提高管式加热炉热效率,节能降耗

提高管式加热炉热效率，节能降耗
王庆
中国石化管道储运有限公司宁波输油处岚山站，浙江宁波 315200
摘要：分析影响管式加热炉热效率的因素，主要包括排烟热损失，不完全燃烧和散热损失等，针对此问题采取有效措施，包括提高空气进入炉膛温度，采用低氧燃烧、降低排烟温度和采取烟气余热回收装置等降低排烟热损失；采取高效燃烧器，采用燃料油雾化、磁化技术，强化燃烧过程，减少燃烧热损失；采取高效、新型保温隔热材料，加强炉体保温减少散热损失以及采用自动控制技术，确保炉子长期维持高效运行。

其中，降低排烟热损失对提高加热炉热效率效果最为显著。

关键词：管式加热炉；热效率；节能；降耗；低温腐蚀
中图分类号：TK175 文献标识码：A 文章编号：
1前言
随着石油化学工业的迅速发展，管式加热炉在炼化企业、油田生产和石油长
距离管道输送中被广泛使用，其作用是将炉管中通过的介质（油料等）加热到所需的温度，以满足生产工艺的需要，由于管式加热炉在运行中燃料消耗量很大，因此，提高管式加热炉的热效率对节能降耗具有重要意义。

2 主要影响因素
管式加热炉的热效率是指向炉子提供的能量被有效利用的程度，即被加热流体吸收的有效热量与燃料燃烧放出的总热量之比，是衡量管式加热炉优劣的重要参数。

经过分析，影响管式加热炉热效率的因素主要由以下几点：
（1）排烟热损失
（2）不完全燃烧热损失
（3）炉外壁的散热损失
即管式加热炉的热效率η=1-（Q1+Q2+Q3），其中Q1-排烟热损失百分比，Q2-散热损失百分比，Q3-化学和机械不完全燃烧热损失百分比。

其中，排烟热损失在加热炉中所占比例极大，有研究表明，当炉子热效率较高（例如90%）时，排烟热损失占总损失的70%~80%，当炉子热效率较低（例如70%）时，排烟热损失占总损失的比例高达90%以上。

3 提高加热炉热效率的措施
3.1 降低排烟温度以减少排烟热损失
降低排烟温度的措施主要有以下几种：
（1）将需要加热的低温介质引入对流室末端
介质温度越低，与烟气换热效果越好，排烟温度越低，热效率越高。

如原油
长输管道直接式加热炉，冷油先进入对流室再进入辐射室，以充分利用烟气温度换热。

而在有些炼油装置如常减压装置中，可以把管式炉的对流室作为换热器，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。

（2）采用各种空气预热器以预热空气
将进入加热炉的冷空气加热到当前的炉膛温度，将会浪费很多燃料，降低加热炉效率，通常可以采用空气预热器，利用排出的高温烟气对冷空气进行预热以提高空气进入炉膛的温度。

该方式简便且无需改变工艺流程，便于操作控制。

这样，既提高了空气进入炉膛的温度，又降低了排烟温度，可大大提高管式加热炉的热效率。

由空气预热温度与热效率提高值的关系（见图1）可以看出，当空气预热温度由0℃增加到110℃时，管式加热炉的热效率提高5%。

虽然对空气进行预热可以提高管式加热炉的热效率，但是，不能对空气温度进行无限制的提高，因为随着空气温度的提高，燃烧产物中的NOx（一氧化氮和二氧化氮）会相应增加，如果不采取适当措施来控制NOx的排放，将难以达到环保要求。

另外，空气温度过高还可能引起燃烧喷嘴结焦和燃烧器过大变形，一般的，预热空气温度不宜超过300℃。

（3）吹灰除垢，保证管式炉长期在高效率下运行
不完全燃烧燃烧产生的碳粒和燃料中的灰分等烟尘污染对流室炉管外表面，增加热阻，降低传热效果。

而对流室炉管为了提高炉管表面热强度，一般采用钉头管或翅片管，更容易结垢。

对流室热负荷约占全炉总热负荷的20%~30%左右，随着积灰增加，排烟温度迅速上升，热效率显著下降。

因此，减少加热炉管束结垢，将使加热炉保持较高的热效率，成为降低加热炉能耗的有效途径。

为了保证管式炉长期在高效率下运行，必须坚持用吹灰器定期（每8小时或24小时）清灰。

现在的吹灰器有很多种，除了以前常用的蒸汽吹灰器外，还有气动旋转吹灰器以及新式声波除灰器、亚（次）声波除灰器等，都能达到良好效果。

通过以上措施，可以有效降低排烟温度，提高加热炉的热效率。

但是，必须注意的是，受露点温度的限制，加热炉的排烟温度不能无限制地降低，否则将造成低温露点腐蚀。

一般的，燃料油或燃料气中含有少量硫，硫燃烧后生成SO2，由于燃烧室有过量的氧气存在，SO2进一步与氧气化合形成SO3。

在高温烟气中SO3不腐蚀金属，但当烟气温度下降到一定程度，SO3将与水蒸气化合生成硫酸蒸汽，当烟气温度或受热壁面温度低于硫酸蒸汽的露点时，硫酸蒸汽便凝结在受热面上造成腐蚀。

通常可以通过以下措施控制露点腐蚀，一是采用低硫燃料：二是控制过剩空气系数，减少SO3生成量；三是提高加热炉的排烟温度，控制换热面的温度高于烟气露点温度；四是选择耐腐蚀材料，可以采用聚四氟乙烯等涂料或选择陶瓷等非金属衬里，也可采用12Cr2AlMoV和09CrCuSb 等耐腐蚀的钢种。

总之，只有合理控制好管式炉的排烟温度（一般不低于130℃），才可以在避免低温露点腐蚀的基础上提高加热炉的热效率。

图1 空气预热温度与热效率提高值的关系曲线
3.2 降低过剩空气系数以减少排烟热损失
燃料不可能在理论空气量下完全燃烧，而是需要一定的过剩空气量。

燃料所用实际空气量与理论空气量之比叫做过剩空气系数α。

一般，管式炉当燃料为燃料气时，过剩空气系数α=1.05~1.15；当燃料为燃料油时，过剩空气系数α=1.15~1.25。

由不同温度下过剩空气系数每增长0.1对热效率下降值的影响曲线（见图2）可以看出，过剩空气系数过大，排烟时大量的过剩空气将热量带走排入大气，使排烟热损失增加，热效率降低。

而且，过剩空气系数过大还将加速炉管和炉内构件的氧化，提高SO2向SO3的转化率从而加剧低温露点腐蚀等。

因此，应采取有效措施来降低过剩空气系数，主要方法有：选择良好的燃烧器，保证在低过剩空气系数下能完全燃烧；操作中管好“三门一板”（风门、气门、油门和烟道挡板），调节比例盘，合理控制油风、气风配比，确保管式炉在合适的过剩空气系数下运转，既不让过剩空气系数太大，也不因过剩空气系数不够而产生不完全燃烧；做好管式炉的炉体堵漏，防止负压炉因看火孔、人孔、防爆门等不严，空气漏入炉内白白带走热量。

图2 过剩空气系数对热效率的影响
3.3 减少不完全燃烧热损失
加热炉的不完全燃烧分为化学不完全燃烧和机械不完全燃烧。

化学不完全燃烧损失越大，即排烟中的CO越多，热效率越低；机械不完全燃烧损失越大，即排烟中的未燃尽碳粒子含量越多，热效率越低。

不完全燃烧除造成热损失，降低热效率外，烟气排至大气还将造成大气污染。

此外，机械不完全燃烧产生的碳粒还会造成对流室炉管表面积灰，影响传热效果。

减少不完全燃烧热损失的方法，首先是要选择性能良好的燃烧器，并及时进行维护；其次，可采用燃料油磁化技术，使雾化颗径微细化，燃烧更充分；最后，在操作中应精心调节“三门一板”，以确保适当的过剩空气量。

3.4 减少散热损失
管式加热炉外壁主要以辐射和对流方式向大气散热，可采用新型高效保温材料，如耐火陶瓷纤维（导热系数仅为轻质隔热耐火砖的1/5）等来减少散热损失。

一般来说，新建的管式加热炉散热量并不大，仅占加热炉总供热量的1.5%~3.0%。

因此，靠减少散热损失对提高加热炉热效率的余地不是很大。

但是，对于已经经营多年的管式加热炉，要及时更换损坏的炉墙，以减少散热损失。

3.5 采用自动控制技术，确保加热炉长期维持高效运行
随着可编程控制器（PLC）和工控机的不断发展，如今广泛使用工控机和PLC相结合的控制系统来监控管式加热炉的运行。

一般来讲，加热炉控制系统的主要目的有三点：维持对物料热传递的效率，维持一可以控制的燃料燃烧效率，保证加热炉操作安全。

采用自控技术，从上位机上可以实时监控和设置加热炉运行参数，其控制思想延续了多回路控制器控制策略，采用原油温度控制为主回路，燃油回路和助燃风回路为副回路的串级控制，燃油回路和助燃风回路采用双交叉限幅的方式动态调节。

启、停炉和负荷调整可以通过下位机中编程实现，并且通过现场仪表对数据的采集和传输，实现对加热炉温度、压力、流量和烟气含氧量等的监控，有些系统还引入了变频器以实现对风量的变频调节。

通过一体化系统，对加热炉大风吹扫、点炉、火焰检测、炉温调节、停炉、原油温度、风油配比等都实现了自动化控制，不仅可以确保加热炉始终长期高效运行，还提高了其安全性。

4 结束语
提高管式加热炉的热效率，对于节能降耗非常重要，尤其是降低排烟温度和排烟量对提高加热炉热效率效果显著。

然而，排烟温度过低易引发低温露点腐蚀，因此，还应加强加热炉的监控和现场管理，提高操作水平，合理设置加热炉参数，在保证完全燃烧的前提下尽量降低过剩空气系数，控制排烟温度始终高于烟气露点温度5~10℃，或采用耐露点腐蚀材料，以保证管式加热炉长期高效、安全、平稳运行，达到节能降耗。

参考文献
[1]钱家麟.管式加热炉，中国石化出版社（北京），2003.
[2]裴兆华.提高管式加热炉热效率的措施，油气储运，2009,28（11）52~54.
[3]朱光本，马贵阳，乔伟彪，杜明俊.输油管道加热炉节能减排技术现状与未来发展，1671-0460，2011，02-0143-03.
[4]黄翼虎，周泽魁，李保国，梁超.我国管道加热炉发展历程和未来预测，油气储运，2005,24（1），4~7,34.。