炼油加热炉提效改造探讨

炼油加热炉提效改造探讨

魏翔

中国石油天然气股份有限公司华北石化分公司 河北任丘 062550

摘要：大型炼化企业中燃料气往往供应不足，需外购天然气补充，炼油能耗组成中，燃料能耗占比可达到25%左右，因此，炼油加热炉的提效对节能、增效有重大意义。本文对某石化公司中燃料气主要用户的加热炉运行情况进行分析，结合目前同类装置改造经验，探讨加热炉的提效改造。

关键词：加热炉燃料气节能技术热效率

大型炼化企业中燃料气往往供应不足，需大量补充天然气和液化气，燃料气成本较高，燃料能耗占炼油能耗比例可达25%左右。调研某石化公司23台主要工艺加热炉热效率在89.5-93.5％，部分加热炉过剩氧含量大，受限于燃料气中硫含量，排烟温度无法进一步降低，导致加热炉效率无法进一步提高。本文针对加热炉运行情况进行分析，结合目前国内同类装置的改造经验，探讨加热炉提效改造。

1加热炉运行情况分析

1.1烟气露点腐蚀温度分析

目前经过脱硫处理燃料气管网中硫化物含量可降低至3-6ppm，烟气露点腐蚀温度约在95-100℃之间，因此安全排烟温度需在115-120℃之间，无法继续下降。由于负荷等其它因素的影响，燃料气中硫含量也将波动，存在烟气露点腐蚀温度提高、加热炉二氧化硫排放量超标的风险。经研究，加热炉排烟温度下降10℃，能够减少燃料气耗量约1％[1]，若无法进一步降低燃料气中硫化物含量，排烟温度无法进行深度优化。

1.2未设置燃料气预热流程

一般燃料气管网运行温度约为30-40℃，大部分装置的燃料气未经预热直接进入燃烧器。目前国内同类装置燃料气经预热后进炉温度先进值能达到200℃[2]，有效地降低了加热炉燃料气用量。

1.3加热炉过剩氧含量偏高

部分燃料气主要用户的加热炉过剩氧含量在1.9-2.9％。过剩氧含量偏大，入炉空气过多，炉膛温度下降，导致过剩的空气被加热为热烟气排出，降低炉管吸热量，从而降低了炉效率，同时，过量的空气也容易造成炉管氧化剥皮。

表1加热炉过剩氧含量

1.4烟气余热回收系统局限性

由表2可知，全厂主要工艺加热炉排烟温度在114.6-142.1℃之间，相比目前国内同类炼厂先进装置排烟温度80℃[2]有一定差距。

表2加热炉排烟温度

传统余热回收系统因烟气露点腐蚀，低温段烟气管道材质等因素导致排烟温度受限，从而导致加热炉热效率无法进一步提升。三大因素影响烟气露点腐蚀：1.烟气露点，2.排烟温度，3.冷端金属壁温。发生露点腐蚀后，可能使空气泄漏进入烟气中，增加排烟损失，降低加热炉效率，并导致引风机电耗增加；设备表面积灰，排烟温度升高，降低加热炉效率；腐蚀严重时可能会导致停工维修，造成更大的经济损失[3]。因此控制排烟温度不低于烟气露点温度对于加热炉长周期运行尤为重要，排烟温度成为加热炉提效的瓶颈。

影响排烟温度的因素主要有以下几点：烟气露点腐蚀温度；烟气低温段管道材质防腐能力；加热炉过剩氧含量；受热面出现积灰与结焦等现象，导致传热效率变差；空预器老化漏风；加热炉对流段密封挡板关闭不严，造成烟气冷回流等[4]。

1.5 部分加热炉外壁温度偏高

由表3可知，部分装置加热炉由于投用时间长，加热炉内壁衬里可能出现开裂、脱落与老化等现象，导致加热炉外壁局部超温过热，同时防爆门、看火窗等部分因结构密封原因也出现超温现象，散热损失增加，加热炉效率降低。平均外壁温度较高的超过60℃，局部最高外壁温度为79℃

表3部分加热炉平均外壁温度

2加热炉新型节能技术

2.1 新型节能涂料

加热炉隔热保温涂料：该涂料是一种以减少涂层内部热传导为主要目的的涂料，它是依据热量在空气中的传导速率远小于固体材料中的传导速率的原理，通过将密度小、气孔率高、导热系数低的功能填料多孔道陶瓷微粒掺加入涂层体系中，从而降低涂层的导热系数，达到隔热保温的目的的涂料。微粒内部为空腔，粒径细微且中空，因此有以下作用：（1）增加涂料层孔隙率，减少固体传导；（2）空隙为封闭结构，可限制对流传热；（3）微粒内部为真空，可进一步限制对流传热和和传导传热；（4）微粒内部形成大量反射、辐射面，减少辐射传热。加热炉外表面隔热保温涂料具有保温效果好，质轻、层薄，施工简单，耐酸碱性强与使用寿命长等优点

[5]。

加热炉红外辐射涂料：该涂料是一种广泛应用于加热炉的新型节能材料，可以直接喷涂于各高温工业炉的耐火材料表面，经烧结成膜后，形成一层坚硬的陶瓷釉面硬壳涂层，具有辐射率高（可达0.93以上）、导热系数小、气密性好、耐火度高、抗腐蚀性强且易于施工的优点，可使燃料燃烧更加充分，增强炉内辐射传热，且起到保护炉体，延长保温材料寿命的作用[6]。

2.2CO分析控制技术

目前，加热炉普遍采用基于氧气O2的燃烧控制技术。该技术核心是利用氧化锆在辐射室顶部进行定点测量烟气中的氧含量，氧含量数据反馈给计算机进而调节加热炉燃料气的消耗量，实现炉膛温度、炉出口温度控制合理范围内。但O2含量检测技术存在以下不足：（1）无法充分反映每个燃烧器的燃烧情况；（2）在反应速度相对缓慢的情况下，控制策略的调整也将放慢[7]；（3）氧化锆测量的O2含量会因操作的波动而提高（如燃烧速率改变、燃料的组成、压力与流量波动），加热炉也将处于高氧气含量水平；（4）炉体空气泄漏将会显示错误信号，导致供风量不足，出现烟囱冒黑烟现象[8]。

CO分析控制技术，即对烟气中CO含量进行在线测量，并通过对CO含量的控制来直接控制燃烧效果，实现燃料和空气的最佳配比，可降低烟气中的氧含量，提高加热炉的热效率，节约燃料，减少污染物的排放。

CO在线分析监测仪为采用NDIR（不分光红外）技术的多组份分析仪，分析仪主要由信号源、接收器和控制器组成，分析精度可达ppm级别。信号源和接收器安装在烟气风机入口处。信号源发射的激光光束与烟气流量垂直，接收器接收来自信号源发射的激光光束，并将光信号转化为电信号传输至信号控制器，控制器将信号转化为一个4-20mA的CO含量信号传输至DCS系统[8]。DCS系统根据CO含量的控制值与实际测量值输出一个信号给鼓风机变频器，以达到控制鼓风机变频开度的目的。

图1CO在线分析仪硬件组成示意图

控制逻辑：当CO含量高于控制值时，鼓风机变频开度增加，反之，当CO含量低于控制值时，鼓风机变频开度降低[8]。一般情况下，加热炉内氧含量预计可以被控制在1%，加热炉效率预计可提高1%。

2.395+高效超净加热炉节能技术

国内某炼油厂150万t/a连续催化重整装置2020年已成功改造余热回收系统，新型余热回收系统采用上海浩用工业炉有限公司开发的95+高效超净加热炉节能技术[9]，改造后重整加热炉效率由91％提高至95％，年节约费用1303万元，基本达到SO2零排放，CO2排放量降低，NOx排放量显著降低[2]。

该技术核心：（1）复合阻蚀剂反应器：深度净化预热的燃料气，降低硫化物、氨气、氮化物，从源头减少SO2、NOx等污染物的生成，反应器型号为V-001/V-002A；（2）低温空气预热器：通过空气与烟气换热，将烟气温度降低至80℃以下，加热炉效率提高至95％[2]，该预热器选用耐腐蚀性材质，型号为LAP-ⅡC-001，由上海浩用工业路有限公司制造；（3）引风机置于低温空气预热器前，解决引风机腐蚀与结垢的风险；（4）燃料气经过两级预热，加热至200℃后进燃烧器，进一步降低燃料气能耗[2]。

提高燃料气进炉温度不仅可以减少燃料气用量，降低加热炉能耗，也可减缓因燃料气温度波动，导致燃料气中NH3、HCl和H2S等杂质反应生成的铵盐在低温或死角处析出堵塞管道、长明枪和阻火器等部位[11]。

由图2可知，重整加热炉烟气由对流段抽出，经引风机进入低温空气预热器，换热后烟气温度降低至约80℃；来自分液罐的燃料气经冷凝水换热器和高温燃料气预热器换热至200℃后进入复合阻蚀剂反应器，高温燃料气预热器热源为预加氢炉烟气；原有的普通低氮氧化物燃烧器更换为双预热低氮氧化物燃烧器[2]。

图2装置优化改造后余热回收系统流程图

由表4可知，改造后加热炉排烟温度与烟气氧含量均降低，平均热效率提高4.2％[2]。

表4改造前后热效率对比

3加热炉提效改造探讨

综上，根据被调研石化公司加热炉实际运行情况，结合目前国内同类装置的改造经验，建议加热炉提效改造分成三个阶段：

第一阶段：先进行工程量相对较小、较快实现节能增效的改造，如部分装置增加燃料气预热流程，提高燃料气进炉温度，降低燃料气用量。1#常压、2#常压、3#重整与加裂装置增加燃料气预热流程后，预计可节省燃料气59.7kg/h，节约标油547.6tEO/a，经济效益116.5万元/年，投资费用172.5万元；针对S-Zorb装置、1#航煤加氢装置加热炉外表面喷涂新型隔热保温涂料，降低加热炉外壁温度，减少散热损失，提高加热炉效率，预计可节省燃料气28.5kg/h，节约标油261.4tEO/a，经济效益55.6万元/年，预估投资费用156万元。

第二阶段：再对负荷较大的加热炉增设CO在线分析仪，降低加热炉过剩氧含量，提高加热炉效率，降低燃料气用量。1#常减压装置常压炉与2#常减压装置常压炉增上CO在线分析仪后，预计可节省燃料气76.65kg/h，节约标油703.1tEO/a，经济效益149.6万元/年，投资费用340.8万元。

第三阶段：根据加热炉运行实际情况，结合现场平面布置，评估95+高效超净加热炉节能技术方案的可行性和技术经济性，择机实施优化改造。3#连续重整装置四合一炉进行95+高效超净加热炉节能技术改造后，预计加热炉效率提高至95％，节省燃料气266.8kg/h，节约标油2447tEO/a，经济效益520.6万元/年。

加热炉提效改造不仅是重要的碳减排措施，CO2与NOx等温室气体排放量显著降低，积极响应国家、所属省市及所在集团公司的碳排放管理与环保规定，还带来较大的社会效益与环保效益，是建设绿色低碳城市型炼化企业的有效措施。

参考文献：

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[2]牛继光，金宏伟，刘荣博.95+高效超净加热炉节能技术[J].石化技术与应用，2020：178-181.

[3]于桂敏.烟气露点腐蚀影响因素及防护措施分析[J].新技术应用与实践，2018：157-159.

[4]李金，任栋.常减压装置加热炉节能改造[J].中国学术期刊电子出版社，2020：176-179.

[5]陈浩，陈晓姣.节能保温涂料在加热炉上的应用[J].辽宁化工，2017:729-730.

[6]高春旭，王涛，黄家铭.浅谈节能涂料在工业加热炉节能技术上的应用[J].应用能源技术，2012:21-22.

[7]张立华，谭徳宽，王兵.加热炉基于CO控制的燃烧优化技术的应用[J].石油化工安全环保技术，2013:1-4.

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[10]马雷，张明会.一种管式加热炉深度节能工艺[P].中国，CN104964304A，2015.

[11]管生洲，邓瑞珍.连续重整装置燃料气系统结盐堵塞原因及对策[J].炼油技术与工程，2020:10-12.