摘要：加热炉是石油化工装置的能耗大户，其节能效果对于降低装置的能耗具有重要意义。文中对PTA装置加热炉能耗偏高的情况，提出了相应了节能措施，并分析了节能措施的制约因素，具有一定借鉴意义。
关键词：PTA装置；加热炉；节能措施；限制因素
前言
加热炉是为石油化工装置提供热量的设备，同时，加热炉又是石油化工装置的能耗大户，其燃料消耗在石油化工装置总能耗中占有相当大的比例。因此，加热炉是石油化工装置节能的关键设备。
1 加热炉简介
PTA装置原设计生产能力为25万吨/年，经过两次扩产改造后达到34万吨/年。PF-601加热炉改经改造后，保留使用燃料油功能，新增使用燃料气功能。即在天然气停供情况下，通过更换燃烧器，与原有燃料油、雾化蒸汽管线通过管线连接，可以恢复使用燃料油功能。但加热炉由于受到燃烧效果不佳的情况影响，热效率有待提高。加热炉参数如下：
表1 加热炉系统主要工艺参数
2 加热炉节能措施
2.1 提高加热炉热效率
热效率是衡量加热炉先进性的一个重要指标，其高低关系着石油化工装置能耗的高低。现在大、中型加热炉的热效率一般都在88%~93%。提高加热炉热效率的措施有：降低排烟温度、降低过剩空气系数、减少不完全燃烧损失、减少散热损失等。
2.1.1 降低排烟温度以减少排烟损失
排烟损失在加热炉的热损失中占极大的比例：当炉子热效率较高(例如90%)时，排烟损失所占比例为70%~80%；当炉子热效率较低(例如70%)时，所占比例高达90%以上。降低排烟温度和降低过剩空气系数都能减少排烟损失。降低排烟温度的主要措施有以下几种：
（1）采用各种空气预热器以预热空气。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。在加热炉其他参数不变的情况下，空气温度每提高20℃，炉子热效率约提高1个百分点。用烟气预热空气是加热炉回收烟气余热、提高热效率最常用的方法。
（2）减小末端温差，即减小排烟温度与被加热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。末端温差大，一次投资少，但加热炉热效率低，运转费用高；末端温差小，一次投资大，热效率高，运转费用低。
（3）除灰除垢，以保证加热炉长期在高热效率下运转。不完全燃烧产生的炭粒和燃料中的灰分等烟尘均会污染对流室炉管的外表面和空气预热器的换热面，增加热阻，降低传热效果。随着积灰的增加，排烟温度迅速上升，热效率显著下降。为了保证加热炉长期在高热效率下运转，必须坚持用吹灰器定期(每8h或24h)清除积灰。现在的吹灰器有许多种，除以前常用的蒸汽吹灰器外，近几年出现的声波除灰器、亚(次)声波除灰器、激波除灰器等等，效果都不错。
2.1.2 降低过剩空气系数以减少排烟损失
加热炉是靠燃料燃烧供给热量的。在工业炉中，燃料不可能在化学平衡的空气量下完全燃烧，总要在有一定过剩空气量的条件下才能完全燃烧。正常的过剩空气系数为1.15～1.25。在实际操作中，如果过剩空气量增加，排烟时大量的过剩空气将热量带走排入大气，使排烟损失增加，热效率降低。由于过剩的空气是在排烟温度下排入大气的，所以排烟温度越高，过剩空气带走的热量就越多，对热效率的影响也就越大。降低过剩空气系数的办法很多：首先是要选用性能良好的燃烧器，保证在较低的过剩空气系数下完全燃烧；其次是加强运行管理，确保加热炉在合理的过剩空气系数下运转，既不让过剩空气量太大，也不因过剩空气不够而出现不完全燃烧。
2.1.3 减少不完全燃烧损失
在排烟损失中，除了前面所述的烟气物理热损失之外，还有由于不完全燃烧而造成的化学热损失。不完全燃烧除造成热损失、降低热效率外，还造成大气污染。机械不完全燃烧产生的炭粒还会造成对流室炉管表面积灰，影响传热效果。减少不完全燃烧损失的措施，首先是选用性能良好的燃烧器，并及时和定期进行维护，使燃烧器长期保持在良好状态下运行，以保证在正常操作范围内能完全燃烧；其次是在操作中精心调节，以保证过剩空气量既不太多，也不太少。
2.1.4 减少散热损失
加热炉外壁以辐射和对流两种方式向大气散热，散热量与炉外壁温度、环境温度和风速等有关。环境温度和风速对炉外壁温度影响较大，而对散热损失影响并不大。靠减少散热损失来提高热效率的余地并不大，但对于已经使用多年、炉墙已有损坏的炉子，及时修补炉墙以减少散热损失、提高热效率却是很有必要的。
2.2 加热炉与其他设备联合回收余热
石油化工装置的产品，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排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。常见的是用热油式空气预热器代替空冷器，将原来空冷的油品引入热油式空气预热器，冷却后送出装置。被加热的空气供给炉子作燃烧空气。如果油品提供的热量不多，也可将这种热油式空气预热器作为暖风器使用。空气自环境温度预热到一定的温度(例如60～80℃)后，再进入烟气余热回收设备，这不仅回收了热能，而且解决了余热回收设备冷端的低温露点腐蚀问题，一举两得，这一点对于北方，特别是冬季寒冷的东北更为有利。
2.3 优化换热流程，降低加热炉热负荷
石油化工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。
3 制约因素分析
3.1 降低排烟温度的制约
从理论上讲，排烟温度可以降到接近环境温度，这时可以获得最高的热效率。但在工程实际中，这是不可能的，因为排烟温度的降低要受经济和技术两方面的制约。随着排烟温度的降低，烟气余热回收系统的末端温差越来越小，传热效果也越来越差，回收余热的换热面积也就越来越大，一次投资迅速增加。因此，必须根据经济评价确定一个经济合理的余热回收末端温差。降低排烟温度在技术方面主要受烟气露点的制约。余热回收换热面的温度必须高于烟气的露点温度，否则换热面将受到露点腐蚀而损坏。
3.2 降低炉外壁温度的制约
降低炉外壁温度，减少散热损失，提高热效率，这是肯定的。但炉外壁温度降到多少才是合理的，这要通过技术经济分析才能决定。过分追求太低的炉外壁温度，要求更厚的炉衬厚度或更高级的耐火隔热材料，也有失偏颇。
3.3 环保方面的制约
烟气预热空气是提高加热炉热效率最常用的措施，但是，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，则对环保不利。空气温度过高，还可能引起燃油喷头结焦或燃烧器变形过大等问题。除非改变燃烧器结构和材质，空气预热温度一般不宜超过300℃。
4 结束语
加热炉是石油化工装置的能耗大户，几十年来，加热炉在节能方面取得了巨大的进步，但仍有潜力可挖。只有不断地开发新技术，克服制约节能的因素，就可以更上一层楼，一定会取得更大的成功。
参考文献：
[1]刘勇.提高加热炉热效率方法研究和应用[D].东北石油大学, 2015.
论文作者:边晓睿
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/10/1
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