二甲苯加热炉热效率提高

冯方华

摘要：作为炼油装置中十分关键的能耗单元，空气系数、燃料状态以及排烟温度等均是加热炉效率的影响因素。结合影响热效率的相关因素，本文从控制空气系数、减少排烟温度、避免散热损失以及加强烟气余热回收等多个层面，提出针对性的解决措施。

关键词：加热炉；热效率；空气系数；排烟温度；节能

1影响加热炉热效率因素

热效率，指的是在热量交换时，热量被利用的占比。当加热炉的热量得到充分利用后，即得到较高的热效率。加热炉热效率，受到空气系数、燃料燃烧、外壁热量损耗以及排烟温度等诸多因素的限制。加热炉热效率，其代表式如下。

1.1空气系数

燃料燃烧离不开氧气，加热炉一般是引入空气来助燃其中的燃料。空气系数，即实际供给、理论计算空气量二者的比值。炼油装置中，空气系数越高并非就会越好。当过剩空气被引入其中后，加热炉也会增加额外的热损失，影响热效率。据研究，如果排烟温度维持恒定，当空气系数扩大后，排烟量相应地也会增多。而一旦排烟量扩大，此时加热炉也会损失新的热量。同时，空气系数太大反过来也会促进加热炉完成氧化，缩短加热炉寿命，产生新的氮氧化物，污染周边生态环境。但是，空气系数不建议太低。一旦太低，则燃料无法得到完全燃烧，此时会浪费大量的燃料。另外，不完全燃烧还会释放一些有害物质，污染空气。可见，空气系数太过或是过少，对热效率均很不利。结合不同类型的加热炉，我们有必要找到合适的平衡点。在恰当的空气系数下，使加热炉拥有最高的热效率。

1.2排烟温度

燃料燃烧中会释放较多的烟气，需做好排烟处理。而排烟温度，很大程度上又会影响能量损耗的大小，降低加热炉本身的热效率。炼油装置中，当排烟温度上升10~15℃，此时热效率便会下降0.5%~1.0%。可见，有必要将排烟温度调整为恰当的温度区间，控制热量损耗，提高热效率。另外，排烟温度也会对露点最终的腐蚀温度产生影响。温度太低，则露点也会腐蚀，缩短设备的寿命。

1.3燃料的燃烧

燃料燃烧有两种不同的情况，一是完全燃烧，二是不完全燃烧。一旦处于不完全燃烧状态，燃料没有办法完全地释放出全部的热量。既会浪费能源，又会降低热效率。燃烧后得到的产物中，还会有部分一氧化碳、甲烷等典型的可燃物。另外，还可能掺杂毒害物质，如含氮以及含硫气体，对外部空气构成较大的污染。而完全燃烧，能够很好地释放燃料中的热量，提高热效率，不利于排放有害气体。

1.4外壁热量损耗

外壁散热损失，很大程度上会改变热效率。部分加热炉的保温效能相对偏低，炉外壁在运行中必然会产生大量的热损失。而保温效能相对偏高，炉外壁热损失自然也会下降。保温效能的高低，和炉墙外壁使用的材料、具体用量及其保温结构均存在密切的关联。

2热效率计算方法对比

加热炉热效率的正平衡计算法是用燃气加热炉有效利用热量与外界供给加热炉的热量之比来计算加热炉热效率1的方法

热效率=100%-排烟热损失（%）-未完全燃烧损失（%）-散热损失（%）

排烟热损失=（3.5×空气系数+0.5）×（排烟温度-环境温度）/100

未完全燃烧损失=3.2×空气系数×排烟处CO（%）

D，被加热介质流量，kg/h；hout、hin依次是被加热介质出、入口质量焓，kJ/kg；B，燃料消耗量，kg/h；Qin，输入热量，kJ/kg；QYDW，燃料低位发热值，kJ/kg；QWin，借助外热量来对空气、加热燃料进行加热时，即每千克燃料给予的热量（该方法并未使用外来热源，故是0），kJ/kg；Hrx，物理显热，kJ/kg；QYDWi，低位发热值，kJ/kg；yi，i组分具体的质量分数，％；Cpi，i组分定压比热容，kJ/（kg·K）；ΔT，燃料、计算参考温度二者之差，K。有关燃气加热炉，对天然气进行燃烧即可完成能量转换，多数能量均用于对介质进行加热，小部分能量则会引起损失。加热炉热损耗，涵盖了排烟、不完全燃烧热以及散热损失。排烟损失，即排烟时能够清除其中部分热量带来的热损失，损失的多少很大程度上取决于烟气量、基准温度还有蒸汽的显热。不完全燃烧热损失，即烟气中掺杂未燃烧彻底的CO、烷烃，由此带来热损失，受到燃料气性质、炉内温度以及空气系数的干扰。散热损失，即加热炉区间中，炉墙、管道的散失热量在总热量中的具体占比。排烟热损失相对最高，散热损失次之，但是不完全燃烧相对来说要最小。结合加热炉内部的热损耗，构建反平衡计算式，写作如下：

q2，排烟损失，%；q3，不完全燃烧损失，％；q5，散热损失，％；Kq4，热损失修正系数，Kq4=1；Hpy，排烟处烟气焓，kJ/kg；Hlk，入炉冷空气焓，kJ/kg；Vgy，排烟处干气体积，m3/kg；126.3，CO容积发热量，kJ/m3；358.18，CmHn容积发热量，kJ/m3；CO、CmHn，指的是各组分具体的占比，％；q5，理论散热损失（如表1），％；Tb，炉面温度，℃；T，入炉冷空气温度，℃。通过对正、反平衡方法进行比对，利用实测参数来完成计算，其测试难度相对偏大；反平衡方法中，排烟、散热以及未完全燃烧热损失这几项计算，涉及到多个和加热炉运行性能挂钩的参数，如空燃比。和正平衡方法相比，反平衡计算方法可以体现加热炉热效率的相关因素。

3提高加热炉热效率

3.1合理控制空气系数

过剩的空气，均是在排烟温度下才能排入大气中。排烟温度越高，那么过剩空气可以带走更多新的热量，对热效率也会产生更大的影响。选择最新燃烧方式，改善燃烧状态。烟气监控系统，能够让燃料得到完全燃烧，同时无需过大的过剩空气系数。科学调整风门以及挡板，能够明确“三门一板”的开度，对风门、烟囱挡板进行调整，使加热炉拥有较高的密封性能，能够保持加热炉本身的负压值，为完全燃烧提供必要的空气量，减少炉膛中的空气量。

3.2降低排烟温度

在热损失中，排烟损失的占比非常高：当炉子热效率较高（例如90％）时排烟损失所占比例为70%～80%；当炉子热效率相对偏低（如60%）时，其比重≥90％。降低排烟温度、过剩空气系数，均有助于控制排烟损失。降低排烟温度，需选择如下不同的措施：

（1）减小末端温差，即控制排烟温度、对流室二者的温度之差；

（2）在对流室末端，提前引入低温介质，如锅炉给水；

（3）采用空气预热器，来对空气进行预热；

（4）烟气余热锅炉，使其产生蒸汽；

（5）除灰除垢，确保加热炉能够长期在高热效率下进行运转。

3.3减少不完全燃烧

排烟损失中，不完全燃烧会损失额外的化学热。除了热损失、影响热效率之外，不完全燃烧也会对大气构成不同程度的污染。为此，我们需要想办法来避免不完全燃烧损失。一是挑选性能优良的燃烧器，做好周期性维护，确保燃烧器处于良性的工作状态，并且得到完全燃烧；二是精心调节，过剩空气量不能留的过多，但也不建议过少。

3.4减少散热损失

加热炉运行时，各部分炉墙、钢架等的表面温度均比周围温度高，是造成加热炉的散热损失的原因，其中，炉墙的散热损失的大小主要取决于炉墙的保温结构、材料和方法。在加热炉辐射室采用先进的耐火纤维喷涂技术可强化辐射传热、使载体获得的辐射能有所增加，同时还能起到隔热保温作用、减少炉壁散热损失。

3.5强化烟气余热回收

起初真空加热炉的烟道排出的烟气温度较高，通常＜200 ℃。经换热盘后，燃料气并没有得到燃烧器使用前的热量，此时加热炉也没有办法成功输出。该部分热量损失，降低了真空加热炉得到的热效率。所以，生产单位有必要做好技术攻关，推广烟气余热回收技术，对热量进行回收，避免无端损失。常见做法：在加热炉烟道中，需要提前安装一款燃料气换热盘管，借助烟气余热来对燃料气进行加热，提高真空加热炉总体的热效率。

4板式吸热创新改进

二甲苯炉涵盖了4个燃烧器，炉膛中的气体分子能够对瓦斯燃烧热量进行吸收，运动剧烈，并且对加热炉中的炉管进行撞击。炉管温度上升，将热量传送至油品，此时油品温度也会相应地升高。运速较快的气体分子，仅仅与炉管挨着火焰一侧产生撞击。对炉管而言，其受热面积相对偏小。因此，高速运动的气体分子撞击并不需要很多的面积。撞击后，动能也会随之下降。炉膛为负压，动能过低的气体分子也会从炉膛中抽出。进入空气预热器中和冷空气进行换热，不仅会有热量损失，而且也会耗费较多的引风机电能。

瓦斯压力0.26MPa，流量184m³/h。在单位时间内，甲烷流量为0.051m³，摩尔数0.051*1000/22.4=2.77mol，热量2465KJ，N2分子、CO2分子、H2O分子吸收热量，属于动能高速的一种气体分子。二甲苯加热炉加热油品，温度上升平稳，入炉255°C，出炉260°C。四分支进加热炉流量4*50t/h，单位时间内4*50*1000/3600=56KG,单位时间内油品吸收热量Q=CMT=1.77*56*5.5=542KJ。可见，热量会损失一部分。因此，有必要提高热效率。

加热炉多为管式，高速气体分子仅仅会与炉管50%的表面积产生撞击。如果换为板式受热，油品也会进入长方体，此时高速运动的气体分子也会撞击更大面积，而油品也会吸收额外的热量。长度一样的管式、板式，1米长度的U形管，炉管直径100mm，炉管可以接收的气体分子撞击面积S=πrh=3.14*0.01*1=0.0314m²,0.5长度U形管4个管子受热，其面积为0.1256m²板式高度为1米，炉膛体积中同样可以设计8个板式，各板宽0.5m，面积S=1*0.5=0.5m²，板式受热面积≥管式。假如板式厚度恰当，板式体积也会增加。在板式中，油品流动越久，吸收到的热量也会更充分。同时，板式能够作用于热分子，防止其对炉壁进行撞击，控制热损失。

5结束语

加热炉本就是炼油装置中能耗最大的部分，为提高加热效率，帮助企业创造可观的效益，响应节能增效的时代号召，有必要对炼油装置加热炉热效率进行探索，明确热效率的影响因素，结合装置特点来采取针对性的措施。有关加热炉热效率，有如下几种提升措施：把控空气系数、调整排烟温度、减少散热损失、以及对烟气进行循环回收。作为装置操作的执行者，有必要加强人员对加热炉的运维，提高操作人员技能水平，多措施提升并用，从根本上提高加热炉热效率。

参考文献

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