杜海勝，陳勝利

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

加熱爐燃料消耗是石油化工廠的能耗大戶，消耗量占整個(gè)生產(chǎn)裝置總能耗的比例為：常減壓蒸餾裝置一般為 82%～92%，焦化裝置約為 90%，連續(xù)重整裝置約為 82%，柴油加氫裝置約為30%[1]。加熱爐在裝置運(yùn)行時(shí)能量利用率的高低直接影響著化工產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)狀態(tài)和盈利狀況[2]。在當(dāng)前國(guó)家實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”背景下，如何提高加熱爐熱效率，控制能源消耗總量和單位產(chǎn)品能源消耗，已成為石油化工行業(yè)的重要議題[3]。煤直接液化項(xiàng)目為世界首套商業(yè)化運(yùn)行的百萬(wàn)噸級(jí)示范工程，于2008年12月30日建成投產(chǎn)，裝置反應(yīng)進(jìn)料煤漿加熱爐消耗燃料氣占煤直接液化裝置總能耗的90%以上。加熱爐配套余熱回收系統(tǒng)與加熱爐同步配套建設(shè)，用于加熱各等級(jí)蒸汽和加熱爐用空氣，原設(shè)計(jì)加熱爐煙氣最終排放溫度為150 ℃，而目前實(shí)際運(yùn)行溫度接近220 ℃，高于設(shè)計(jì)值近70 ℃，造成了熱量浪費(fèi)，針對(duì)此問(wèn)題，本文通過(guò)系統(tǒng)核算剖析、空氣預(yù)熱器應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀對(duì)比、升級(jí)路線設(shè)計(jì)以及效益評(píng)估等方面展開(kāi)研究，提高加熱爐熱效率。

1 系統(tǒng)核算剖析

1.1 煤漿加熱爐運(yùn)行核算

煤直接液化裝置煤漿加熱爐由三臺(tái)四管程雙面輻射箱式爐并聯(lián)組成，臥式爐管，流程示意圖如圖1所示。所用燃料為經(jīng)過(guò)脫硫處理后的煤液化裝置凈化干氣，組成見(jiàn)表1。

從燃料氣組成體積分?jǐn)?shù)來(lái)看，氫氣占1/2以上，甲烷約占1/4，剩余主要為乙烷組分，硫含量為5.75 mg/m3，較為清潔。

表1 燃料氣組成 %

圖1 煤漿加熱爐流程示意圖

煤漿加熱爐設(shè)計(jì)燃料放熱量為114.081 MW，煙氣量44.195 kg/s。煤液化加熱爐滿負(fù)荷運(yùn)行期間，燃燒氣使用量為14 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))[4]。燃料氣低位發(fā)熱量計(jì)算公式：

Q1=∑XiQ1i

(1)

式中：Q1為燃料氣低熱值，kJ/m3(標(biāo)準(zhǔn))；Q1i為單一氣體的低熱值，kJ/m3(標(biāo)準(zhǔn))。通過(guò)式(1)計(jì)算得出該加熱爐實(shí)際運(yùn)行放熱量為11.443 MW。

在有元素分析數(shù)據(jù)的情況下，按可燃元素燃燒反應(yīng)的化學(xué)平衡式和空氣的質(zhì)量百分組成，根據(jù)公式V0=∑XiV0i計(jì)算出理論空氣量。為了保證完全燃燒，必須有足夠的過(guò)剩氧，即必須有足夠的過(guò)剩空氣，實(shí)際空氣量V=aV0,該計(jì)算取過(guò)?？諝庀禂?shù)α為1.2，計(jì)算得出實(shí)際空氣量為V=aV0=1.2×95 438.238=114 525.886 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)),依據(jù)公式L=1.293V(273/(t+273))換算為標(biāo)準(zhǔn)工況下實(shí)際質(zhì)量空氣量L=1.293×114 525.886×(273/(0+273))=148 081.971 kg/h=41.134 kg/s。

煙氣量包括燃料本身質(zhì)量、實(shí)際空氣量。Gg=L+W=41.134+2.311=43.444 kg/s。

通過(guò)以上計(jì)算值與設(shè)計(jì)值比較，加熱爐在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)煙氣量基本達(dá)到加熱爐設(shè)計(jì)負(fù)荷要求。

1.2 余熱回收系統(tǒng)核算

煤直接液化裝置為了充分利用煙氣余熱，降低裝置能耗，裝置內(nèi)的3臺(tái)油煤漿進(jìn)料加熱爐排出的高溫?zé)煔饧性O(shè)置了一臺(tái)煙道式余熱鍋爐回收熱量，余熱鍋爐入口煙氣溫度693 ℃，出口煙氣溫度為353.3 ℃，排煙至尾部的空氣預(yù)熱器，煙氣量為129 016.9m3/h(標(biāo)準(zhǔn))，熱負(fù)荷為18 093.5 kW(6 513.7×104kJ/h )。

余熱鍋爐設(shè)有高壓蒸汽發(fā)生器，汽包位于18 m框架平臺(tái)上，內(nèi)部設(shè)有水下孔板和均汽孔板，采用自然循環(huán)方式，由3根下降管及3根上升管組成。汽包進(jìn)水為高壓除氧水，生產(chǎn)3.5 MPa高壓飽和蒸汽然后過(guò)熱到420 ℃送往管網(wǎng)，為了防止過(guò)熱蒸汽超溫，在飽和蒸汽過(guò)熱前設(shè)置了除氧水噴水減溫器。余熱鍋爐同時(shí)還分別過(guò)熱裝置內(nèi)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的1.1 MPa中壓飽和蒸汽和0.45 MPa低壓飽和蒸汽。與蒸汽換熱后的低溫?zé)煔庠倥c加熱爐用空氣進(jìn)行換熱，提高加熱爐用空氣溫度。該空氣預(yù)熱器殼體內(nèi)部為管殼和內(nèi)部工作液體(工質(zhì))組成。余熱回收系統(tǒng)圖如圖2所示，余熱回收系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值對(duì)比見(jiàn)表2。

從表2中可以看出,加熱爐高負(fù)荷期間實(shí)際運(yùn)行期間煙氣量與設(shè)計(jì)量基本相當(dāng)，煙氣換熱量越大，煙氣溫差就越大；將①-⑥看作煙氣與蒸汽換熱的整體，該余熱回收系統(tǒng)在實(shí)際煙氣量與設(shè)計(jì)值相當(dāng)?shù)那闆r下，煙氣入余熱回收系統(tǒng)入口實(shí)際溫度比設(shè)計(jì)值高31.7 ℃，空氣出空氣預(yù)熱器實(shí)際溫度比設(shè)計(jì)值低40 ℃，相當(dāng)于煙氣溫差比設(shè)計(jì)值低了60 ℃，說(shuō)明煙氣與蒸汽換熱量比原設(shè)計(jì)要低，這主要是由于實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)值以及上游工藝裝置系統(tǒng)改造后引起蒸汽量發(fā)生變化所導(dǎo)致；從空氣預(yù)熱器段⑥-⑦出入口來(lái)看，空氣預(yù)熱器煙氣給空氣加熱，煙氣側(cè)設(shè)計(jì)溫差為203.3 ℃，而實(shí)際溫差為168 ℃，溫差降低35.3 ℃。空氣側(cè)設(shè)計(jì)溫差為240 ℃，實(shí)際為180 ℃，溫差降低60 ℃。說(shuō)明空氣預(yù)熱器換熱能力較原設(shè)計(jì)偏低。

1.3 空氣預(yù)熱器換熱效率分析

根據(jù)現(xiàn)運(yùn)行的空氣預(yù)熱器內(nèi)部檢修情況，結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)研究報(bào)道，空氣預(yù)熱器換熱能力下降的原因主要為以下幾個(gè)方面：

(1)部分熱管出現(xiàn)了爆管現(xiàn)象。據(jù)文獻(xiàn)[5]研究，熱管式空氣預(yù)熱器適用于溫度低于350 ℃的工況，而該空氣預(yù)熱器在高負(fù)荷時(shí)入口煙氣溫度近400 ℃，造成管內(nèi)的壓力劇增，部分熱管爆管失效。

(2)熱管出現(xiàn)了嚴(yán)重積灰現(xiàn)象。煙氣中的微小顆粒雜質(zhì)、燃料氣中的硫燃燒后生成的二氧化硫及三氧化硫、腐蝕產(chǎn)物和水蒸氣混合冷卻形成黏結(jié)性的不易清除的污垢，使得熱管傳熱效率下降，造成熱管的余熱回收能力下降[6]。

(3)根據(jù)羅桂梅等分析，該類熱管式換熱器換熱面積偏小，列管有一半的管壁為背風(fēng)面，使得其有效的換熱面積僅為一半左右[7]。

圖2 余熱回收系統(tǒng)示意圖

表2 余熱回收系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值對(duì)比

2 提升余熱回收系統(tǒng)能效方案研究

針對(duì)上一節(jié)對(duì)排煙溫度高的原因分析，余熱回收系統(tǒng)中煙氣與蒸汽換熱部分由于受上游工藝裝置改造所限，在蒸汽指標(biāo)滿足要求的情況下難以再次進(jìn)行改造，故在此本文將針對(duì)提高煙低溫?zé)煔馀c空氣換熱量來(lái)開(kāi)展研究，進(jìn)而提高加熱爐熱負(fù)荷，降低加熱爐燃料氣消耗量。

據(jù)楊偉新研究報(bào)道，加熱爐煙氣熱損失通常占爐子總供熱量的1/3～1/2。因此，回收利用煙氣余熱，是降低爐子燃料消耗最為有效的手段[8]，預(yù)熱器每回收一大卡的物理熱，則可等效于2大卡的化學(xué)熱。燃料的發(fā)熱值越低，排煙溫度越高時(shí)，其所等效的值越大，但當(dāng)預(yù)熱溫度接近于煙氣溫度時(shí)，預(yù)熱器的平均溫差和傳熱系數(shù)下降，但預(yù)熱器面積和投資激增。因此，在對(duì)現(xiàn)有裝置改造時(shí)，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)空間位置，選取換熱效率高的空氣預(yù)熱器尤為關(guān)鍵。據(jù)文獻(xiàn)檢索報(bào)道，目前低溫段煙氣與空氣換熱的技術(shù)主要有高效不銹鋼板式空氣預(yù)熱器、高溫段不銹鋼+中溫碳鋼+低溫玻璃板以及熱媒換熱技術(shù)等。

2.1 高效不銹鋼板式空氣預(yù)熱器

板式空氣預(yù)熱器應(yīng)用波紋補(bǔ)償器防止高溫變形，低溫側(cè)管道特殊設(shè)計(jì)防止低溫腐蝕等技術(shù)，傳熱效率比熱管式提高近1倍，在實(shí)際生產(chǎn)中具有良好的效果。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況分別設(shè)計(jì)了不銹鋼高溫和低溫?fù)Q熱段。使用不銹鋼材質(zhì)，具有很好的抗氧化性、耐腐蝕性，使用溫度可達(dá)700 ℃，甚至更高。傳熱板片之間采用全焊接方式連接，且制成品出廠前均須驗(yàn)證密封性，避免人工焊接時(shí)焊縫不均勻?qū)е碌男孤妒?；可根?jù)煙氣溫降，逐級(jí)分段安裝，結(jié)構(gòu)更加緊湊，傳熱效率更高,使用壽命更長(zhǎng)。各換熱段均以模塊化形式組裝，提高空氣預(yù)熱器安裝效率，維護(hù)簡(jiǎn)便，維修成本低[9]。板式換熱器工作原理圖如圖3所示。

圖3 板式換熱器工作原理圖

2.2 高溫段不銹鋼+中溫碳鋼+低溫玻璃板空氣預(yù)熱器

該預(yù)熱器充分考慮煙氣在流通換熱過(guò)程中溫度變化而設(shè)置，在高溫段為提高性能，采取了不銹鋼，在中溫段為降低投資，采取了碳鋼材質(zhì)，低溫段充分為了將煙氣排放溫度降低后而不發(fā)生露點(diǎn)腐蝕，采取不發(fā)生腐蝕的玻璃材質(zhì)。據(jù)報(bào)道，該技術(shù)使用業(yè)績(jī)達(dá)40家，設(shè)備抗酸性腐蝕強(qiáng)，維修及配件更換成本低；組合板式空氣預(yù)熱器高溫段及低溫段換熱模塊均采用較大板間距的平板式換熱器組成，低溫段支持水沖洗及化學(xué)清洗，可以有效地減緩預(yù)熱器積灰堵塞情況的發(fā)生；玻璃板式換熱器與管束式換熱器相比(包括玻璃管束)，單位體積能提供的傳熱面積要大1.7～5.5倍。結(jié)構(gòu)緊湊度高，占地面積僅為熱管式/光管式的1/2左右，緊湊性高于玻璃管式30%。單位體積能提供的傳熱面積大；結(jié)構(gòu)緊湊度高，占地面積小[10]。

玻璃板式管式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

2.3 熱媒換熱技術(shù)

熱媒換熱技術(shù)分為無(wú)機(jī)傳熱技術(shù)和水熱媒技術(shù)兩種不同工藝方式。在無(wú)機(jī)傳熱工藝中，把無(wú)機(jī)元素加入加熱爐，利用金屬設(shè)備的導(dǎo)熱能力，充分發(fā)揮無(wú)機(jī)元素的無(wú)機(jī)傳熱性質(zhì)，能夠有效回收加熱爐中的余熱。水熱媒工藝是利用除鹽水和除氧水等物質(zhì)在加熱爐內(nèi)形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)是封閉式的，主要加強(qiáng)對(duì)加熱爐中煙氣的吸收，從而將煙氣的熱量充分吸取，提升空氣的燃燒效率。該工藝比較簡(jiǎn)單，有十分方便的操作裝置，對(duì)加熱爐余熱進(jìn)行吸收。水熱媒裝置可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況將煙氣換熱器和空氣預(yù)熱器分開(kāi)布置,煙氣和空氣的流向也可靈活布置，排煙溫度和熱風(fēng)溫度可以靈活控制，調(diào)整煙氣換熱器的熱媒水的進(jìn)口溫度高于露點(diǎn)溫度，就可避免露點(diǎn)腐蝕的發(fā)生，因此排煙溫度可以比同樣材質(zhì)的管式空氣預(yù)熱器低15 ℃左右，從而可以大幅度提高加熱爐效率[11]。典型的水熱媒技術(shù)原理圖如圖5所示。

圖4 玻璃板式管式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 典型的水熱媒技術(shù)原理圖

綜上分析，三種換熱器中，高溫段不銹鋼+中溫碳鋼+低溫玻璃板空氣預(yù)熱器，排煙溫度降低的幅度也比板式空氣預(yù)熱器和熱媒技術(shù)的要大，換熱效率最高。從投資成本上看，板式不銹鋼換熱器造價(jià)較高。從露點(diǎn)腐蝕考慮來(lái)看，熱媒換熱器難以避免露點(diǎn)腐蝕，需要將排煙溫度控制在露點(diǎn)腐蝕溫度以上，同時(shí)，熱媒換熱需要通過(guò)加熱工質(zhì)熱媒間接為空氣加熱，熱效率相對(duì)要低。結(jié)合裝置生產(chǎn)實(shí)際需求和現(xiàn)場(chǎng)位置，本文中加熱爐空氣預(yù)熱器擬選取高溫段不銹鋼+中溫碳鋼+低溫玻璃板空氣預(yù)熱器進(jìn)行改造。

3 空氣預(yù)熱器升級(jí)核算及效益評(píng)估

3.1 熱負(fù)荷回收核算

根據(jù)目前煤漿加熱爐空氣預(yù)熱器煙氣量為126 562.6 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))，入口溫度385 ℃，擬采取高溫段不銹鋼+中溫碳鋼+低溫玻璃板空氣預(yù)熱器工藝技術(shù)，預(yù)熱器構(gòu)造及材質(zhì)采?。焊邷囟尾馁|(zhì)304，板厚1.0 mm，中溫段材質(zhì)Q235B，板厚1.2 mm，低溫段材質(zhì)特種耐熱玻璃，板厚3 mm，改造費(fèi)用近800萬(wàn)元。依據(jù)文獻(xiàn)[12]中燃料氣總硫含量與煙氣露點(diǎn)溫度對(duì)照表見(jiàn)表3，燃料氣中硫含量為5.75 mg/m3，查詢的該煙氣露點(diǎn)腐蝕溫度約為95 ℃。為避免計(jì)算理論帶來(lái)的偏差，該預(yù)熱器排煙溫度按照120 ℃(冬天約105 ℃)設(shè)計(jì)。

表3 燃料氣中總硫含量與煙氣露點(diǎn)溫度對(duì)照表

按照熱效率90%計(jì)算，預(yù)熱器改造后，預(yù)熱器熱負(fù)荷將達(dá)到11.76 MW，比現(xiàn)有預(yù)熱器熱負(fù)荷將提升2.62 MW，提升率達(dá)28.7%，加熱爐總熱效率提高2.3%。煙氣壓降約為1 800 Pa，增加300 Pa，在現(xiàn)有引風(fēng)機(jī)壓力負(fù)荷范圍內(nèi)，空氣出口溫度將達(dá)到300 ℃。

3.2 效益評(píng)估

空氣預(yù)熱器升級(jí)改造后，天然氣低位熱值按照35.88 MJ/m3計(jì)，年節(jié)約天然氣量為2.62×3 600/35.88×7 440=195.6萬(wàn)m3，每立天然氣按照1.7元計(jì)算，年節(jié)約燃料氣費(fèi)用為332萬(wàn)元。通過(guò)此改造后，折合煙氣排放量降低約3 391 kg/h，環(huán)保效益非常可觀，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益雙豐收。

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)對(duì)煤漿加熱爐、余熱回收系統(tǒng)核算剖析以及對(duì)余熱回收提升方案進(jìn)行研究，得出如下主要結(jié)論：

(1)煤漿加熱爐在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)煙氣量基本達(dá)到加熱爐設(shè)計(jì)負(fù)荷要求。

(2)空氣預(yù)熱器入口溫度偏高是由實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)值以及上游工藝裝置系統(tǒng)改造后引起蒸汽量發(fā)生變化所導(dǎo)致，此部分受上游系統(tǒng)運(yùn)行所限，暫無(wú)法改造提升。

(3)空氣預(yù)熱器內(nèi)部熱管換熱能力較原設(shè)計(jì)下降，主要是由于部分熱管出現(xiàn)了爆管、積灰，同時(shí)列管有一半的管壁為背風(fēng)面，使得其有效的換熱面積僅為一半左右。

(4)高溫段不銹鋼+中溫碳鋼+低溫玻璃板空氣預(yù)熱器換熱效率最高，投資低，排煙溫度露點(diǎn)腐蝕要求低。

(5)煤漿加熱爐空氣預(yù)熱器升級(jí)后，該預(yù)熱器排煙溫度降低至120 ℃，比現(xiàn)有預(yù)熱器熱負(fù)荷將提升2.62 MW，提升率達(dá)28.7%，加熱爐總熱效率提高2.3%。

(6)據(jù)測(cè)算，通過(guò)本研究?jī)?yōu)化后，煤漿加熱爐年節(jié)約天然氣量為2.62×3 600/35.88×7 440=195.6萬(wàn)m3(標(biāo)準(zhǔn))，年節(jié)約燃料氣費(fèi)用為332萬(wàn)元，煙氣排放量大約降低約3 391 kg/h，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益十分可觀。