加热炉烟气余热回收技术分析

加热炉烟气余热回收技术分析

作为主要的能源消耗设备，加热炉燃料消耗约40%。加热炉装置是否节能高效，直接影响着整个公司的运营和利益。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%。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。1空气预热器及管口感染结构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。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。2剩余热回收技术分析2.1下置式烟气来源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、∅51mm×1.5mm或∅60mm×2mm。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热管余热回收及性能要求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。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,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130~145℃)。水热媒空气预热器与普通空气预热器相比,具有如下优点: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—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。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板式空气预热器的特点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: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烟气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。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600~900℃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%。3其他余热锅炉由上述对比分析可以看出,目前,国内常用的加热炉余热回收利用技术主要有钢管式空气预热器、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、板式空气预热器及余热锅炉等,各种技术由于特点不同