加熱爐煙氣余熱回收技術分析

加熱爐煙氣余熱回收技術分析

作為主要的能源消耗設備，加熱爐燃料消耗約40%。加熱爐裝置是否節(jié)能高效，直接影響著整個公司的運營和利益。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,對于落實“節(jié)能減排”政策、提高煉油企業(yè)經(jīng)濟效益和能效水平都有重要意義。1空氣預熱器及管口感染結構熱效率是衡量加熱爐先進性的一個重要指標,加熱爐熱效率關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?；厥諢煔庵械挠酂帷⒔档团艧煖囟仁翘岣呒訜釥t熱效率、減少加熱爐燃料耗量最重要的技術措施。加熱爐煙氣余熱回收方法主要有兩種,一種是通過預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)多采用空氣預熱回收方式。通常,只有高溫管式爐(如乙烯裂解爐、烴蒸汽轉化爐)和純輻射爐才使用余熱鍋爐,這些加熱爐排煙溫度高,僅靠預熱燃料氣或空氣不能將排煙溫度降下來。常用的空氣預熱器主要有熱油式空氣預熱器、回轉式空氣預熱器、管式空氣預熱器、熱管式空氣預熱器、水熱媒空氣預熱器、板式空氣預熱器等多種類型。熱油式空氣預熱器的傳熱在氣—液兩相間進行,同時便于用釘頭或者翅片擴大傳熱面積以強化傳熱,但因其受工藝流程的約束,難以自成系統(tǒng),同時還受到熱載體使用溫度的限制。因此,除個別熱載體爐和塔底重沸器采用熱油式空氣預熱器外,新設計裝置很少采用?；剞D式空氣預熱器有蓄熱體轉動、煙道風不動和蓄熱體固定、煙道風周期性切換兩種,煉油加熱爐過去曾經(jīng)用過蓄熱體轉動的回轉式空氣預熱器,但因漏風嚴重,現(xiàn)在已不使用。蓄熱體固定的回轉式空氣預熱器目前煉油加熱爐尚未使用。管式空氣預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。鑄鐵管式空氣預熱器結構比鋼管式空氣預熱器復雜,目前國內還沒有成熟的設計、制造和使用經(jīng)驗;玻璃管空氣預熱器的結構形式和鋼管式空氣預熱器基本相同,但是不能承受高溫,適宜在煙氣露點溫度以下工作,可作為一種防腐措施使用,一般都是與其他型號的空氣預熱器聯(lián)合使用;搪瓷管空氣預熱器結構與鋼管式空氣預熱器幾乎是相同的,只是在與煙氣接觸的鋼管外表面搪瓷,避免低溫露點腐蝕;擾流子空氣預熱器是在普通管式空氣預熱器的管內插入紐帶或者麻花鐵、作為擾流子、強化管內側傳熱的一種空氣預熱器。應用各種余熱回收技術的設備的結構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熱器、熱管式空氣預熱器、水熱媒空氣預熱器、板式空氣預熱器、余熱鍋爐等余熱回收技術及設備。2剩余熱回收技術分析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。將鋼管式空氣預熱器直接放置在對流室頂部的,稱為上置式;將對流室煙氣引下來、通過空氣預熱器和引風機后再將煙氣由煙囪排出的,稱為下置式。鋼管式空氣預熱器具有結構和制造工藝簡單、價格便宜、無轉動部件等優(yōu)點;其缺點是換熱面密度小,當量直徑大,占地面或空間較多,特別是低溫區(qū)受熱面的露點腐蝕和積灰堵塞較嚴重,妨礙了加熱爐熱效率的進一步提高。目前,鋼管式空氣預熱器廣泛應用于芳烴、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熱器、搪瓷管空氣預熱器、玻璃管空氣預熱器等耐露點腐蝕的空氣預熱器聯(lián)合應用,鋼管式空氣預熱器用在高溫煙氣段,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熱性能的傳熱元件,它通過在全封閉真空管殼內工藝介質的蒸發(fā)與凝結來傳遞熱量,具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點。熱管式空氣預熱器由熱管、隔板、外殼組成。工作時熱煙氣在隔板下側與熱管接觸換熱,熱管將煙氣中的熱量傳給隔板上側的空氣,熱空氣用于助燃,從而提高加熱爐熱效率。熱管式空氣預熱器廣泛應用在常減壓、催化重整、制氫、合成氨、鍋爐等裝置和設備上,是加熱爐余熱回收方面應用最普遍的一種技術,取得了較好的效果。熱管式空氣預熱器適合于煙氣排放溫度低于350℃的加熱爐。熱管技術應用后,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%。熱管在應用過程中也暴露出一些問題,影響了空氣預熱器的換熱效果,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:一是加熱爐運行工況發(fā)生變化或操作不當造成煙氣溫度超過設計值;二是熱管工作液體選擇不合適或熱管本身質量問題;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壓;四是北方露天布置的熱管式空氣預熱器冬季停運時容易造成熱管凍裂。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)生化學反應或電化學反應,產(chǎn)生不凝性氣體,在熱管工作時,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,在熱管式空氣預熱器應用過程中,除了優(yōu)化設計方案、加強現(xiàn)場操作管理外,還要注意工作液體和熱管材質的選擇。工作液體應具備熱輸送能力大、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。熱管材質的選擇要考慮其工作溫度、管內工藝介質的工作壓力以及管殼與工作液體的相容性等問題。2.3水熱媒空氣預熱器水熱媒空氣預熱器是利用帶壓的除氧水作為熱媒,在一個封閉或開放式熱交換系統(tǒng)中,吸收煙氣中的余熱,用于預熱加熱爐助燃空氣或工藝介質,往復循環(huán)。水熱媒空氣預熱器由煙氣換熱器、空氣換熱器、熱水循環(huán)泵以及相應的連接管路組成。熱媒水通過放置在加熱爐對流室出口的煙氣換熱器將煙氣的熱量吸收,同時通過布置在鼓風機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)生低溫酸露點腐蝕,在空氣換熱器熱媒水進、出口管道之間,設置旁路調節(jié)閥,用于控制空氣換熱器換熱量,保證進煙氣換熱器的熱媒水溫度高于露點溫度,即煙氣換熱器的最低壁溫高于酸露點(一般設計溫度值為130~145℃)。水熱媒空氣預熱器與普通空氣預熱器相比,具有如下優(yōu)點:一是無需像普通空氣預熱器一樣,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;二是可以適應燃料、加熱爐負荷變化及季節(jié)變化的要求。由于水熱媒空氣預熱器設置了旁路調節(jié)系統(tǒng),只要控制進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溫度的要求,從而避免露點腐蝕;三是在加熱爐短時間操作異常、進空氣預熱器煙氣溫度遠高于正常設計值的工況下,安全閥自動起跳,設備運行安全可靠;四是可以使幾臺相近加熱爐合用一套水熱媒空氣預熱器,無須建聯(lián)合煙道和聯(lián)合風道,不僅節(jié)約投資,節(jié)省場地,而且可以避免煙囪擋板密封不嚴(部分高溫煙氣短路直排煙囪能量未進行回收)和操作不可靠(擋板卡死、影響加熱爐運行安全)等問題。水熱媒空氣預熱器雖然增加了兩臺熱媒水循環(huán)泵,但可以減少一臺引風機,并沒有增加運行成本,缺點是該技術流程長、操作相對復雜,對于熱負荷較小的加熱爐投資增加較多。目前,水熱媒空氣預熱器已在常減壓、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用,并取得良好效果。水熱媒空氣預熱器單獨使用時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熱器管式—水熱媒組合式空氣預熱器由管式空氣預熱器(高溫段)和水熱媒空氣預熱器(低溫段)構成,與管式空氣預熱器相比,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熱器具備了管式空氣預熱器和水熱媒空氣預熱器兩者的優(yōu)點,與管式空氣預熱器比較具有以下特點:一是管式空氣預熱器安裝在高溫段,不存在低溫露點腐蝕,使用壽命長。水熱媒空氣預熱器調節(jié)靈活,安裝在低溫段,可以避免露點腐蝕,確?？諝忸A熱器長周期、高效運行。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置了安全閥,增加了余熱回收系統(tǒng)安全性,可以適應加熱爐負荷變化和短時間溫度異常情況;三是管式空氣預熱器和煙氣換熱器由于消除了露點腐蝕,灰垢黏性低,空氣預熱器積灰減少,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用,并取得良好效果。管式—水熱媒組合式空氣預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板式空氣預熱器的特點板式空氣預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流動換熱,板單元可以是平板,也可以是沖壓成各種形狀的波紋板。板材質可根據(jù)煙氣溫度及煙氣腐蝕狀況進行選擇。板式空氣預熱器的主要優(yōu)點如下:一是阻力小。板式空氣預熱器中氣流在兩板之間流動,具有暢通無阻的氣體流動通道,其壓降較熱管式空氣預熱器小得多。一般情況下,同樣的應用場合,板式空氣預熱器的阻力只有熱管式空氣預熱器的20%~60%;二是不易積灰。板式空氣預熱器單位體積內換熱面積大,有寬且直的流道,故積灰速度比熱管式空氣預熱器緩慢,其結構既便于清灰、又便于布置吹灰器;三是結構緊湊。板式空氣預熱器結構緊湊,占地面積約為熱管式空氣預熱器的50%,可滿足大型裝置的要求,在同樣的工況條件和熱負荷下,板式空氣預熱器的造價只有熱管式空氣預熱器的50%~66%;四是使用壽命長。板式空氣預熱器板材表面易于進行各種處理,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)達國家已經(jīng)開始推廣使用板式空氣預熱器,這種結構形式相對管式空氣預熱器和熱管式空氣預熱器有更高的換熱效率,并且節(jié)省占地空間,利于設備布置,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、合成氨等裝置上應用,取得了較好的效果。板式空氣預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,也沒有燃燒相關的設備,從本質上講,只是一個煙氣—水或蒸汽的換熱器。對于有些管式加熱爐,如連續(xù)重整的四合一重整爐,熱負荷很大,為了減少壓降又不能在對流室設置爐管,只能將對流室作為煙氣余熱鍋爐使用。再如,制氫裝置的轉化爐,其轉化反應只能在輻射室的轉化管內進行,熱負荷相當大,煙氣出輻射室的溫度比一般管式加熱爐高很多,對流室僅靠預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比分析可以看出,目前,國內常用的加熱爐余熱回收利用技術主要有鋼管式空氣預熱器、熱管式空氣預熱器、水熱媒空氣預熱器、管式—水熱媒組合式空氣預熱器、板式空氣預熱器及余熱鍋爐等,各種技術由于特點不同