加热炉换热 节能

工业炉窑不管是燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等，节能高效是技术关键。

　　烟气带走加热炉大量的高温热量，能量白白浪费，热利用率较低。余热回收可以使用使用蜂窝陶瓷蓄热体，但投入大，维修成本高，切换过程中也带走未燃烧的燃气，造成能源严重流失。 加热炉使用换热器则可且投资少、无切换机构、免维修。但如果使用金属换热器，由于材质的限制，抗氧化能力差，不能在高温下长期使用，余热回收率低。如烟道温度达到800度以上，金属换热器非常容易被高温损坏，无法达到余热回收的目的。因此不论如何，加热炉高效换热是技术攻关难点。

　　下面介绍蓄热式加热炉和管式加热炉处理能力的改造技术

　　蓄热式余热回收
　　目前国内外开始流行的一种革命性的全新燃烧技术--蓄热式高温空气燃烧技术，它通过高效蓄热材料将助燃空气从室温预热至前所未有的800℃高温，同时大幅度降低Nox排放量，使排烟温度控制在露点以上、150℃以下范围内，最大限度地回收烟气余热，使炉内燃烧温度更趋均匀。HTAC技术针对燃料种类或热值的不同，有单蓄热与双蓄热之分。一般认为油类、高热值煤气及含焦油粉尘的热脏发生炉煤气则只需或只能采用助燃空气单蓄热方式；清洁的低热值燃料（高炉煤气、转炉煤气）可采用双蓄热方式。

　　蓄热式加热炉实质上是高效蓄热式换热器与常规加热炉的结合体，主要由加热炉炉体、蓄热室、换向系统以及燃料、供风和排烟系统构成。
　　蓄热室是蓄热式加热炉烟气余热回收的主体，它是填满蓄热体的室状空间，是烟气和空气流动通道的一部分。在加热炉中，蓄热室总是成对使用，一台炉子可以用一对，也可以用几对，甚至几十对。在国内的一些大型加热炉上，最多用到四十几对。
　　在蓄热式加热炉中，换向阀起到了至关重要的作用。为配合换向阀安全准确地工作，必须配备一套可简可繁的控制系统。
　　蓄热体通常采用直径12～15mm的Al2O3质陶瓷球或壁厚1mm以下的陶瓷蜂窝体。

　　传统的燃烧方式是空气和煤气预混和扩散燃烧，在燃烧器周围存在一个局部高温区，造成炉温不均匀，影响加热质量。同时，在高温区内，氮气参与燃烧反应，导致烟气中NOx含量高，造成大气污染。蓄热式燃烧则完全不同，在蓄热式炉中，整个炉膛为一个反应体，空气和煤气充满炉膛，在这个炉膛内弥散燃烧，不存在局部高温区，氮气几乎不参与燃烧反应。与传统燃烧方式相比，其优势表现在下面几个方面：
　　1 炉温更加均匀
　　2 燃料选择范围更大
　　采用蓄热式燃烧技术，空气预热温度由过去的400～600℃可提高到800～1100℃。由于燃料的理论燃烧温度大幅度提高，使燃料的选择范围更大，特别是可燃用800kcal／m3以下的低热值燃料，如高炉煤气或其他低热值劣质燃料。
　　适合轻油、重油、天然气、液化石油气等各种燃料，尤其是对低热值的高炉煤气、发生炉煤气具有很好的预热助燃作用，扩展了燃料的应用范围。铝熔化燃油单耗指标在60kg／t.A以内。
　　3 大幅度节能
　　由于烟气经蓄热体后温度降低到150℃以下（特殊情况下可降至70～80℃），将烟气的绝大部分显热传给了助燃空气，做到了烟气余热的“极限回收”，因此，炉子燃料消耗量大幅度降低。对于一般大型加热炉，可节能25％～30％；对于热处理炉，可节能30％～65％。
　　4 NOX生成量更低
　　采用传统的节能技术，助燃空气预热温度越高，烟气中NOX含量越大；而采用蓄热式高温空气燃烧技术，在助燃空气预热温度高达800℃的情况下，炉内NOX生成量反而大大减少。由于蓄热式燃烧是在相对的低氧状态下弥散燃烧，没有火焰中心，因此，不存在大量生成NOx的条件。烟气中NOx含量低，有利于保护环境。
　　5 金属氧化烧损低
　　低氧燃烧的另一个好处是可降低被加热金属的氧化烧损。此外，蓄热式燃烧还可以提高火焰辐射强度，强化辐射传热，提高炉子产量。
　　6 既适合新建熔铝炉或加热炉，更适合旧型熔铝炉或加热炉的蓄热式技术改造，可保留原炉基础及钢结构不动，在炉两侧或同侧增加蓄热式烧嘴，施工简单，技术先进成熟。
　　7 项目投资不大，节能效益显着，投资回收期短。

　　管式加热炉处理能力的技术改造

　　针对早期建造的炼油厂和化工厂在役管式加热炉热负荷和热效率低的状况，提出了若干技术改造措施包括，增大对流管表面积以增大对流段的热负荷；增加辐射管的换热面积；修正烟囱高度；换用新型燃烧器，变自然通风为强制供风，以增大燃烧器的发热量，减小过剩空气系数，节省燃料2%～3%；在对流段和烟囱之间增设空气预热器以提高空气入炉温度；采用高温辐射涂料增强辐射换热效果，从而增加热源对炉壁的辐射传热量和炉管的传热量等。

　　装置减少，而早期建造的加热炉,由于受当时技术条件的限制，大多在低负荷条件下运行，热效率低。因此，对原有管式炉实施改造已成为日益迫切的任务。针对这种状况，笔者对现役管式加热炉做了深入调查及理论分析，总结出一套提高管式炉处理能力和热效率的措施，期望对我国炼油厂和化工厂旧设备的挖潜改造有所裨益。
　　改造加热炉的目的就是增加热负荷，提高热效率。在实际操作过程中,为了提高管式炉的处理量，通过增强燃烧的办法，可提高热负荷10%左右。但因受辐射管壁温度过高、火焰舔炉管和炉膛产生正压等条件限制，其处理能力难以管式加热炉是炼油厂和化工厂重要的供热设备。目前，由于国家宏观经济政策的调整，新建加热再提高，仍不能满足热负荷要求〔1〕。
　　因此，在改造之前，应收集分析和现场标定加热炉的性能指标，包括设计数据和操作时炉内各部位烟气温度和压力；燃烧空气温度、压力降及过剩空气系数；介质的进、出口温度和压力等。
　　经综合分析，可从以下6个方面对管式加热炉进行改造。
　　1.增加对流管表面积
　　增加对流管表面积能增大对流段的热负荷。对流段位于辐射室上部,增加对流室高度比增加辐射室高度容易。在常减压装置、焦化装置中通常可采用这种改造方法。对流段排烟温度与介质进口温度之差,国外要求低于30℃,国内多为100～150℃。可从以下三个方面进行改造。
　　其一，增加对流管数量。管式加热炉对流段上部一般留有高度不小于800mm的检修空间，小型加热炉高度不小于600mm，可在此空间加装对流管。若空间不够，可加高对流段，以增加对流管的换热面积。
　　山东省某炼油厂250×105t/a常减压装置加热炉，设计热负荷23.255MW,对流段炉管为?152mm×8mm，18排，每排12根，共计216根。欲提高处理量，该炉热负荷就不够，于是在对流段上部增加一组炉管,计6排，72根对流管，热负荷增加20%，满足了工艺要求。
　　其二，用扩大表面管替代光管。旧式加热炉对流段有的用光管，可以用翅片管或钉头管代替。钉头管表面积是光管的2～3倍,翅片管表面积是光管的8～11倍〔2〕。代替后原来的管板不能再用，需重新制作管板。如果燃烧器烧油，需增设吹灰器吹灰。建议采用声波吹灰器,吹灰介质为压缩空气,吹灰效果好,可提高对流传热系数,降低排烟温度,同样可提高加热炉的热负荷。
　　其三，用翅片管替代钉头管。旧式管式炉对流管若烧气体燃料，可用传热面积更大的翅片管代替钉头管,但要保证外部安装尺寸与钉头管的相同，以便仍使用原来的管板。
　　某原油加热炉采取油气混烧，对流段为钉头管，现改为只烧气体燃料。为提高加热炉的热负荷，将原来的6排钉头管拆下，换用6排翅片管。结果对流段排烟温度降低，热负荷增加5%。
　　用扩大表面管替代光管或用翅片管替代钉头管，会增大炉内烟气侧压力降，降低排烟温度，使烟囱抽力减小。若抽力不足，需增加烟囱高度，或在对流段上部增设引风机。同时应核算加热炉钢结构及基础是否满足载荷增加的要求。若基础受到载荷限制，上述改造方案难以实施，可考虑将整个对流段置于地面，并设一独立烟囱。增加对流炉管也会使炉管内介质的压力降增加，故应核算加热炉燃料进料泵的扬程,保证不影响加热炉的处理能力。
　　2.增加辐射管换热面积
　　很多情况下，可通过增加辐射室的高度（即辐射管的高度）来增加圆筒形立式炉辐射管的换热面积。对水平管箱式炉，在炉管上部或接近炉底的下部有可利用的空间用来增加炉管数量，从而增加辐射管的换热面积。辐射管的根数与炉管直径、管心距有关，辐射段尺寸受加热炉地基础、钢结构、燃烧器布置等影响。
　　某圆筒形立式加热炉热负荷为29.069MW，四管程，88根管，管外径127mm，管心距250mm，炉管压力降为3.1MPa。若辐射盘管改用外径152mm炉管，并加高1.5m,则只有72根管，管心距304mm，管内介质压力降减小到2.24MPa。但使用大直径炉管，须重新制作炉管吊钩和炉管拉钩，炉底导向管和转油线也应相应修改。
　　3.修正烟囱高度
　　烟囱的主要用途是安全有效地排放烟气。如果结构不合理，炉膛便产生正压而限制加热炉的操作。烟囱可通过增加高度或直径加以修正，但烟囱所受的风载荷会增加，故加热炉基础和钢结构的强度及稳定性须重新核算，以保证满足风载荷增加后烟囱的力学性能要求。
　　某装置有一台常压加热炉和一台减压加热炉，都采取自然通风，独立烟囱，对流段位于炉顶部，欲通过加高对流段来提高热负荷。为了减轻基础载荷，去掉各自独立烟囱，采用了一联合落地烟囱。因对流段烟气侧压力降较大，烟气排放不畅，减压加热炉内产生正压，于是在减压炉对流室上部安装一独立烟囱，抽力增大，解决了正压问题。
　　4.换用新型燃烧器或变自然通风为强制供风
　　燃烧器是加热炉的关键设备,自然通风的燃烧器需要更多的过剩空气，火焰长，通过燃烧器的空气压降为7.6～15.2mmH2O，燃烧空气被低速导入,很难与燃油充分混合。燃油的过剩空气系数为0.30～0.40；气体燃料为0.15～0.20。
　　强制供风的燃烧器压力降为50.8～152.4mm H2O，空气高速进入，湍流激烈，火焰短小有力,炉膛内炉管受热均匀，空气压力使燃料和空气充分混合，燃料油的过剩空气系数为0.10～0.15，燃料气的为0.05～0.10，燃烧充分，放射烟尘粒子减少，火焰形状和刚度易于控制，工作噪声低〔3〕。
　　减小过剩空气系数一般能节省燃料2%～3%。但对低氮燃烧器而言，其火焰很长，若过剩空气系数减小到设计值，则操作较困难。
　　以渣油为燃料的VI型或VIB型燃烧器负荷稍大时显得供风不足,燃烧不充分，火焰偏瘦,充满度偏小,使一部分二次风与雾化蒸汽未充分混合而进入炉膛。应适当增大雾化角或减小火道尺寸,以保证一、二次风的充分混合。
　　5.增设空气预热系统
　　这是加热炉常见的改造方式。烟气出口温度每下降35℃，热效率提高1%。如果烟气温度高于340℃，热负荷大于9.3MW，应在对流段和烟囱之间增设空气预热器预热燃烧空气，余热可以利用。同时要安装强制供风燃烧器、鼓风机或引风机、冷风道、热风道和烟道等。预热器用于中小型加热炉时,应尽量顶置,以简化结构,降低改造费用。一般靠炉子原来的烟囱自然排烟，应避免排烟温度接近露点温度,排烟温度以200～250℃为宜。
　　燃料中有6%～10%的硫燃烧后转化成SO3，继而生成硫酸。烟气内SO3含量越高，露点温度越高。管壁温度至少要高于烟气露点温度25℃。若燃料中硫含量小于1%，管壁温度最低为135℃；若燃料中硫含量为4%～5%，管壁温度最低为149℃〔1〕。
　　避免烟气露点腐蚀的措施有：用低压蒸汽或热油预热空气；用预热器出口高温空气循环预热进口空气，以保持较高的空气进口温度；采用低合金耐腐蚀钢或非金属材料。
　　6.应用高温辐射涂料增强换热效果
　　近几年来,在管式炉炉膛内表面喷涂高温辐射涂料,以增强辐射传热量。炉内壁常用的耐火材料(耐火砖、耐火混凝土和耐火纤维毡三大类)辐射系数小,而高温辐射涂料的幅射系数大,涂抹后会增加热源对炉壁的辐射传热量,使炉壁表面温度上升,达到增大炉管的传热量和加热炉的热负荷之目的〔3〕。