加热炉余热回收技术综述.doc

解红军*余绩庆刘富余（中国石油天然 气股份有限公司 规划总院）解红 军等. 加热炉 余热回收技术 综述. 石油规 划设计，2 0 1 1 ， 2 2 （ 6 ） ： 3 6 3 9摘要加热炉是炼油企业的主要耗能设备，采用烟气余热回收技术可以大幅降低加热炉排烟温度，提高加热炉热效率，对于炼油企业降本增效具有重要意义。从技术原理、技术特点、适用 范围、节能效果等多方面，分析了目前炼油企业加热炉上常用的几种烟气余热回收技术：管式空气预热器、热管式空气预热器、水热媒空气预热器、管式水热媒组合式空气预热器、板式空气预热器以及余热锅炉等。指出应根据生产实际的需要、节能效果分析等，针对不同排烟温度的加 热炉采用不同的余热回收技术。关键词加热炉；热效率；余热回收；空气预热器中图分类号：TE963文献标识码：A文章编号：1004-2970（2011）06-0036-04加热炉作为炼油、化工生产装置的主要耗能设备，其燃料消耗在炼油企业能耗中的比重约为 40%，加 热 炉装置 是否 节能和 高效 直接影 响着 整个 企业的运营和盈利状况。常见装置加热炉燃料消耗占装 置总能耗的 比例为：常 减压蒸馏装 置一般为 82%92%，焦化装置约为 90%，连续重整装置约 为 82%，柴油加氢装置约为 30%1。因此，提高加 热炉热效率，减少加热炉燃料耗量，对于落实“节 能减排”政策、提高炼油企业经济效益和能效水平 都有重要意义。损失等。回收烟气中的余热、降低排烟温度是提高加热炉热效率、减少加热炉燃料耗量最重要的技术 措施。加热炉烟气余热回收方法主要有两种，一种是 通过预热燃烧用空气的方式来回收；另一种是采用 余热锅炉的方式来回收。目前，加热炉余热回收系 统多采用空气预热回收方式。通常，只有高温管式 炉（如乙烯裂解炉、烃蒸汽转化炉）和纯辐射炉才 使用余热锅炉，这些加热炉排烟温度高，仅靠预热 燃料气或空气不能将排烟温度降下来。常用的空气预热器主要有热油式空气预热器、 回转式空气预热器、管式空气预热器、热管式空气 预热器、水热媒空气预热器、板式空气预热器等多种类型。热油式空气预热器的传热在气液两相间进 行，同时便于用钉头或者翅片扩大传热面积以强化 传热，但因其受工艺流程的约束，难以自成系统， 同时还受到热载体使用温度的限制。因此，除个别1余热回收技术热效率是衡量加热炉先进性的一个重要指标，加热炉热效率关系着炼油装置能耗的高低，提高加 热炉热效率即意味着节约燃料、降低装置能耗。提高加热炉热效率的措施主要有降低排烟温度、降低 过剩空气系数、减少不完全燃烧热损失、减少散热* 解红军，男，高级工程师。1991 年毕业于南京大学应用化学专业，获理学学士学位；2005 年毕业于吉林大学高分子化学与物理专业，获理学硕士学位。现在中国 石 油天然气股份 有 限公司规划总 院 ，长期从事节 能 与标准研究工 作 。地址：北京 市 海淀区志新西 路 3 号， 100083 。 E-mail ：热载体炉和塔底重沸器采用热油式空气预热器外，新设计装置很少采用。回转式空气预热器有蓄热体转动、烟道风不动 和蓄热体固定、烟道风周期性切换两种，炼油加热 炉过去曾经用过蓄热体转动的回转式空气预热器， 但因漏风严重，现在已不使用。蓄热体固定的回转 式空气预热器目前炼油加热炉尚未使用。管式空气预热器主要包括钢管式、铸铁管式、 玻璃管式、搪瓷管式、扰流子式等多种类型。铸铁 管式空气预热器结构比钢管式空气预热器复杂，目 前国内还没有成熟的设计、制造和使用经验；玻璃 管空气预热器的结构形式和钢管式空气预热器基本相同，但是不能承受高温，适宜在烟气露点温度以 下工作，可作为一种防腐措施使用，一般都是与其 他型号的空气预热器联合使用；搪瓷管空气预热器 结构与钢管式空气预热器几乎是相同的，只是在与 烟气接触的钢管外表面搪瓷，避免低温露点腐蚀； 扰流子空气预热器是在普通管式空气预热器的管内 插入纽带或者麻花铁、作为扰流子、强化管内侧传 热的一种空气预热器2-4。应用各种余热回收技术的设备的结构和工作原 理以及适用范围各不相同，本文主要探讨钢管式空气预热器、热管式空气预热器、水热媒空气预热器、 板式空气预热器、余热锅炉等余热回收技术及设备。联合应用，钢管式空气预热器用在高温烟气段，与无余热回收措施的加热炉相比，热效率一般可提高5%15%。2.2 热管式空气预热器热管是一种具有高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管壳内工艺介质的蒸发与凝结来传 递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热 两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控 制温度等一系列优点。热管式空气预热器由热管、 隔板、外壳组成。工作时热烟气在隔板下侧与热管 接触换热，热管将烟气中的热量传给隔板上侧的空 气，热空气用于助燃，从而提高加热炉热效率5。 热管式空气预热器广泛应用在常减压、催化重整、制氢、合成氨、锅炉等装置和设备上，是加热 炉余热回收方面应用最普遍的一种技术，取得了较 好的效果。热管式空气预热器适合于烟气排放温度 低于 350的加热炉。热管技术应用后，与无余热 回收措施的 加热炉相比 ，热效率一 般可以提高 5%12%。热管在应用过程中也暴露出一些问题，影响了 空气预热器的换热效果，主要表现为爆管和换热能 力下降甚至失效。爆管的主要原因有以下几方面： 一是加热炉运行工况发生变化或操作不当造成烟气温度超过设计值；二是热管工作液体选择不合适或 热管本身质量问题；三是热管管壁由于磨损和腐蚀 而变薄，其承压能力低于热管工作温度下的内压； 四是北方露天布置的热管式空气预热器冬季停运时 容易造成热管冻裂。热管换热能力下降甚至失效的 原因是由于工作液体与管壳材料发生化学反应或电 化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气 体被蒸汽流吹扫到冲凝段聚集起来形成气塞，从而 使热管有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶 化，传热能力降低甚至失效。因此，在热管式空气预热器应用过程中，除了优化设计方案、加强现场 操作管理外，还要注意工作液体和热管材质的选择。 工作液体应具备热输送能力大、热稳定性好、与壳 体材料有良好的相容性、工作温度下蒸汽压力不宜 过高等特点。热管材质的选择要考虑其工作温度、 管内工艺介质的工作压力以及管壳与工作液体的相 容性等问题。2.3 水热媒空气预热器水热媒空气预热器是利用带压的除氧水作为热媒，在一个封闭或开放式热交换系统中，吸收烟气 中的余热，用于预热加热炉助燃空气或工艺介质，2余热回收技术分析2.1钢管式空气预热器炼化企业加热炉使用的钢管式空气预热器，由钢管、管 板和壳体组 成，钢管一 般采用 40mm 1.5mm、51mm1.5mm 或60mm2mm。将钢管式空气预热器直接放置在对流室顶部的，称为上置式；将对流室烟气引下来、通过空气预热器和引风 机后再将烟气由烟囱排出的，称为下置式。钢管式空气预热器具有结构和制造工艺简单、 价格便宜、无转动部件等优点；其缺点是换热面密 度小，当量直径大，占地面或空间较多，特别是低 温区受热面的露点腐蚀和积灰堵塞较严重，妨碍了 加热炉热效率的进一步提高。目前，钢管式空气预热器广泛应用于芳烃、乙 烯、二甲苯等装置加热炉上，取得较好的节能效果。 钢管式空气预热器适合于排烟温度低于 420的加 热炉，或者与水热媒空气预热器、搪瓷管空气预热 器、玻璃管空气预热器等耐露点腐蚀的空气预热器往复循环。水热媒空气预热器由烟气换热器、空气换热器、热水循环泵以及相应的连接管路组成。热 媒水通过放置在加热炉对流室出口的烟气换热器将烟气的热量吸收，同时通过布置在鼓风机出口的空 气换热器放出热量，加热助燃空气，如此循环，将 烟气热量源源不断传给助燃空气。为防止烟气换热 器发生低温酸露点腐蚀，在空气换热器热媒水进、 出口管道之间，设置旁路调节阀，用于控制空气换 热器换热量，保证进烟气换热器的热媒水温度高于 露点温度，即烟气换热器的最低壁温高于酸露点（一 般设计温度值为 130145）6。水热媒空气预热器与普通空气预热器相比，具有如下优点7-8：一是无需像普通空气预热器一样， 将烟气和空气交叉在一起，只需通过热媒水管将热 量由烟气传递给空气，省去了体积庞大的烟气管道， 布置简单；二是可以适应燃料、加热炉负荷变化及 季节变化的要求。由于水热媒空气预热器设置了旁 路调节系统，只要控制进烟气换热器的热媒水温度， 即可满足烟气换热器最低管壁温度高于露点温度的 要求，从而避免露点腐蚀；三是在加热炉短时间操 作异常、进空气预热器烟气温度远高于正常设计值 的工况下，安全阀自动起跳，设备运行安全可靠；四是可以使几台相近加热炉合用一套水热媒空气预 热器，无须建联合烟道和联合风道，不仅节约投资， 节省场地，而且可以避免烟囱挡板密封不严（部分 高温烟气短路直排烟囱能量未进行回收）和操作不 可靠（挡板卡死、影响加热炉运行安全）等问题。水热媒空气预热器虽然增加了两台热媒水循环 泵，但可以减少一台引风机，并没有增加运行成本， 缺点是该技术流程长、操作相对复杂，对于热负荷 较小的加热炉投资增加较多。目前，水热媒空气预热器已在常减压、焦化、催化裂化、重整加氢等装置的加热炉烟气余热回收 中得到应用，并取得良好效果。水热媒空气预热器 单独使用时一般适用于烟气温度低于 270的加热 炉，与无余热回收措施的加热炉相比，热效率一般 可以提高 3%6%。2.4管式水热媒组合式空气预热器管式水热媒组合式空气预热器由管式空气预热器（高温段）和水热媒空气预热器（低温段）构 成，与管式空气预热器相比，主要是在烟气低温段 引入了热媒水做中间热载体，以充分回收烟气热能， 提高加热炉助燃空气温度9。管式水热媒组合式空气预热器具备了管式空气预热器和水热媒空气预热器两者的优点，与管式空气预热器比较具有以下特点：一是管式空气预热 器安装在高温段，不存在低温露点腐蚀，使用寿命长。水热媒空气预热器调节灵活，安装在低温段， 可以避免露点腐蚀，确保空气预热器长周期、高效 运行。通过热媒水传递热量，提高了热传递系数， 提高了助燃空气的温度；二是热媒水管路中设置了 安全阀，增加了余热回收系统安全性，可以适应加 热炉负荷变化和短时间温度异常情况；三是管式空 气预热器和烟气换热器由于消除了露点腐蚀，灰垢 黏性低，空气预热器积灰减少，采用声波吹灰器可 在线清灰。目前管式水热媒组合式空气预热器已在常减 压、焦化等装置的加热炉烟气余热回收中得到应用， 并取得良好效果。管式水热媒组合式空气预热器 适用于排烟温度低于 420的加热炉，与无余热回 收措施的 加 热炉相比 ， 其热效率 一 般可提 高 5%15%。2.5 板式空气预热器板式空气预热器由许多相互平行的板单元组 成，烟气与空气在板间交错流动换热，板单元可以 是平板，也可以是冲压成各种形状的波纹板。板材 质可根据烟气温度及烟气腐蚀状况进行选择。板式空气预热器的主要优点如下10-11：一是阻 力小。板式空气预热器中气流在两板之间流动，具 有畅通无阻的气体流动通道，其压降较热管式空气 预热器小得多。一般情况下，同样的应用场合，板 式空气预热器的阻力只有热管式空气预热器的 20% 60%；二是不 易 积灰。板 式 空气预热 器 单 位 体积内换热面积大，有宽且直的流道，故积灰速度 比热管式空气预热器缓慢，其结构既便于清灰、又 便于布置吹灰器；三是结构紧凑。板式空气预热器 结构紧凑，占地面积约为热管式空气预热器的 50%，可满足大型装置的要求，在同样的工况条件和热负 荷下，板式空气预热器的造价只有热管式空气预热 器的 50%66%；四是使用寿命长。板式空气预热 器板材表面易于进行各种处理，表面处理采用各种 防腐涂料、渗铝、搪瓷等措施，增加板材使用寿命， 安全可靠。目前，在欧洲等发达国家已经开始推广使用板 式空气预热器，这种结构形式相对管式空气预热器 和热管式空气预热器有更高的换热效率，并且节省 占地空间，利于设备布置，特别适合大型装置采用。近年来，我国炼油行业也开始在常减压、制氢、芳烃、焦化加氢、合成氨等装置上应用，取得了较好的 效果。板式 空气预热器 适合于排烟 温度低于 420的加热炉，与无余热回收措施的加热炉相比， 热效率一般可以提高 5%15%。2.6 余热锅炉与常规锅炉不同，余热锅炉中不发生燃烧过程，也没有燃烧相关的设备，从本质上讲，只是一个烟 气水或蒸汽的换热器。对于有些管式加热炉，如 连续重整的四合一重整炉，热负荷很大，为了减少 压降又不能在对流室设置炉管，只能将对流室作为 烟气余热锅炉使用。再如，制氢装置的转化炉，其 转化反应只能在辐射室的转化管内进行，热负荷相 当大，烟气出辐射室的温度比一般管式加热炉高很多，对流室仅靠预热原料气或空气不能将烟气温度 降下来，一般只能采用烟气余热锅炉产生蒸汽2。目前，余热锅炉广泛应用在炼油企业催化裂化、 合成氨、重整、制氢等装置，取得了非常好的节能 效果。余热锅炉适用于热负荷大、烟气温度在 600900的纯辐射加热炉，与无余热回收措施的加热炉 相比，热效率一般可以提高 20%40%。以充分发挥管式空气预热器和水热媒空气预热器两者的优点，提高余热回收效果；对于排烟温度低于350的加热炉，可采用热管式空气预热器，为控制 低温露点腐蚀，还应采取冷空气旁通、热风循环等 措施来控制排烟温度；对于排烟温度低于 270的 加热炉，可选用水热媒空气预热器。参考文献： 1 李文辉.炼油装置加热炉节能途径与制约因素J.中外能源,2009,14(10): 85-91.钱家麟.管 式 加热炉 (2 版 )M.北 京 : 中国石 化出 版社,2003.李文辉 ,历亚宁 ,赵建国 . 空气预热 器的运行管 理 J.石油化工设备技术,2009,30(3): 5-9.刘鸿翔.常减压加热炉余热回收系统改造J.科技传播,2010,2(21): 17-18.陈力,杨瑞,陈威.炼厂加热炉空气预热器的选型思考J.内蒙古石油化工,2010,30(10): 101-102.敖 建军 ,沃开宇 ,屈 武 第 ,等 .用于 加热炉 上的水 热媒空 气预热器 P.中国专利 : 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Subsequent development problemsOF ARTICLESneeding to attention were also put forward.Application of Separate Well Patterns Simulation and Match21Technology to the Numerical Simulation ResearchApplication of the Internet of Things in Petroleum andGu Jinzhu1Petrochemical IndustryWith the oilfield entering the high water stage，a lot of infill wellsWang Huawere developed at different stages in order to ensure high productivity. TheThe Internet of Things is a network of Internet-enabled objects，evaluation of infill wells at different stages became very important. Thetogether with web services that interact with these objects. Objects and necessity of separate well patterns in the numerical simulation research wasInternet are connected through sensor and Radio-Frequency Identification described. The applications of separate well patterns simulation and match（ RFID ） to achieve the target of identification and management methods （basic well pattern simulation and match，primary infill wellintelligently. There are three logistic layers in the Internet of Things， pattern simulation and match ， secondary and tertiary well patternsnamely collection，communication，and application. In this paper，the main simulation and match） and the separate well patterns simulation andproblems in the Internet of Things were analyzed. At present，the Internet match technology were introduced. The examples showed that the separateof Things was at the primary phase of industrial application，some key well patterns simulation and match technology had better practicaltechnologies being to be broken through. The Internet of Things was application effect. The effects at different stages would be evaluated applied to the process management，equipment and asset management， exactly in order to adjust the new development program accordingly，thus personnel management，and safety management in the petroleum and providing the support for EOR.petrochemical industry ， and good results had been achieved. Theapplication of the Internet of Things could improve the ability of real-time Development Program for the Standards Informationmonitoring and dynamic management，and promote the cooperation level 24 Management System of Natural Gas and Pipelinesof petroleum and petrochemical industry chain. Zhao Minghua，Xu Xu，Li XiaoyuIn order to achieve the sharing of standards information，raise theEstablishment of the Production Management System in theupdate speed of standards information，and rationalize the processes of5Digital Oilfieldstandards business，the standards information management system ofJi Hongnatural gas and pipelines should be established. The standards informationThe digital oilfield was the platform of management and management system was a comprehensive information service and decision-making for production departments. The establishment of digital management platform，which provided functions of dynamic information oilfield production management system in respect of geographic data distribution，standard query，online browsing of full-text，procedure of collection，data collection of gathering and transportation pipelines was standardization，standards research，statistical analysis，and resource introduced. The framework，data flow diagram，database composing，and sharing and exchange for users ， managers ， and researchers. Thesoftware design were described. The present situation of the digital oilfield development program for standards information management system in in Xinjiang Karamay oilfield，Daqing oilfield，Dagang oilfield，Changqing respect of design，architecture，key technologies，functional module，and Xifeng oilfield were summarized，and the development directions were safety management was described，and the application was also forecasted.also put forward. The development and establishment should be conductedand gradually improved on the basis of the actual demand of the oilfield. Summary of the Waste Heat Recovery Technology for the36Process HeaterSome Points on the Development Prospects of Chinas NaturalXie Hongjun，Yu Jiqing，Liu Fuyu9Gas IndustryThe process heater is the main energy consumption equipment inTan Jianchaorefining enterprises. The exhaust temperature of the flue gas could beWith the rapid development of Chinas natural gas industry，the citysignificantly reduced by means of the waste heat recovery technology，thusgas industry also came into its rapid development period. The current the heat efficiency was improved，which had the important meaning forsituation，characteristics，and pricing mechanism of the city gas industry in reducing costs and improving efficiency in refining enterprises. The America and England were analyzed. The experience and lessons in terms common waste heat recovery technologies for the process heater，including of the resources，storage and transportation facilities，operation rules，and the tubular air preheater，heat pipe type air preheater，air preheater by heat price of the natural gas industry （including city gas industry） were medium water，tubular and heat medium water combined air preheater， summarized. According to the current situation，the main existing problems plate combined-type，and exhaust-heat boiler were analyzed in terms of in Chinas natural gas industry，and the foreign experience and lessons， principle ， characteristics ， applicability ， and energy-saving effect. several ideas of the development prospects of the city gas industry were put According to actual situation and energy conservation，different waste heatforward. The development patterns should be combined open with relative recovery technologies should be adopted on the basis of different exhaust concentration ， the orderly competitive marketing system under the ernme