加熱爐煙氣余熱回收技術(shù)分析

加熱爐煙氣余熱回收技術(shù)分析

作為主要的能源消耗設(shè)備，加熱爐燃料消耗約40%。加熱爐裝置是否節(jié)能高效，直接影響著整個(gè)公司的運(yùn)營和利益。常見裝置加熱爐燃料消耗占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%。因此,提高加熱爐熱效率,減少加熱爐燃料耗量,對(duì)于落實(shí)“節(jié)能減排”政策、提高煉油企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和能效水平都有重要意義。1空氣預(yù)熱器及管口感染結(jié)構(gòu)熱效率是衡量加熱爐先進(jìn)性的一個(gè)重要指標(biāo),加熱爐熱效率關(guān)系著煉油裝置能耗的高低,提高加熱爐熱效率即意味著節(jié)約燃料、降低裝置能耗。提高加熱爐熱效率的措施主要有降低排煙溫度、降低過?？諝庀禂?shù)、減少不完全燃燒熱損失、減少散熱損失等?；厥諢煔庵械挠酂?、降低排煙溫度是提高加熱爐熱效率、減少加熱爐燃料耗量最重要的技術(shù)措施。加熱爐煙氣余熱回收方法主要有兩種,一種是通過預(yù)熱燃燒用空氣的方式來回收;另一種是采用余熱鍋爐的方式來回收。目前,加熱爐余熱回收系統(tǒng)多采用空氣預(yù)熱回收方式。通常,只有高溫管式爐(如乙烯裂解爐、烴蒸汽轉(zhuǎn)化爐)和純輻射爐才使用余熱鍋爐,這些加熱爐排煙溫度高,僅靠預(yù)熱燃料氣或空氣不能將排煙溫度降下來。常用的空氣預(yù)熱器主要有熱油式空氣預(yù)熱器、回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器、管式空氣預(yù)熱器、熱管式空氣預(yù)熱器、水熱媒空氣預(yù)熱器、板式空氣預(yù)熱器等多種類型。熱油式空氣預(yù)熱器的傳熱在氣—液兩相間進(jìn)行,同時(shí)便于用釘頭或者翅片擴(kuò)大傳熱面積以強(qiáng)化傳熱,但因其受工藝流程的約束,難以自成系統(tǒng),同時(shí)還受到熱載體使用溫度的限制。因此,除個(gè)別熱載體爐和塔底重沸器采用熱油式空氣預(yù)熱器外,新設(shè)計(jì)裝置很少采用?；剞D(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器有蓄熱體轉(zhuǎn)動(dòng)、煙道風(fēng)不動(dòng)和蓄熱體固定、煙道風(fēng)周期性切換兩種,煉油加熱爐過去曾經(jīng)用過蓄熱體轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器,但因漏風(fēng)嚴(yán)重,現(xiàn)在已不使用。蓄熱體固定的回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器目前煉油加熱爐尚未使用。管式空氣預(yù)熱器主要包括鋼管式、鑄鐵管式、玻璃管式、搪瓷管式、擾流子式等多種類型。鑄鐵管式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)比鋼管式空氣預(yù)熱器復(fù)雜,目前國內(nèi)還沒有成熟的設(shè)計(jì)、制造和使用經(jīng)驗(yàn);玻璃管空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)形式和鋼管式空氣預(yù)熱器基本相同,但是不能承受高溫,適宜在煙氣露點(diǎn)溫度以下工作,可作為一種防腐措施使用,一般都是與其他型號(hào)的空氣預(yù)熱器聯(lián)合使用;搪瓷管空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)與鋼管式空氣預(yù)熱器幾乎是相同的,只是在與煙氣接觸的鋼管外表面搪瓷,避免低溫露點(diǎn)腐蝕;擾流子空氣預(yù)熱器是在普通管式空氣預(yù)熱器的管內(nèi)插入紐帶或者麻花鐵、作為擾流子、強(qiáng)化管內(nèi)側(cè)傳熱的一種空氣預(yù)熱器。應(yīng)用各種余熱回收技術(shù)的設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理以及適用范圍各不相同,本文主要探討鋼管式空氣預(yù)熱器、熱管式空氣預(yù)熱器、水熱媒空氣預(yù)熱器、板式空氣預(yù)熱器、余熱鍋爐等余熱回收技術(shù)及設(shè)備。2剩余熱回收技術(shù)分析2.1下置式煙氣來源煉化企業(yè)加熱爐使用的鋼管式空氣預(yù)熱器,由鋼管、管板和殼體組成,鋼管一般采用?40mm×1.5mm、?51mm×1.5mm或?60mm×2mm。將鋼管式空氣預(yù)熱器直接放置在對(duì)流室頂部的,稱為上置式;將對(duì)流室煙氣引下來、通過空氣預(yù)熱器和引風(fēng)機(jī)后再將煙氣由煙囪排出的,稱為下置式。鋼管式空氣預(yù)熱器具有結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單、價(jià)格便宜、無轉(zhuǎn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn);其缺點(diǎn)是換熱面密度小,當(dāng)量直徑大,占地面或空間較多,特別是低溫區(qū)受熱面的露點(diǎn)腐蝕和積灰堵塞較嚴(yán)重,妨礙了加熱爐熱效率的進(jìn)一步提高。目前,鋼管式空氣預(yù)熱器廣泛應(yīng)用于芳烴、乙烯、二甲苯等裝置加熱爐上,取得較好的節(jié)能效果。鋼管式空氣預(yù)熱器適合于排煙溫度低于420℃的加熱爐,或者與水熱媒空氣預(yù)熱器、搪瓷管空氣預(yù)熱器、玻璃管空氣預(yù)熱器等耐露點(diǎn)腐蝕的空氣預(yù)熱器聯(lián)合應(yīng)用,鋼管式空氣預(yù)熱器用在高溫?zé)煔舛?與無余熱回收措施的加熱爐相比,熱效率一般可提高5%~15%。2.2熱管余熱回收及性能要求熱管是一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱元件,它通過在全封閉真空管殼內(nèi)工藝介質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量,具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)。熱管式空氣預(yù)熱器由熱管、隔板、外殼組成。工作時(shí)熱煙氣在隔板下側(cè)與熱管接觸換熱,熱管將煙氣中的熱量傳給隔板上側(cè)的空氣,熱空氣用于助燃,從而提高加熱爐熱效率。熱管式空氣預(yù)熱器廣泛應(yīng)用在常減壓、催化重整、制氫、合成氨、鍋爐等裝置和設(shè)備上,是加熱爐余熱回收方面應(yīng)用最普遍的一種技術(shù),取得了較好的效果。熱管式空氣預(yù)熱器適合于煙氣排放溫度低于350℃的加熱爐。熱管技術(shù)應(yīng)用后,與無余熱回收措施的加熱爐相比,熱效率一般可以提高5%~12%。熱管在應(yīng)用過程中也暴露出一些問題,影響了空氣預(yù)熱器的換熱效果,主要表現(xiàn)為爆管和換熱能力下降甚至失效。爆管的主要原因有以下幾方面:一是加熱爐運(yùn)行工況發(fā)生變化或操作不當(dāng)造成煙氣溫度超過設(shè)計(jì)值;二是熱管工作液體選擇不合適或熱管本身質(zhì)量問題;三是熱管管壁由于磨損和腐蝕而變薄,其承壓能力低于熱管工作溫度下的內(nèi)壓;四是北方露天布置的熱管式空氣預(yù)熱器冬季停運(yùn)時(shí)容易造成熱管凍裂。熱管換熱能力下降甚至失效的原因是由于工作液體與管殼材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生不凝性氣體,在熱管工作時(shí),該氣體被蒸汽流吹掃到?jīng)_凝段聚集起來形成氣塞,從而使熱管有效冷凝面積減小,熱阻增大,傳熱性能惡化,傳熱能力降低甚至失效。因此,在熱管式空氣預(yù)熱器應(yīng)用過程中,除了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)操作管理外,還要注意工作液體和熱管材質(zhì)的選擇。工作液體應(yīng)具備熱輸送能力大、熱穩(wěn)定性好、與殼體材料有良好的相容性、工作溫度下蒸汽壓力不宜過高等特點(diǎn)。熱管材質(zhì)的選擇要考慮其工作溫度、管內(nèi)工藝介質(zhì)的工作壓力以及管殼與工作液體的相容性等問題。2.3水熱媒空氣預(yù)熱器水熱媒空氣預(yù)熱器是利用帶壓的除氧水作為熱媒,在一個(gè)封閉或開放式熱交換系統(tǒng)中,吸收煙氣中的余熱,用于預(yù)熱加熱爐助燃空氣或工藝介質(zhì),往復(fù)循環(huán)。水熱媒空氣預(yù)熱器由煙氣換熱器、空氣換熱器、熱水循環(huán)泵以及相應(yīng)的連接管路組成。熱媒水通過放置在加熱爐對(duì)流室出口的煙氣換熱器將煙氣的熱量吸收,同時(shí)通過布置在鼓風(fēng)機(jī)出口的空氣換熱器放出熱量,加熱助燃空氣,如此循環(huán),將煙氣熱量源源不斷傳給助燃空氣。為防止煙氣換熱器發(fā)生低溫酸露點(diǎn)腐蝕,在空氣換熱器熱媒水進(jìn)、出口管道之間,設(shè)置旁路調(diào)節(jié)閥,用于控制空氣換熱器換熱量,保證進(jìn)煙氣換熱器的熱媒水溫度高于露點(diǎn)溫度,即煙氣換熱器的最低壁溫高于酸露點(diǎn)(一般設(shè)計(jì)溫度值為130~145℃)。水熱媒空氣預(yù)熱器與普通空氣預(yù)熱器相比,具有如下優(yōu)點(diǎn):一是無需像普通空氣預(yù)熱器一樣,將煙氣和空氣交叉在一起,只需通過熱媒水管將熱量由煙氣傳遞給空氣,省去了體積龐大的煙氣管道,布置簡單;二是可以適應(yīng)燃料、加熱爐負(fù)荷變化及季節(jié)變化的要求。由于水熱媒空氣預(yù)熱器設(shè)置了旁路調(diào)節(jié)系統(tǒng),只要控制進(jìn)煙氣換熱器的熱媒水溫度,即可滿足煙氣換熱器最低管壁溫度高于露點(diǎn)溫度的要求,從而避免露點(diǎn)腐蝕;三是在加熱爐短時(shí)間操作異常、進(jìn)空氣預(yù)熱器煙氣溫度遠(yuǎn)高于正常設(shè)計(jì)值的工況下,安全閥自動(dòng)起跳,設(shè)備運(yùn)行安全可靠;四是可以使幾臺(tái)相近加熱爐合用一套水熱媒空氣預(yù)熱器,無須建聯(lián)合煙道和聯(lián)合風(fēng)道,不僅節(jié)約投資,節(jié)省場(chǎng)地,而且可以避免煙囪擋板密封不嚴(yán)(部分高溫?zé)煔舛搪分迸艧焽枘芰课催M(jìn)行回收)和操作不可靠(擋板卡死、影響加熱爐運(yùn)行安全)等問題。水熱媒空氣預(yù)熱器雖然增加了兩臺(tái)熱媒水循環(huán)泵,但可以減少一臺(tái)引風(fēng)機(jī),并沒有增加運(yùn)行成本,缺點(diǎn)是該技術(shù)流程長、操作相對(duì)復(fù)雜,對(duì)于熱負(fù)荷較小的加熱爐投資增加較多。目前,水熱媒空氣預(yù)熱器已在常減壓、焦化、催化裂化、重整加氫等裝置的加熱爐煙氣余熱回收中得到應(yīng)用,并取得良好效果。水熱媒空氣預(yù)熱器單獨(dú)使用時(shí)一般適用于煙氣溫度低于270℃的加熱爐,與無余熱回收措施的加熱爐相比,熱效率一般可以提高3%~6%。2.4管式—管式—水熱媒組合式空氣預(yù)熱器管式—水熱媒組合式空氣預(yù)熱器由管式空氣預(yù)熱器(高溫段)和水熱媒空氣預(yù)熱器(低溫段)構(gòu)成,與管式空氣預(yù)熱器相比,主要是在煙氣低溫段引入了熱媒水做中間熱載體,以充分回收煙氣熱能,提高加熱爐助燃空氣溫度。管式—水熱媒組合式空氣預(yù)熱器具備了管式空氣預(yù)熱器和水熱媒空氣預(yù)熱器兩者的優(yōu)點(diǎn),與管式空氣預(yù)熱器比較具有以下特點(diǎn):一是管式空氣預(yù)熱器安裝在高溫段,不存在低溫露點(diǎn)腐蝕,使用壽命長。水熱媒空氣預(yù)熱器調(diào)節(jié)靈活,安裝在低溫段,可以避免露點(diǎn)腐蝕,確?？諝忸A(yù)熱器長周期、高效運(yùn)行。通過熱媒水傳遞熱量,提高了熱傳遞系數(shù),提高了助燃空氣的溫度;二是熱媒水管路中設(shè)置了安全閥,增加了余熱回收系統(tǒng)安全性,可以適應(yīng)加熱爐負(fù)荷變化和短時(shí)間溫度異常情況;三是管式空氣預(yù)熱器和煙氣換熱器由于消除了露點(diǎn)腐蝕,灰垢黏性低,空氣預(yù)熱器積灰減少,采用聲波吹灰器可在線清灰。目前管式—水熱媒組合式空氣預(yù)熱器已在常減壓、焦化等裝置的加熱爐煙氣余熱回收中得到應(yīng)用,并取得良好效果。管式—水熱媒組合式空氣預(yù)熱器適用于排煙溫度低于420℃的加熱爐,與無余熱回收措施的加熱爐相比,其熱效率一般可提高5%~15%。2.5板式空氣預(yù)熱器的特點(diǎn)板式空氣預(yù)熱器由許多相互平行的板單元組成,煙氣與空氣在板間交錯(cuò)流動(dòng)換熱,板單元可以是平板,也可以是沖壓成各種形狀的波紋板。板材質(zhì)可根據(jù)煙氣溫度及煙氣腐蝕狀況進(jìn)行選擇。板式空氣預(yù)熱器的主要優(yōu)點(diǎn)如下:一是阻力小。板式空氣預(yù)熱器中氣流在兩板之間流動(dòng),具有暢通無阻的氣體流動(dòng)通道,其壓降較熱管式空氣預(yù)熱器小得多。一般情況下,同樣的應(yīng)用場(chǎng)合,板式空氣預(yù)熱器的阻力只有熱管式空氣預(yù)熱器的20%~60%;二是不易積灰。板式空氣預(yù)熱器單位體積內(nèi)換熱面積大,有寬且直的流道,故積灰速度比熱管式空氣預(yù)熱器緩慢,其結(jié)構(gòu)既便于清灰、又便于布置吹灰器;三是結(jié)構(gòu)緊湊。板式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積約為熱管式空氣預(yù)熱器的50%,可滿足大型裝置的要求,在同樣的工況條件和熱負(fù)荷下,板式空氣預(yù)熱器的造價(jià)只有熱管式空氣預(yù)熱器的50%~66%;四是使用壽命長。板式空氣預(yù)熱器板材表面易于進(jìn)行各種處理,表面處理采用各種防腐涂料、滲鋁、搪瓷等措施,增加板材使用壽命,安全可靠。目前,在歐洲等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始推廣使用板式空氣預(yù)熱器,這種結(jié)構(gòu)形式相對(duì)管式空氣預(yù)熱器和熱管式空氣預(yù)熱器有更高的換熱效率,并且節(jié)省占地空間,利于設(shè)備布置,特別適合大型裝置采用。近年來,我國煉油行業(yè)也開始在常減壓、制氫、芳烴、焦化加氫、合成氨等裝置上應(yīng)用,取得了較好的效果。板式空氣預(yù)熱器適合于排煙溫度低于420℃的加熱爐,與無余熱回收措施的加熱爐相比,熱效率一般可以提高5%~15%。2.6煙氣余熱鍋爐與常規(guī)鍋爐不同,余熱鍋爐中不發(fā)生燃燒過程,也沒有燃燒相關(guān)的設(shè)備,從本質(zhì)上講,只是一個(gè)煙氣—水或蒸汽的換熱器。對(duì)于有些管式加熱爐,如連續(xù)重整的四合一重整爐,熱負(fù)荷很大,為了減少壓降又不能在對(duì)流室設(shè)置爐管,只能將對(duì)流室作為煙氣余熱鍋爐使用。再如,制氫裝置的轉(zhuǎn)化爐,其轉(zhuǎn)化反應(yīng)只能在輻射室的轉(zhuǎn)化管內(nèi)進(jìn)行,熱負(fù)荷相當(dāng)大,煙氣出輻射室的溫度比一般管式加熱爐高很多,對(duì)流室僅靠預(yù)熱原料氣或空氣不能將煙氣溫度降下來,一般只能采用煙氣余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽。目前,余熱鍋爐廣泛應(yīng)用在煉油企業(yè)催化裂化、合成氨、重整、制氫等裝置,取得了非常好的節(jié)能效果。余熱鍋爐適用于熱負(fù)荷大、煙氣溫度在600~900℃的純輻射加熱爐,與無余熱回收措施的加熱爐相比,熱效率一般可以提高20%~40%。3其他余熱鍋爐由上述對(duì)比分析可以看出,目前,國內(nèi)常用的加熱爐余熱回收利用技術(shù)主要有鋼管式空氣預(yù)熱器、熱管式空氣預(yù)熱器、水熱媒空氣預(yù)熱器、管式—水熱媒組合式空氣預(yù)熱器、板式空氣預(yù)熱器及余熱鍋爐等,各種技術(shù)由于特點(diǎn)不同