加热炉余热回收系统分析
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摘 要：炼油厂加热炉余热回收系统，主要依据加热炉的热负荷进行设计。加热炉运行过程中，实际负荷往往偏离设计值、操作参数不稳定、仪表测量误差，加之余热回收系统中某些设备出现问题等等原因造成余热回收系统出现排烟温度偏离设计值情况。本文针对空气预热系统的改造方案、应用效果进行了研究，对存在的不足和问题进行了剖析。
关键词：加热炉；余热回收；热效率
某炼化公司常减压装置通过采用高温段新增扰流子空气预热器与低温段新增的分离式热管空气预热器的组合技术进行加热炉改造，很好地解决了加热炉排烟温度高的问题。改造后常减压加热炉的热效率在92%以上，达到了工业示范炉的标准。
1 余热回收系统改造技术方案
空气预热器是广泛应用于石油化工行业的加热炉节能设备，其形式主要有管式空气预热器、扰流子空气预热器、热管式空气预热器、扰流子空气预热器和热管式空气预热器串联组成的复合式空气预热系统。
管式空气预热器：我国70年代使用的空气预热器多数为固定光管式空气预热器，其传热系数K仅达14W/―28W/（m2・K）左右，且设备体积及重量均较大，目前已很少采用。
扰流子空气预热器：扰流子空气预热器是在普通管式空气预热器的基础上加以改进发展的新型空气预热器。扰流子是构造较为简单的一种管内插入物，纽带或麻花铁作为管内插入物而强化管内侧的传热。由于在换热管内增设了扰流片，增加了管内流体扰动，提高了管内换热系数，其传热系数K比普通管式预热器大1/3-1/2。
热管式空气预热器：热管式空气预热器是一种新型高效传热设备，利用了沸腾吸热和凝结放热这两项当今世界上最强的传热技术，其传热系数为管式预热器的2-4倍，设备紧凑、重量轻、可单管拆换，也较耐露点腐蚀。
复合式空气预热系统：扰流子空气预热器和热管式空气预热器普遍存在的问题是：当排烟温度较低时，位于烟气通道出口处的传热管管壁温度很容易低于烟气的露点温度，从而造成严重的低温露点腐蚀。虽然热管式空气预热器是一种高效的传热设备，但目前我国大部分热管均为钢-水热管，使用水作工质，由于饱和蒸汽压较大，烟气温度超过300℃时，容易爆管。扰流子空气预热器和热管式空气预热器串联组成的复合式空气预热系统，即高温烟气段采用扰流子空气预热器、低温段采用热管式空气预热器，扬长避短，解决了空气预热器的低温腐蚀和高温爆管问题，能延长空气预热器的使用寿命。
基于以上原因，海南炼化常减压装置对加热炉余热回收系统的改造采用了复合式空气预热技术。
2 改造方案及改造后运行效果
2.1改造方案
本次空气预热器的改造设计以长期最大（燃气）工况为基准，并核算“短期（燃油：燃气=1：1）”的工况。按长期最大工况计算。在原热管式空气预热器前面增加一台扰流子管式空气预热器，将烟气由370℃降低到310℃，空气温度由257℃升高到327℃；接着对现有空气预热器进行改造，壳体利旧，更换内部热管元件，将烟气由310℃降低到221℃，空气温度由152℃升高到257℃；最后在原热管式空气预热器后面增加一台分离式热管空气预热器，将烟气由221℃降低到120℃，空气温度由33℃升高到152℃。
2.1.1高温段空气预热器改造方案。烟气首先进入高温段新增扰流子空气预热器预热后进入原整体式热管空气预热器换热，再由引风机引至低温段新增的分离式热管空气预热器烟气侧再次换热，之后去烟囱冷风区排放。高温段预热器为原有的热管空气预热器，考虑原有钢-水热管的寿命问题，将一部份钢-水热管更换成高温热管（长期最大工况下，烟气计算温度300℃以上的钢-水热管更换成高温热管）。原余热回收系统中的空气预热器（做为高温段预热器）、烟气引风机、空气鼓风机、烟囱及各烟、风道按原有不变。
2.1.2低温段空气预热器改造方案。因长期最大（燃气）工况烟气温度降至110℃-130℃（按130℃考虑），所以增加低温段空气预热器。低温段空气预热器设计为分体式空气预热器，其烟气段设置在原烟气引风机与烟囱之间的烟道下方，同时将原烟道支撑向两边移位，空出足够的空间。因低温段空气预热器在引风机下游，可以避免风机叶轮结露和低温腐蚀。
低温段空气预热器烟气段进出口分别与原烟道相接，并在烟气段进口处及烟气段出口前段各设置一台烟道挡板。当在“长期最大（燃气）”工况下工作时，将烟气段出口前段的烟道挡板（烟道挡板1）关闭，同时将烟气段进口处的烟道挡板（烟道挡板2）打开，则烟气通过低温段空气预热器降温至130℃左右。当在“短期（燃油：燃气=1：1）”工况下工作时，将烟气段出口前段的烟道挡板（烟道挡板1）打开，同时将烟气段进口处的烟道挡板（烟道挡板2）并闭，则烟气不再通过低温段空气预热器，系统排烟温度为160℃左右。
系统排烟温度在160℃左右的操作条件下，低温段空气预热器烟气段能方便整段更换。低温段空气预热器空气段设置在原空气预热器进口处，并将原空气预热器进口过渡段拆除，重新制作空气鼓风机出口到低温段空气预热器空气段的风道和低温段空气预热器空气段与原空气预热器进口的连接风道。
2.2改造后的长期燃气和短期燃油燃气（1：1）混烧工况操作
长期燃气工况下挡板2关闭，挡板1、3、4开启。当排烟温度低于120℃时，密封调节挡板5开启，旁通掉部分空气，确保排烟温度维持在120℃左右。短期燃油燃气（1：1）混烧工况下挡板3、4关闭，挡板1、2开启。当排烟温度低于160℃时，密封调节挡板5开启，旁通掉部分空气，确保排烟温度维持在160℃左右。其余操作同为：烟气自烟囱热风区，经过高温段新增扰流子空气预热器后进入原整体式热管空气预热器换热，再由引风机引至低温段新增的分离式热管空气预热器烟气侧再次换热后去烟囱冷风区排放。空气由鼓风机送至低温段新增的分离式热管空气预热器空气侧，再经原整体式热管空气预热器和高温段新增扰流子空气预热器换热，再与直接经空气旁路旁通至高温段扰流子空气出口风道的冷空气（此量视实际的排烟温度而定）混合后至加热炉助燃。
2.3经济效益及投资回收期估算
通过对常减压加热炉余热回收系统的改造，加热炉排烟温度由175℃降低到126℃，加热炉热效率由90.5%提高到92.5%以上，降低能耗约0.4kgEO/t，节省标准燃料油约3400t。
海南炼化常减压装置预计2010年加工原油800万t，本次余热回收系统改造固定资产投资400万，标准燃料油按3175元/t计算。年节省标准燃料油（t）=800×10000×0.43/1000=3440t；每年收益=3440×3175/10000=1092万元；每年投资回报率=（1092-400）/400×100%=173%；
投资回收期小于4个月。
3 存在的问题及对策
3.1改造后存在的问题
常减压炉烟气预热系统改造后，达到了既定的工艺目标，但操作中发现通风机、出口风道和外壳都有强烈振动，先后三次使风机出口管道震裂。经过与设计院人员的沟通，逐步排除，最终检查发现风机、出口风道和外壳的强烈振动是由于控制风量的入口蝶阀导叶旋转方向装反所引起的。改造后工艺数据与设计数据对比发现，由于分离式空气预热器运行数据与设计数据相差较大，分析后得出，可能存在分离式空气预热器热管缓慢泄漏，导致换热效果降低。
3.2振动消除方法
经过反复核实并经过设计院的确认，一致认为风机的入口蝶阀导叶安装错误是造成风机外壳和风道振动的根本原因。通过更换入口蝶阀改变导叶的方向，使导叶在调节风量时的旋转方向与叶轮的旋转方向相同，重新起动风机后，风机外壳和风道的振动及噪音大幅度降低。
结论
烟气性质与燃料组成和过剩空气量有关。相同助燃空气温度下使用同种燃料的两股烟气的混合需分别考虑各自的过剩空气系数下的烟气焓值，计算得出的混合烟气温度。对现有操作数据进行核算时也需注意数据之间的关系，应用不同的角度对数据进行分析处理，从而可以抛开明显偏离的个别数据，得到正确的结论。■
参考文献
[1] 钱家麟. 管式加热炉[M].2版. 中国石化出版社，2002.
[2] 徐彬. 管式加热炉安全运行与管理. 中国石化出版社，2009.
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