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加热炉运行管理技术讲座影响加热炉热效率的参数及其控制加热炉运行的安全保障系统-1-影响加热炉热效率的参数及其控制热效率是衡量加热炉设计和运行管理先进性的一个重要指标。它关系着石油化工装置乃至全厂能耗的高低。因此，加热炉的设计和运行管理部门都必须十分关注其热效率，以避免浪费能源，影响经济效益；同时，也不能盲目追求过高的热效率，使得一次投资过高或尾部换热面低温露点腐蚀和粘灰堵塞，影响长周期安全运转。-2-提高加热炉热效率的意义加热炉的燃料消耗在炼油装置能耗中占有相当大的比例：少则20%-30%，多则80%-90%。因此，提高加热炉的热效率，减少燃料消耗，对降低装置和全厂能耗具有十分重要的意义。-3-热平衡热平衡是计算加热炉热效率的基础，也是考察加热炉体系热能分布、流向和利用水平的重要手段。国标GB2587《热设备能量平衡通则》规定了热平衡的通式和各参数选取的基本原则。根据这个通则，对于连续操作的加热炉，在稳定状态下有下列关系式：单位时间的输入能量=单位时间的输出能量QGG=QYX+QSS⑴式中QGG--单位时间的供给能量，MW；QYX--单位时间的有效能量，MW；QSS--单位时间的损失能量，MW。进行加热炉热平衡时，值得注意的是正确划定热平衡的体系和确定热平衡的基准温度。热平衡体系的划分热平衡体系是为进行热平衡计算而划分的范围。体系划分的范围不同，热平衡计算所包括的项目也不同，在此基础上计算的热效率也不相同。只有对加热炉体系划分的范围作出明确规定，才能使各炉的热效率具有相互比较的共同基础。体系范围的划定主要取决于评价对象、测示目的和要求。国标GB2587规定划分体系范围时，应该考虑整个体系的收入和支出项目尽可能的少，同时所有项目的测量应是简单可行的。循环使用的能量和本体系中回收使用的能量应力求包括在体系范围之内，这样可以减少测量项目，提高测试精度。根据这些原则，对于有余热回收系统的加热炉，应将各种空气预热器和烟气余热锅炉等划分在体系范围之内。-5-热平衡的基准温度热平衡的基准温度是其各项热焓计算的起始温度。基准温度不同，热焓值也不相同。世界各国采用的热平衡基准温度不尽相同，如0℃、15.6℃（60℉）、20℃、25℃、大气温度等。其中采用15.6℃（60℉）的较多。国标GB2587规定原则上以环境温度（如外界空气温度）为基准。若采用其他温度基准时应予以说明。这种规定比较符合实际，适用于对运转中的加热炉进行实际考核。但是，环境温度是随时间和地区而变化的，用于炉子设计或对全国同类炉子进行热效率比较时，就会产生困难。因此，还是以某一固定的温度为基准温度较为方便。SH/T3036《一般炼油装置火焰加热炉》规定热平衡的基准温度为15℃。-6-热效率计算通式国标GB2588《设备热效率计算通则》规定的热效率η是指为达到规定的加热目的，供给能量被有效利用程度在数量上的表示。即有效能量占供给能量的百分数加热炉热效率计算公式加热炉的输入能量除燃料燃烧的发热量，燃料、空气和雾化蒸汽带入的显热外，还有通、引风机和吹灰器等所用的电能和蒸汽。这些电能和蒸汽一般都不转换成有效能而转换成由于摩擦等造成的能量损失。按前述热效率通式，供给能量和损失能量中均应加上这些电能和蒸汽。由此计算的热效率实际上是“能效率”。它全面地表示了加热炉所有供给能量的利用程度，是一项综合性的技术经济指标。它对改革生产工艺，提高设备制造水平，改善管理和降低产品成本等具有重要意义。但是，习惯上的热效率是用来表示加热炉体系中参与热交换过程的热能利用程度。它便于计算燃料消耗，是衡量加热炉燃料利用状况的一项重要指标。从这个意义上说，它也可以叫做“燃料效率”。又有总热效率和净热效率之分。按SH/T3036附录G的定义，总热效率是按燃料高发热量计算的热效率，一般不用。净热效率是表示燃料低发热量的利用程度，通常所说的加热炉热效率就是净热效率。SH/T3045给出了管式炉热效率的详细计算方法，下面介绍简化计算法：式中η--热效率，%B--燃料量，kg/SQe--总热负荷（总吸热量），kWQL--燃料低发热量（低热值），kJ/kg燃料Qf--燃料显热，kJ/kg燃料（基准温度15℃）Qa--空气显热，kJ/kg燃料（基准温度15℃）Qm--雾化蒸汽显热，kJ/kg燃料,雾化蒸汽的基准焓取2530kJ/kg，雾化蒸汽带入的显热为蒸汽热焓与基准焓之差。ηr--散热损失占燃料低发热量的百分率，一般取1.5%~2.5%。当用于估算、或空气不预热以及燃烧空气为燃气轮机高温尾气等情况下，可认为ηr是散热损失占总供给热量的百分数，也就可以按(3)式的后半部分计算：qs--排烟损失，kJ/kg燃料，包括烟气离开热平衡体系带走的显热和不完全燃烧的化学热。由于加热炉的燃烧都比较完全，一般不计不完全燃烧损失。在现场难以进行详细计算时，可根据过剩空气系数和排烟温度从下图查得排烟损失与燃料低发热量之比ηS求出：操作中的热效率测定操作中的热效率测定最好是用正平衡计算，但是，被加热介质的出入口温度和流量一般测不准，尤其是炉出口汽化率很难测准，由此造成总吸热量计算不准，热效率计算也就不准确。也正因为如此，SH/T3036附录G仅考虑用反平衡法测定操作中的加热炉热效率，而将加热介质测得的数据仅作为参考和对比用。该附录给出了一套进行必要的测试和报告结果的完整步骤和方法。由于篇幅太长，就不详细介绍了。车间工作的工程师常常需要了解加热炉的运行热效率。最好的办法是安装在线热效率仪，或购置便携式热效率仪。当这些仪表都没有时，可在测得排烟温度和氧含量的情况下用(3)式和上图进行估算。这时需根据干基烟气分析结果用下式计算过剩空气系数α：提高加热炉热效率的途径提高加热炉热效率的目的是为了节能，而炼油装置加热炉的节能措施比一般工业炉要灵活得多，因为它所加热的工艺介质在经过后续设备完成蒸馏或其它加工过程之后，产品需要冷却到一定温度才能送出装置。冷的原料和热的产品之间往往要进行复杂的热交换。一个装置内常常不只一台加热炉，另外还有各种其它设备，它们之间在热能利用方面往往是可以互补的。这就有可能也有必要首先把管式炉同整个装置结合在一起，全面考虑和优化，以便采取综合节能措施。⑴优化换热流程，降低加热炉热负荷炼油装置的特点是加热炉的热负荷随换热流程的不同而改变。优化换热流程，降低加热炉热负荷，是减少燃料消耗，降低装置能耗最直接、最有效的措施。以常减压装置的常压炉为例，在上个世纪七十年代以前，原油入炉温度（换热终温）仅220℃左右。那时建一套250万吨／年处理量的常减压装置，就需要一台48.3MW的常压炉，而现在经过换热流程的优化，原油入炉温度高的可达～300℃，建一套1000万吨／年处理量的常减压装置，常压炉的热负荷只需要72.6MW。⑵加热炉之间及加热炉与其它设备之间联合回收余热加氢装置的反应炉，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，排烟温度高达700℃-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。对于小炉群，例如重整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。新建的重整装置都是这样处理的。国外还有把全厂炉子的烟气集中进行余热回收再通过高烟囱统一排放的例子。炼油装置的产品有一些是要经过空冷才能送出装置的。如果将这些空气冷却器出来的热空气收集起来供给炉子作燃烧空气，就可以回收一部分热能，从而降低装置的能耗。降低排烟温度以减少排烟损失从前面（3）式可以看出，减少排烟损失就可以提高热效率。值得指出的是，排烟损失在加热炉的热损失中占有极大的比例。降低排烟温度的主要措施有以下几种：(1)减小末端温差--减小排烟温度与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。从前燃料油价格较低时，末端温差一般在150℃-200℃之间。现在燃料油价格较高，末端温差取40℃-60℃比较适宜。(2)将需要加热的低温介质引入对流室末端。常减压装置中，可以把加热炉的对流室作为换热器，加入换热流程中一并优化，将一部分冷油料引入对流室末端，而将另一部分需要换热的热油品用来预热空气。冷进料-热油预热空气的节能方案就是根据这个思路开发出来的。对于热载体炉，可以将一部分热载体先进入热油式空气预热器将空气预热而自己被冷却后再进入对流室末端，即构成所谓开式循环热载体空气预热系统。(3)采用各种空气预热器以预热空气与前述两种措施相比，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。在加热炉其它参数不变的情况下，空气预热温度每提高~20℃，炉子热效率约提高一个百分点。值得指出的是，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过大的变形等问题，除非改变燃烧器结构和材质，一般空气预热温度300℃左右。用烟气预热空气是加热炉回收烟气余热，提高热效率的主要方法，也是最常用的方法。用烟气预热空气是加热炉回收烟气余热的各种方案，后面将详细叙述。(4)采用烟气余热锅炉以发生蒸汽。有些加热炉如连续重整的四合一重整炉，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。再如制氢装置的转化炉，其转化反应只能在辐射室的转化管内进行，热负荷相当大，烟气出辐射室的温度也比一般加热炉高得多，对流室仅靠预热原料气远不能将烟气温度降下来，也只能采用烟气余热锅炉。最近设计的煤炼油的煤浆炉只有辐射室，烟气热量只能靠余热锅炉回收。大型化的加氢反应炉也是一样。虽然一般炼油厂并不缺少蒸汽，但对于这样的炉子也只能采用余热锅炉来回收烟气余热，产生的蒸汽并入管网，使得全厂蒸汽过剩，只能停掉一些蒸汽锅炉来平衡。让这些炉子少产或不产蒸汽，是设计者多年来追求的目标。后面将要介绍的“蓄热式高温空气贫氧燃烧技术”如果应用到炼油管式炉上，前述问题可能得到解决，实现少产或不产蒸汽的目标。利用烟气余热预热空气利用烟气余热预热空气的方案很多，可分为用烟气直接预热空气和间接预热空气两大类。烟气间接预热空气烟气间接预热空气的方案有工艺分支物流预热空气、冷进料-热油预热空气、开式循环或闭式循环热载体预热空气、热管预热空气等等。当加热炉的被加热介质（工艺物流）进炉温度较高时，即使减小了对流室末端温差，排烟温度仍很高。这时可分出一部分工艺物流先进入热油式空气预热器预热空气，分支物流降温后再进入对流室末端，使排烟温度降低。这就是工艺分支物流预热空气的方案。冷进料-热油预热空气方案是将一部分管式炉的进料在换热流程中少换热，在较低温度下进入对流室尾部，使排烟温度降低，而换热流程中多出来的热量用来预热燃烧空气。此方案除具有上述工艺分支物流预热空气方案的优点外，还可以将炉子和空气预热器列入换热流程，统一优化，尽可能的降低装置能耗。热载体预热空气方案是用液相的热载体先到对流室尾部取热，以降低排烟温度，然后再到热油式空气预热器中将燃烧空气加热。冷却后的热载体再进入对流室尾部，如此循环将烟气的余热间接预热空气。这种方式称为闭式循环。开式循环热载体预热空气的方案流程与工艺分支物流预热空气方案类似，在热载体炉和塔底重沸炉上采用这种方案最方便也最适宜。热管是一种高效的传热元件。早在上世纪四十年代热管的概念就已提出，直到六十年代，由于宇宙航行的需要，热管才在宇航技术中得以应用。此后发展很快，七十年代热管就已广泛应用于电子、机械、石油、化工等行业。从那时起，国内石油化工加热炉上就开始使用热管式空气预热器来回收烟气余热，并迅速得到推广，到目前的止估计已有数百台在运行中。它与管式和回转式等其它空气预热器相比，具有体积小、质量轻、效率高、不易受低温露点腐蚀等优点。另外，它还具有烟气直接预热空气方案的自成系统，与其它工艺过程无关的优点。这些就是它被迅速推广和应用的原因。烟气直接预热空气烟