引言随着国家对能源消耗和环境保护的重视，节能减排成为全球范围内的共同目标。在工业领域，高耗能设备的节能改造尤为重要。工业生产中，加热炉的能源消耗量较大，对其进行技术节能改造具有重要意义。在石油和化学生产过程中，加热器是重要的能源消费单位，其单一能源消费量在整个生产过程中所占的比例高达30%。加热炉的热效率对炼化企业的能源消耗具有直接的影响，还对加热炉的生产成本有着重要的影响。通过优化措施提高加热炉的热效率，是降低生产成本、提高生产效益的重要措施[1]。加热炉的热效率是反映其工作状态的一个重要参数。文中对加热炉的能耗进行分析，明确其存在的问题和改造的必要性；介绍加热炉95+技术节能改造的原理和方法，包括燃烧系统和热工控制系统等方面的改进措施；对某石化2#重整装置对加热炉出现问题的原因进行分析，以95+高效超净加热炉节能技术为基础，制定加热炉维修改造策略，旨在提高加热炉热效率。1企业重整加热炉存在问题分析某石油化工厂2#重整装置加热炉存在问题有以下五点：第一，燃料气体组成复杂，热值偏低；第二，单个炉子的燃气量较大；第三，在加热炉的前部，低氮气喷嘴具有较高的炉压；第四，加热炉口有爆燃、烧尾等现象；第五，所述设备燃料气体的进口温度较低。炼油厂以天然气作为燃料，天然气用量为8 000~10 000 m3/h。由于天然气组成复杂，热值较低，单炉天然气的用量较大，造成了低氮燃烧器的炉前压较高。这不但对加热炉的出口温度及环境污染具有很大的影响，而且使加热炉的温度不能继续升高，单元的生产能力也不能再增加。该单元的燃气温度为40 ℃，炉温较低；在低气压下，凝结水的出口温度超过150 ℃，使凝结水的热能无法得到充分利用。2重整加热炉节能改造2.1改造项目2.1.1喷涂节能涂料LH-W-6型高温防辐射涂层是基于“二次辐射”（增强炉壁内面辐射率及辐射室换热）设计的一种节能型涂层。温度超过700 ℃时，窑内换热以辐射为主。高温炉膛内壁用耐火材料的黑度一般为0.6~0.8，随着温度的上升，黑度明显下降，采用LH-W-6涂层可以延缓这种下降趋势[2]。2.1.2将部分液化气补入燃料气系统为了提高燃气热值和防止燃气热值不稳定性引起的加热炉炉温波动，向燃气系统中添加一部分液化天然气。液化气补入燃料气系统流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.006.F001图1液化气补入燃料气系统流程2.1.3将重整进料换热器改为缠绕式与一般板式换热器相比，缠绕管式换热器具有工作温度范围宽、对热冲击的适应性强、热负荷自消除和结构紧凑等优点。缠绕管式换热器具有独特的结构，使其发展过程中几乎不存在流动死区；采用多股管道流动（壳层流动为单股管道流动），也能实现多种液体在同一装置中的换热。通过管-壳换热可以实现对反应产物废热的高效回收，提高进料温度，降低燃气消耗量，达到节能降耗的目的。2.1.4加热炉烟气余热回收流程改造常规加热炉烟气余热回收流程如图2所示。高温烟气经过余热回收系统与空气进行热交换，冷却成为低温烟气排出。高温烟气温度为360~380 ℃，而低温烟气温度为133~137 ℃。热效率可以达到为91.1%~93.3%[3]。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.006.F002图2常规加热炉烟气余热回收流程95+超净燃烧技术的关键：第一，采用复合腐蚀抑制型反应器对燃油进行预加热，降低硫化物（硫化氢、硫醇、硫醚、羰基硫等）、氨和氮化物等的排放量，实现SO2和NOx等污染物的源头减排；第二，利用空气进行热量交换，降低了二氧化硫和氮氧化物之类污染物的排放量；第三，利用空气和烟气进行换热，使烟气温度降低到80 ℃以下，以提高加热炉的热效率；第四，将引风机放在冷风预热器的前面，解决了冷风预热器在冷风温度较低时，引风机易腐蚀、结垢的问题；第五，对燃油气进行净化处理，使冷风预热器的露点腐蚀得到完全消除，保证了废热回收系统的长时间、平稳运转。加热炉的烟气从对流部分经引风机送入低温空气预热器，与周围空气进行换热，使其温度下降到80 ℃，再由烟囱排放；在加热前，周围空气被加热。95+重整加热炉装置工艺流程如图3所示。转化炉加热炉的燃料气离开液体分离器容器，经过冷凝液热交换器和高温燃料气预热器，将其加热到200 ℃以上。燃料气再进入复合缓蚀剂反应器，脱除硫化物和氮氧化物。提纯后的燃料气，会通过低氮燃烧器（而不是原本的普通低氮燃烧器），进入炉膛，燃料气和空气还会进入加热炉进行双重预热[4]。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.006.F003图395+重整加热炉装置工艺流程2.2技术调整内容为使加热炉的热效率得到全面提升，进行了一系列的优化改造。改造炉选取了3个关键的参数：炉内烟气含氧量、炉膛负压和辐射室出口温度。调整空气和烟气风阀的尺寸，通过与一些自制的液化气体混合改变燃料气的组成，从而提高其可操作性。通过调整炉膛中的含氧量、炉膛负压及喷嘴中的气压等，使辐射室出温区达到工业废气排放标准，并达到提高辐射室出温区效率的目的[5]。2.2.1控制烟气氧含量烟气中氧含量是影响加热系统正常运转的重要因素。若氧气含量太高，表示空气含量高，热损耗太大，使加热炉的效率降低。氧气浓度低于一定值时，说明空气通入量太少，导致火焰不能完全燃烧，使烟气中一氧化碳浓度升高。烟气中的氧气含量（对所有炉子都适用）一般为1.5%~3.5%。为了避免脱附气的干扰，可通过加入部分自制的液化天然气使燃气组成发生变化，从而减缓各炉的烟气氧含量变化。操作员应该采用平均测量值计算，平均测量值应为2.5%，并且保证最低处的空气中氧含量不低于1%。为了防止NOx、CO等污染物的排放超过环境要求，对加热炉的燃烧器进行了低氮改造。操作人员可通过控制挡板控制排烟口的含氧量，开启烟道挡板后，烟道中的氧气含量升高，使炉膛中的负压升高，但是这将使加热炉中的漏风部分及对流室内的换热性能降低，从而降低加热炉的效率。开启喷口挡板调整喷口的燃烧状态能够影响喷口的氧气含量。现场检验与堵料的关键在于调节喷口的火焰是否均匀，若发现多数喷口为高氧或低氧，则需要进行调整。2.2.2调整炉膛负压炉膛中的负压太大会使加热炉的效率下降；如果炉室中的负压太低，即使在有正压力的情况下，也极易发生回火现象。对于所有的炉子，该负压计的控制范围是30~70 kPa，最好能够将炉内负压维持在50 kPa左右，可以通过测定DCS炉子的负压、查看主水槽或火源位置判断。假如喷嘴的火焰出现飘忽不定的现象，说明炉膛负压较低，需要通过调整排气挡板开度控制炉膛负压，使其负压回到正常值。由于排气挡板的设置会对烟气中的含氧量产生影响，需要对加热炉一次风阀和二次风阀进行调整。炉膛负压调节主要依靠烟道挡板和一、二次风门的调节。现场操作员可以通过调节火嘴一次风门和二次风门与内部操作员相互配合实现最为合理的控制组合方式，并在调节结束时检查炉内燃烧情况以协助内部操作员校正[6]。2.2.3调整火嘴瓦斯压力喷口压力可以反映燃油气体从喷口喷射的速率。随着压力的增大，炉膛中的气体浓度增加，炉膛中的火焰也随之增大。DCS显示，主喷口的压力是控制阀和灶前阀的压力，最好是0.07~0.15 MPa，0.1 MPa附近的效果最好。在现场，主火嘴炉前压每次表控为0.02~0.10 MPa,推荐取0.05 MPa，同一座加热炉火嘴压尽可能保持一致[7]。应打开长明灯炉前阀，长明灯炉前压力控制为0.1~0.2 MPa，长明灯的压力通过自力式调节阀自动控制。现场操作员可以在炉前阀周围利用一次表判断，并结合火焰长度协助判断。在生产过程中，为了保证炉膛内气体压力不受外界因素的影响，需要在生产过程中对炉膛内各部位进行检测、密封。在每一个炉子的主喷口上安装两个预燃烧阀门。加热炉的第2个阀应全部开启，第2个阀的压力由第1个阀控制。在DCS系统中，煤气控制阀打开时，操作人员应密切关注煤气压力指示器的变化[8]。3优化改造前后效果对比在改进前和改进后，分别比较炉温、燃气量、炉前压和烟气温度。以某石化公司2#重整装置加热炉为例，分析在135 t/h、515 ℃时相同工况下的运行效率。3.1加热炉炉膛温度在重整装置反应温度和处理方式不变的条件下，加热炉系统优化改造前后炉膛温度对比如表1所示。与优化改造前相比，优化改造后平均炉膛温度从692.7 ℃降低到683.1 ℃，因此，炉膛温度降低了9.6 ℃，这与以前加热炉的出口温度一致[9]。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.006.T001表1加热炉系统优化改造前后炉膛温度对比加热炉位号优化改造前炉膛温度优化改造炉膛温度差值平均值692.7683.1-9.6加热炉F201665.6656.0-9.6加热炉F202723.4717.9-5.5加热炉F203700.7690.3-10.4加热炉F204681.0668.1-12.9℃3.2凝结水与燃料气节能换热项目温度将冷凝水和燃料气节能换热项目优化前后10 d的温度数据进行比较，凝结水与燃料气节能换热项目优化改造前后燃料气温度对比如图4所示。经过冷凝水和燃料气节能换热后，燃料气的温度提高了105.6 ℃。对炉膛煤气进行升温处理，可以明显地减少炉膛煤气的消耗。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.006.F004图4凝结水与燃料气节能换热项目优化改造前后燃料气温度对比3.3炉前压力选择加热炉优化改造前后30 d的数据进行比较，加热炉系统优化改造前后炉前压力的对比如表2所示。每个炉子的燃料气炉前压力均降低，平均降低了0.02 MPa。重整加热炉的脱焰和尾燃现象得到改善。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.006.T002表2加热炉系统优化改造前后炉前压力的对比加热炉位号优化前炉前平均压力优化后炉前平均压力差值平均值加热炉F2010.140.10-0.03-0.02加热炉F2020.140.12-0.02加热炉F2030.110.10-0.01加热炉F2040.130.11-0.02MPa3.4燃料气用量加热炉燃料消耗量降低的主要原因是这次大修采用了具有更高热负载的盘管式换热器。在优化改造前后，冷端材料传热后的温度相同，但热端温差从39 ℃降至26 ℃。因此，缠绕式换热器的传热效率高于进料板式换热器，加热炉的负载有所下降。加热炉优化改造前后燃料气使用量对比如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.006.T003表3加热炉优化改造前后燃料气使用量对比类型燃料气用量/(m3/h)产品燃料能耗/(m3/t)优化前4 6801 967优化后4 5121 887提高燃料气热值和进炉燃料气温度可以有效降低燃料气单耗[10]。在加热炉系统优化改造与调整后，加热炉燃料气用量明显下降，加热炉燃料气总用量由4 680 m3/h下降至4 512 m3/h，减少了168 m3/h。3.5热效率改造前后热效率对比如表4所示。经过改造后，加热炉排烟温度以及烟气中的含氧体积分数明显下降。这说明改造后的加热炉在排放烟气时，能够更有效地保留烟气中的热量，从而提高热效率。平均热效率提高了4.2%。改造提高了加热炉的热效率，实现了节能降耗的目标。排烟温度的降低意味着烟气排放时带走的热量减少，降低了能源的消耗。同时，烟气中含氧体积分数的降低也表明烟气中的氧气含量减少了，这也有助于提高燃烧效率，减少能源的浪费[11]。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.006.T004表4改造前后热效率对比项目排烟温度/℃含氧体积分数/%热效率/%（反平衡）改造前156.43.591.9158.64.891.0157.14.091.2改造后80.42.494.980.12.395.280.02.295.44结语加热炉95+技术节能改造具有显著的能源节约和环境保护效果。通过优化燃烧系统和热工控制系统，提高加热炉的热效率和能源利用效率，实现节能减排的目标。加热炉技术改造还可以提高生产效率，降低生产成本，增加企业竞争力，但在实际应用过程中可能面临一些技术难题和经济压力。企业进行加热炉技术改造时，需要充分考虑实际情况，进行全面的技术和经济评估，制定合理的改造方案。通过优化、改造和调整加热炉系统，使加热炉的燃气量下降了168 m3/h；排烟温度从157.4 ℃降到80.2 ℃，热损失减少；热效率从91.5%提高到95.2%，达到了提产增效的目的。加热炉95+技术节能改造是推动能源节约和环境保护的重要举措。通过技术手段降低能源消耗，提高生产效率，可以为企业带来经济效益和环境效益。