加热炉余热回收系统常用预热器选型
摘 要：加热炉是炼油企业的主要耗能设备。利用烟气余热回收技术可以在相当程度上降低加热炉排烟温度，使加热炉运行中的热效率得到相应的提高，进而提高能源利用率，这对于炼油企业降本增效具有非常重要意义。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，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：TQ 052 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2019）02-0431-03
Abstract： The heating furnace is a main energy consumption equipment in refining enterprises. The exhaust temperature of the flue gas can be significantly reduced by means of the waste heat recovery， thus the heat efficiency can be improved， which has the important meaning for reducing costs and improving efficiency in refining enterprises. The common waste heat recovery technologies for the heating furnace were analyzed in terms of principle，characteristics，applicability and energy-saving effect. It"s pointed out that， according to actual situation and energy conservation effect， different waste heat recovery technologies should be adopted on the basis of different exhaust temperatures.
Key words： Energy conservation effect; Heat efficiency; Waste heat recovery; Air preheater
加热炉作为在石油炼化和工业化学品生产行业的加工装置的主要能耗设备，它消耗的燃料在整套运行装置中的能源消耗比重比较大，平均占到 39%，加热炉在装置运行时能量利用率的高低影响着炼化生产单位的生产状态和盈利状况。但与此同时，也不能盲目单一追求过高的热效率，使得一次投资过高或产生尾部换热面低温露点腐蚀与粘灰堵塞的情况，影响整个装置的长周期安全生产。以下生产线中的加热炉燃料消耗量，占整个生产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%，連续重整装置约 为 82%，柴油加氢装置约为30%[1]。所以，将加热炉在运行过程中的能量利用率在一定范围内合理提高，以此手段来降低加热炉燃料消耗量，对于响应习近平总书记“绿水青山就是金山银山”的口号、落实各地方政府“节能减排”政策、优化炼油化工企业生产商的经济效益和改善地方环境水平，都有着非常积极的作用。
1 余热回收技术
能量利用率是评价加热炉在设计层面上合理性与经济性的一个关键因素， 炼化装置加热炉运行时热量利用效率直接影响着炼油装置运行时能量消耗的多寡，将石化加热炉能量利用率适当提高，即意味着减少燃料的消耗量、降低生产成本、减小装置在生产运行过程中的能量消耗。将加热炉运行能量利用率提高的目的是为了减少能量消耗，而炼化装置中的加热炉可以采用的节能解决方案，比一般工业用炉可选择的手段更多，因为经过的传热流体介质，在进入其他环节完成蒸馏或后续加工工序之后，需要将介质热量减小到一定程度才可以流出装置进入下一个环节。一系列复杂的热交换过程往往在温度较低的原料和温度较高的产品之间发生。一套装置内通常有多台加热炉，除此之外，还有各种其它的热量交换器，可以将热量在它们之间循环利用以提高能量利用率。
优化加热炉运行时的热量利用率常用手段，主要有使排烟时的温度尽可量低、使过剩空气系数尽量小、避免不充分燃烧、降低能量在传递过程中的耗散等。上面提到的这几种解决方案中，烟气中剩余热量的回收和二次利用、减少排烟带走的热量是实际设计过程中优化加热炉热量利用率、减少加热炉运行时能量消耗的最可靠和最稳定的成熟解决措施。
将烟气的余热进行回收来提高加热炉热效率的手段非常多：尽可能的降低对流室末端的温差;在对流室的尾部引入其它需要加热的低温流体介质;将烟气余热锅炉外置进而产生蒸汽;设置空气预热器以对燃烧用空气的温度升温以达到预热的目的等。其中炼油装置中经常采用的就是设置烟气-空气热量交换器来对空气进行预热的方案。本文重点阐述烟气-空气热量交换器的各种方案。
收集并利用烟气剩余热量将燃烧用空气升温的方案五花八门，但具体可将其分为用烟气的热量间接将空气升温预热和用烟气的热量直接将空气升温预热两个种类。
把烟气的热量间接传递给空气并使其升温的方案可分为工艺分支物流预加热空气、冷进料热油预加热空气、热载体预热空气等等。各种烟气间接预热空气方案的不可替代的优越性和先进性体现在，将液体介质引入烟气和空气中间，在气相和液相之间进行热量的交换过程，管束外的介质为气相，可以将钉头或翅片设置在换热管上来使传热面积增大进而加强传热效果，进而使材料面积减小。可是，烟气热量间接传给空气预热的缺点也无法忽略，它在实际过程中通常都会因工艺流程的因素而产生约束，很难独自成为体系，而且还会使实际生产过程中的工艺操作难以掌握。所以，只有在特殊介质载热体炉和塔底二次沸腾炉使用热载体对空气进行预热方案，间接预热空气的方案在新建的炼油化工装置项目中一般都不予考虑。
烟气直接预热空气的方案就不需要热量交换第三方介质，烟气可以直接经过热量交换器的交换面，将热量传递给空气。虽然存在气相给气相传热效率低的短板，可是它不受其它工艺过程的影响，独自成为一个孤立的体系，就算是余热回收系统发生故障停止工作时，也不会使整个的工艺过程和装置的运转流程受到波及，所以，它在石油化工装置的管式炉上得到了非常普遍的应用[2-4]。
由于不同类型剩余热量再利用技术设备的构造与运行机理以及适用条件不一样，下面主要探讨钢管形式的烟气-空气热量交换器、热管形式的烟气-空气热量交换器、板状形式的烟气-空气热量交换器、铸铁形式的烟气-空气热量交换器等剩余热量回收技术和设备。
2 常用预热器的类型
2.1 钢管式空气预热器
钢管式空气预热器具有构造形式简单、制造加工方便、市场价格低廉等优越性;但其不足之处是进行热量交换时，热流量密度相对来说不大，而当量直径尺寸较大，需要的几何面积或空间较多，特别是在低温工况运行的情况下，其受热面因积灰导致堵塞与露点腐蚀问题较为严重。
即便在设计过程中可以采用各种措施降低低温露点腐蚀的程度，但除了过多地提高排烟温度、降低热效率外，露点腐蚀和积灰堵塞仍然存在。所以在设计之初，预热器低温部位受热面的检查、积灰的清理和零部件更换等问题应要充分考虑。对于上置式空气预热器，设计的结构应便于从侧面抽出，这样可以在不起吊烟囱和钢构件的前提下对钢管进行更换。
由于预热器的受热面采取了可拆卸结构，并且构件的热膨胀也要考虑进去，所以各连接部位的密封应特别注意。如果烟气中混入空气，就会大大降低烟气的温度，造成不必要的露点腐蚀与积灰堵塞。
2.2 热管式空气预热器
热管是一种热效率很高的传热元件，管的两端为密封形式，并将管内抽成真空后引入工质。当加热管的一端（热端）时，工质开始吸热，并蒸发，然后向另一端（冷端）流入，在冷端，工质将吸收的热量传递给管外的冷介质，从而产生冷凝液，冷凝液又流回热端，再吸收热量并蒸发，循环往复，将管两端的热量进行传递。由于工质在温度不变时汽化过程中所吸收的热量数值比较大，所以在非常微小的温差工况下就能来回传递管子两端大量的热量。将若干根上述熱管按照一定形式排列组装起来，就组成了热管空气预热器。热管式空气热量交换器的一般构造，主要包括热交换管管束、热量阻隔板和外壳三个基本部分。这三部分组成了烟气和空气的通道。蒸发发生段与冷凝发生段用隔板将热管隔离，与此同时，烟气通道与空气通道也被隔离开来。由于烟气侧的压力为负（微真空状态），空气侧的压力为正（微正压状态），所以隔板与热管之间需要严格密封，一旦有空气大量地流进烟气，就会大大降低了热效率。
从以上的热管工作原理叙述中可知，它利用的是蒸发与冷凝两个换热效率很高的相变传热过程和一个流动与热力阻力极小的流动过程，所以具有极好的传热性能。相变传热的条件只需极小的温差，且传递的是汽化潜热，其传热量比显热大几个数量级。而且热管在轴向方向的导热热阻非常小，且对管长的敏感性极小，几乎是一个不变的常数。传热流程尺寸越长，采用热管的优势越明显。
2.3 板式烟气-空气热量交换器
板式空气热量交换器的传热的核心元件是板片。传热的板片为波纹制式的薄金属板。波纹不但可以使传热效果得到强化，还可以在一定范围内使薄板的许用强度和刚度提高。波纹还可以促使介质的流态逐渐摆脱层流，而趋向湍流，可以减小沉淀物和污垢的形成的概率，起到一定的自清灰效果。若干板片按照一定规律排列组合，组成板束。板束主要有可拆卸的夹紧式与不可拆卸的焊接式两类结构。一般地，可拆卸的夹紧结构用于温度低于250 ℃，设计压力低于2.5 MPa时的设计工况。板式空气热量交换器的操作压力并不高，一般情况下，在低温段工况下运行时主要采用可拆卸的夹紧结构，更有利于在进行清洗或者更换被腐蚀了的板片时拆开板片。不可拆卸的焊接结构一般应用于板式空气预热器的高温段，其原因是由于在高温段工况下，较少发生积灰情况，或积的是干灰，吹扫清理比较容易;另一个原因是避免在高温工况下损坏夹紧垫片，导致空气流入，使传热效果大打折扣。
板状形式的烟气-空气热量交换器中，气流在两板之间流动，气体流动通道的流动阻力几乎可以忽略不计， 所以其气体侧压降与其它类型的空气预热器相比较要小很多。板状形式的烟气-空气热量交换器气流流动截面面积，仅相当于进出口截面面积的一半， 截面的变化程度不大; 热量传递板片与管子比较亦不一样，板片的进口处和出口处可以很方便地加工成流线形状， 所以，由于截面的变化而产生的局部阻力系数基本为零。一般情况下， 板状形式的烟气-空气热量交换器的沿程阻力，约等于同样流通长度管束式烟气-空气热量交换器的2/5～3/5， 这对于风机减少动力消耗， 降低成本大有裨益。
2.4 铸铁空气预热器
铸铁空气预热器具有独特的铸铁翅片结构，传热表面包括了几排水平铸铁管，互相叠加，烟气在管外侧垂直向下流过。空气在管子内部以交叉和逆流的方向流过，管排都是独立的，提供了多管程的布置，保证了最大的传热面。低温炉管外侧翅片，内侧光滑，在接近露点时提供较高金属温度，整个烟气外表面的垂直翅片成线性布置，全部的表面被烟气扫过，因此不易积灰，可以长时间不做清扫处理。
铸铁段通常采用灰铸铁，其材质自身的物理特性，使其具有较好的弹性、耐高温性以及对大部分侵蚀金属的化合物具有惰性，因此灰铸铁比钢材质的部件在相同的操作条件下具有更长的使用寿命，即使铸铁和钢部件具有相同的厚度。另外，灰铸铁在特殊加工后，比球墨铸铁拥有更好的抗腐蚀性，但需要注意的是，铸铁本身并不能彻底解决腐蚀问题[5-7]。
3 结 论
受国内外能源供需形势的影响，能源供应紧张，降低能耗提高能源利用率已成为石化行业当务之急。炼油化工装置中加热炉是该行业的主要耗能设备之一，如何设计好利用好余热回收系统以提高加热炉的热效率，进而提高能源利用率，优化炼油化工企业生产商的经济效益和能效水平都有着十分深远的意义。。
炼油厂很多装置的圆筒炉和立式炉的对流室和烟囱位于辐射室上部，预热器直接放在对流室顶部，称为上置式;将空气预热器置放于炉侧地面的基础或钢架上，先引出对流室里的烟气，通过空气热量交换器和新风引入机后，再将烟气通过烟囱排出的，叫下置式。上置式空气预热器的优越性是占用面积小，构造简单，利用烟囱的自然抽力抵消由预热器和加热炉其他部位产生的阻力，无需引风机，故节省耗电量，操作成本低。不足之处是预热器的荷载由加热炉框架本体承受，旧加热炉改造时需对炉框架强度进行核算，必要时还要加强炉体钢架结构;而且预热器的位置在炉顶，增加了更换和检维修难度，也不能抛开预热系统对加热炉进行独立操作。下置式空气预热器的优越性体现在空气预热器在更换和检修时比较简便、操作过程灵活;但占地面积较大，钢材消耗量和资金投资均较多。
良好的余热回收系统方案设计除占地、预热器的烟气适应性、压降、所需抗露点腐蚀性能、安装、检修是否方便等以外还应考虑以下原则：
1）在选用余热回收系统方案时应通过详细的技术经济比较论证来确定。選用的解决方案在技术上应是安全可靠成熟，且能满足长时间的运转周期要求;经济上通常要求三年内回收投资成本;
2）所选用的余热回收系统方案必须满足当地政府部门环保的要求;
3）在选用余热回收系统方案时，应优先考虑充分利用对流室的受热面，降低排烟温度的措施方案;
4）决定余热回收方案选取的关键因素是烟气侧换热面低温露点腐蚀与积灰堵塞，在选用余热回收方案，确定设计结构与参数时应给予足够的重视。
从中我们可以看出，选择空气预热器需要根据场地面积、预热器的烟气适应性、压降、所需抗露点腐蚀性能、安装、检修是否方便等来综合考虑。
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.
[2]郑平，马贵阳.冻土区埋地输油管道温度场数值模拟的研究[J].油气储运，2006，25（8）：25-28.
[3] 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.
[4] 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.
[5] 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.
[6] 黄双， 康强利 ， 刘新轩 ，等.板式空气预热器在芳烃加热炉的应用 [J]. 石油化工设备 ，2005，34（2）： 57-58.
[7] 周建新， 宋秉棠，陈韶范，等.板式空气预热器的推广应用[J]. 石油化工设备技术，2007，36（1）： 68-70.
下一篇：浅析钢结构连接中的焊接特性