和維修等特點。玻璃熱膨脹系數小、易脆、抗拉彎扭振能力差，所以玻璃換熱器更適用于15 kPa以下的腐蝕性介質。由于玻璃材質具有超強的耐腐蝕能力，所以不受露點溫度的影響，使用玻璃材質的換熱器，加熱爐總效率能做到94.5%～94.8%。

2.3 高效超凈技術

預熱后的燃料氣去復合阻垢劑，將其中的硫氯化物含量降到5×10-6以下，處理后，排煙中的硫化物指標遠低于國標規定的50 mg/Nm3。超凈技術可將加熱爐排煙溫度降至80 ℃［7］，效率提升到95.2%。超凈技術對硫含量較高的燃料有獨優勢。

3 結束語

對于燒氣型加熱爐，影響效率的主要因素是排煙溫度、爐體表面溫度和氧含量，考慮到經濟性，排煙溫度和總效率控制在85 ℃/95%左右比較適宜。應注意的是，如果用裝置余熱對燃料氣進行預加熱，則需進行特殊設計以滿足溫壓變化導致的燃燒改變和必要的安全性評估。