煤浆加热炉余热回收系统问诊及效率提升研究

杜海胜，陈胜利

(1.中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室，北京 102249；2.中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

加热炉燃料消耗是石油化工厂的能耗大户，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%，连续重整装置约为 82%，柴油加氢装置约为30%[1]。加热炉在装置运行时能量利用率的高低直接影响着化工产业的生产状态和盈利状况[2]。在当前国家实现“碳达峰、碳中和”背景下，如何提高加热炉热效率，控制能源消耗总量和单位产品能源消耗，已成为石油化工行业的重要议题[3]。煤直接液化项目为世界首套商业化运行的百万吨级示范工程，于2008年12月30日建成投产，装置反应进料煤浆加热炉消耗燃料气占煤直接液化装置总能耗的90%以上。加热炉配套余热回收系统与加热炉同步配套建设，用于加热各等级蒸汽和加热炉用空气，原设计加热炉烟气最终排放温度为150 ℃，而目前实际运行温度接近220 ℃，高于设计值近70 ℃，造成了热量浪费，针对此问题，本文通过系统核算剖析、空气预热器应用技术现状对比、升级路线设计以及效益评估等方面展开研究，提高加热炉热效率。

1 系统核算剖析

1.1 煤浆加热炉运行核算

煤直接液化装置煤浆加热炉由三台四管程双面辐射箱式炉并联组成，卧式炉管，流程示意图如图1所示。所用燃料为经过脱硫处理后的煤液化装置净化干气，组成见表1。

从燃料气组成体积分数来看，氢气占1/2以上，甲烷约占1/4，剩余主要为乙烷组分，硫含量为5.75 mg/m3，较为清洁。

表1 燃料气组成 %

图1 煤浆加热炉流程示意图

煤浆加热炉设计燃料放热量为114.081 MW，烟气量44.195 kg/s。煤液化加热炉满负荷运行期间，燃烧气使用量为14 000 m3/h(标准)[4]。燃料气低位发热量计算公式：

Q1=∑XiQ1i

(1)

式中：Q1为燃料气低热值，kJ/m3(标准)；Q1i为单一气体的低热值，kJ/m3(标准)。通过式(1)计算得出该加热炉实际运行放热量为11.443 MW。

在有元素分析数据的情况下，按可燃元素燃烧反应的化学平衡式和空气的质量百分组成，根据公式V0=∑XiV0i计算出理论空气量。为了保证完全燃烧，必须有足够的过剩氧，即必须有足够的过剩空气，实际空气量V=aV0,该计算取过剩空气系数α为1.2，计算得出实际空气量为V=aV0=1.2×95 438.238=114 525.886 m3/h(标准),依据公式L=1.293V(273/(t+273))换算为标准工况下实际质量空气量L=1.293×114 525.886×(273/(0+273))=148 081.971 kg/h=41.134 kg/s。

烟气量包括燃料本身质量、实际空气量。Gg=L+W=41.134+2.311=43.444 kg/s。

通过以上计算值与设计值比较，加热炉在满负荷运行时烟气量基本达到加热炉设计负荷要求。

1.2 余热回收系统核算

煤直接液化装置为了充分利用烟气余热，降低装置能耗，装置内的3台油煤浆进料加热炉排出的高温烟气集中设置了一台烟道式余热锅炉回收热量，余热锅炉入口烟气温度693 ℃，出口烟气温度为353.3 ℃，排烟至尾部的空气预热器，烟气量为129 016.9m3/h(标准)，热负荷为18 093.5 kW(6 513.7×104kJ/h )。

余热锅炉设有高压蒸汽发生器，汽包位于18 m框架平台上，内部设有水下孔板和均汽孔板，采用自然循环方式，由3根下降管及3根上升管组成。汽包进水为高压除氧水，生产3.5 MPa高压饱和蒸汽然后过热到420 ℃送往管网，为了防止过热蒸汽超温，在饱和蒸汽过热前设置了除氧水喷水减温器。余热锅炉同时还分别过热装置内蒸汽发生器产生的1.1 MPa中压饱和蒸汽和0.45 MPa低压饱和蒸汽。与蒸汽换热后的低温烟气再与加热炉用空气进行换热，提高加热炉用空气温度。该空气预热器壳体内部为管壳和内部工作液体(工质)组成。余热回收系统图如图2所示，余热回收系统实际运行数据与设计值对比见表2。

从表2中可以看出,加热炉高负荷期间实际运行期间烟气量与设计量基本相当，烟气换热量越大，烟气温差就越大；将①-⑥看作烟气与蒸汽换热的整体，该余热回收系统在实际烟气量与设计值相当的情况下，烟气入余热回收系统入口实际温度比设计值高31.7 ℃，空气出空气预热器实际温度比设计值低40 ℃，相当于烟气温差比设计值低了60 ℃，说明烟气与蒸汽换热量比原设计要低，这主要是由于实际运行工况与设计值以及上游工艺装置系统改造后引起蒸汽量发生变化所导致；从空气预热器段⑥-⑦出入口来看，空气预热器烟气给空气加热，烟气侧设计温差为203.3 ℃，而实际温差为168 ℃，温差降低35.3 ℃。空气侧设计温差为240 ℃，实际为180 ℃，温差降低60 ℃。说明空气预热器换热能力较原设计偏低。

1.3 空气预热器换热效率分析

根据现运行的空气预热器内部检修情况，结合有关文献研究报道，空气预热器换热能力下降的原因主要为以下几个方面：

(1)部分热管出现了爆管现象。据文献[5]研究，热管式空气预热器适用于温度低于350 ℃的工况，而该空气预热器在高负荷时入口烟气温度近400 ℃，造成管内的压力剧增，部分热管爆管失效。

(2)热管出现了严重积灰现象。烟气中的微小颗粒杂质、燃料气中的硫燃烧后生成的二氧化硫及三氧化硫、腐蚀产物和水蒸气混合冷却形成黏结性的不易清除的污垢，使得热管传热效率下降，造成热管的余热回收能力下降[6]。

(3)根据罗桂梅等分析，该类热管式换热器换热面积偏小，列管有一半的管壁为背风面，使得其有效的换热面积仅为一半左右[7]。

图2 余热回收系统示意图

表2 余热回收系统实际运行数据与设计值对比

2 提升余热回收系统能效方案研究

针对上一节对排烟温度高的原因分析，余热回收系统中烟气与蒸汽换热部分由于受上游工艺装置改造所限，在蒸汽指标满足要求的情况下难以再次进行改造，故在此本文将针对提高烟低温烟气与空气换热量来开展研究，进而提高加热炉热负荷，降低加热炉燃料气消耗量。

据杨伟新研究报道，加热炉烟气热损失通常占炉子总供热量的1/3～1/2。因此，回收利用烟气余热，是降低炉子燃料消耗最为有效的手段[8]，预热器每回收一大卡的物理热，则可等效于2大卡的化学热。燃料的发热值越低，排烟温度越高时，其所等效的值越大，但当预热温度接近于烟气温度时，预热器的平均温差和传热系数下降，但预热器面积和投资激增。因此，在对现有装置改造时，需要结合现场空间位置，选取换热效率高的空气预热器尤为关键。据文献检索报道，目前低温段烟气与空气换热的技术主要有高效不锈钢板式空气预热器、高温段不锈钢+中温碳钢+低温玻璃板以及热媒换热技术等。

2.1 高效不锈钢板式空气预热器

板式空气预热器应用波纹补偿器防止高温变形，低温侧管道特殊设计防止低温腐蚀等技术，传热效率比热管式提高近1倍，在实际生产中具有良好的效果。根据实际运行工况分别设计了不锈钢高温和低温换热段。使用不锈钢材质，具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性，使用温度可达700 ℃，甚至更高。传热板片之间采用全焊接方式连接，且制成品出厂前均须验证密封性，避免人工焊接时焊缝不均匀导致的泄露失效；可根据烟气温降，逐级分段安装，结构更加紧凑，传热效率更高,使用寿命更长。各换热段均以模块化形式组装，提高空气预热器安装效率，维护简便，维修成本低[9]。板式换热器工作原理图如图3所示。

图3 板式换热器工作原理图

2.2 高温段不锈钢+中温碳钢+低温玻璃板空气预热器

该预热器充分考虑烟气在流通换热过程中温度变化而设置，在高温段为提高性能，采取了不锈钢，在中温段为降低投资，采取了碳钢材质，低温段充分为了将烟气排放温度降低后而不发生露点腐蚀，采取不发生腐蚀的玻璃材质。据报道，该技术使用业绩达40家，设备抗酸性腐蚀强，维修及配件更换成本低；组合板式空气预热器高温段及低温段换热模块均采用较大板间距的平板式换热器组成，低温段支持水冲洗及化学清洗，可以有效地减缓预热器积灰堵塞情况的发生；玻璃板式换热器与管束式换热器相比(包括玻璃管束)，单位体积能提供的传热面积要大1.7～5.5倍。结构紧凑度高，占地面积仅为热管式/光管式的1/2左右，紧凑性高于玻璃管式30%。单位体积能提供的传热面积大；结构紧凑度高，占地面积小[10]。

玻璃板式管式空气预热器结构示意图如图4所示。

2.3 热媒换热技术

热媒换热技术分为无机传热技术和水热媒技术两种不同工艺方式。在无机传热工艺中，把无机元素加入加热炉，利用金属设备的导热能力，充分发挥无机元素的无机传热性质，能够有效回收加热炉中的余热。水热媒工艺是利用除盐水和除氧水等物质在加热炉内形成一个循环系统，这个系统是封闭式的，主要加强对加热炉中烟气的吸收，从而将烟气的热量充分吸取，提升空气的燃烧效率。该工艺比较简单，有十分方便的操作装置，对加热炉余热进行吸收。水热媒装置可以根据现场情况将烟气换热器和空气预热器分开布置,烟气和空气的流向也可灵活布置，排烟温度和热风温度可以灵活控制，调整烟气换热器的热媒水的进口温度高于露点温度，就可避免露点腐蚀的发生，因此排烟温度可以比同样材质的管式空气预热器低15 ℃左右，从而可以大幅度提高加热炉效率[11]。典型的水热媒技术原理图如图5所示。

图4 玻璃板式管式空气预热器结构示意图

图5 典型的水热媒技术原理图

综上分析，三种换热器中，高温段不锈钢+中温碳钢+低温玻璃板空气预热器，排烟温度降低的幅度也比板式空气预热器和热媒技术的要大，换热效率最高。从投资成本上看，板式不锈钢换热器造价较高。从露点腐蚀考虑来看，热媒换热器难以避免露点腐蚀，需要将排烟温度控制在露点腐蚀温度以上，同时，热媒换热需要通过加热工质热媒间接为空气加热，热效率相对要低。结合装置生产实际需求和现场位置，本文中加热炉空气预热器拟选取高温段不锈钢+中温碳钢+低温玻璃板空气预热器进行改造。

3 空气预热器升级核算及效益评估

3.1 热负荷回收核算

根据目前煤浆加热炉空气预热器烟气量为126 562.6 m3/h(标准)，入口温度385 ℃，拟采取高温段不锈钢+中温碳钢+低温玻璃板空气预热器工艺技术，预热器构造及材质采取：高温段材质304，板厚1.0 mm，中温段材质Q235B，板厚1.2 mm，低温段材质特种耐热玻璃，板厚3 mm，改造费用近800万元。依据文献[12]中燃料气总硫含量与烟气露点温度对照表见表3，燃料气中硫含量为5.75 mg/m3，查询的该烟气露点腐蚀温度约为95 ℃。为避免计算理论带来的偏差，该预热器排烟温度按照120 ℃(冬天约105 ℃)设计。

表3 燃料气中总硫含量与烟气露点温度对照表

按照热效率90%计算，预热器改造后，预热器热负荷将达到11.76 MW，比现有预热器热负荷将提升2.62 MW，提升率达28.7%，加热炉总热效率提高2.3%。烟气压降约为1 800 Pa，增加300 Pa，在现有引风机压力负荷范围内，空气出口温度将达到300 ℃。

3.2 效益评估

空气预热器升级改造后，天然气低位热值按照35.88 MJ/m3计，年节约天然气量为2.62×3 600/35.88×7 440=195.6万m3，每立天然气按照1.7元计算，年节约燃料气费用为332万元。通过此改造后，折合烟气排放量降低约3 391 kg/h，环保效益非常可观，实现了经济效益和环保效益双丰收。

4 结 论

经过对煤浆加热炉、余热回收系统核算剖析以及对余热回收提升方案进行研究，得出如下主要结论：

(1)煤浆加热炉在满负荷运行时烟气量基本达到加热炉设计负荷要求。

(2)空气预热器入口温度偏高是由实际运行工况与设计值以及上游工艺装置系统改造后引起蒸汽量发生变化所导致，此部分受上游系统运行所限，暂无法改造提升。

(3)空气预热器内部热管换热能力较原设计下降，主要是由于部分热管出现了爆管、积灰，同时列管有一半的管壁为背风面，使得其有效的换热面积仅为一半左右。

(4)高温段不锈钢+中温碳钢+低温玻璃板空气预热器换热效率最高，投资低，排烟温度露点腐蚀要求低。

(5)煤浆加热炉空气预热器升级后，该预热器排烟温度降低至120 ℃，比现有预热器热负荷将提升2.62 MW，提升率达28.7%，加热炉总热效率提高2.3%。

(6)据测算，通过本研究优化后，煤浆加热炉年节约天然气量为2.62×3 600/35.88×7 440=195.6万m3(标准)，年节约燃料气费用为332万元，烟气排放量大约降低约3 391 kg/h，经济效益和环保效益十分可观。