管式加熱爐設(shè)計和應(yīng)用第八章

管式加熱爐設(shè)計和應(yīng)用第八章第1頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月第八章加熱爐的發(fā)展趨勢及技術(shù)交流8.1煙氣減排

8.1.1新標準發(fā)布

新建企業(yè)自2015年7月1日起，現(xiàn)有企業(yè)自2017年7月1日起，其水污染物和大氣污染物排放標準按新標準GB31571-2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標準》的規(guī)定執(zhí)行，不再執(zhí)行GB16297-1996《大氣污染物綜合排放標準》和GB9078-1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》中的相關(guān)規(guī)定。目前石化企業(yè)廢氣主要污染物除特殊工況外可以做到達標排放，如果按照新標準中規(guī)定的特別限值要求，將有近半數(shù)的硫磺尾氣和加熱爐煙氣存在不能穩(wěn)定達標的情況。為了滿足新標準，企業(yè)需要開展新一輪的技術(shù)進步或者為達標升級做好技術(shù)儲備。

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自2015年7月1日起，新建企業(yè)執(zhí)行表8-1規(guī)定的大氣污染物排放限值。

表8-1大氣污染物排放限值

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在國土開發(fā)密度已經(jīng)很高、環(huán)境承載能力開始減弱，或大氣環(huán)境容量較小、生態(tài)環(huán)境脆弱，容易發(fā)生嚴重大氣環(huán)境污染問題而需要采取特別保護措施的地區(qū)，企業(yè)執(zhí)行表8-2規(guī)定的大氣污染物特別排放限值。

表8-2大氣污染物特別排放限值

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新標準常規(guī)大氣污染物排放標準根據(jù)國內(nèi)石油化工生產(chǎn)的實際情況，按工藝加熱爐、乙烯裂解爐和有機廢氣收集處理系統(tǒng)分類，常規(guī)污染物二氧化硫按燃燒經(jīng)脫硫后燃料氣可達到的二氧化硫濃度取值；氮氧化物按采用國內(nèi)可達到的低氮燃燒技術(shù)取值，特別排放限值按國外先進的低氮燃燒技術(shù)取值。常規(guī)大氣污染物排放標準與現(xiàn)行標準比較見表8-3。

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表8-3新標準常規(guī)大氣污染物與現(xiàn)行標準的比較

序號廢氣排放口新標準（排放限值）GB9078-1996（工業(yè)爐窯）GB13271-2014（鍋爐）（燃氣鍋爐排放限值）二氧化硫氮氧化物二氧化硫煙塵二氧化硫煙塵氮氧化物新源新源二級三級二級三級新源新源新源1工藝加熱爐10015085012002003005020200

單位：(mg/m3)

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8.1.2

煙氣主要污染物

管式爐排煙對大氣的污染，主要是硫氧化物、氮氧化物和顆粒物。燃油和燃氣中的機械雜質(zhì)比較少，燃燒也比較完全，因此顆粒物的排放并不嚴重。故煉油加熱爐通過煙氣排放的主要污染物是SOX和NOX。煉油加熱爐使用的主要燃料是煉油裝置自產(chǎn)的殘渣油和副產(chǎn)氣，這些燃料的主要成分是碳氫化合物，也不同程度地含有硫化物和氮化物。硫化物，無論是有機的還是無機的，在燃燒過程中，硫都會被氧化成SOX，其中主要是SO2。當(dāng)爐膛內(nèi)有過剩氧的存在時，一部分(約1%~3%)SO2將進一步氧化成SO3。SO3將與水蒸氣在400℃以下生成硫酸蒸汽。硫酸蒸汽會在加熱爐低溫換熱面和爐壁板上冷凝生成稀硫酸造成露點腐蝕。

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燃燒過程中生成的NOX中，90%以上是NO。在較低溫度下，NO氧化成NO2。NO生成的機理有3種：快速轉(zhuǎn)化型P-NOX(PromptNOX)是富烴類燃料燃燒時空氣中的N2和O2在火焰面內(nèi)高溫下快速生成的；熱轉(zhuǎn)化型T-NOx(ThermalNOX)是火焰面下游空氣中的N2和O2在高溫下反應(yīng)生成的；燃料轉(zhuǎn)化型F-NOX(FuelNOX)是燃料中的氮化物燃燒時轉(zhuǎn)化生成的。

NOx中的NO是無毒的，但它很容易進一步氧化成毒性的NO2。NO2會損傷深部呼吸道，重者可致肺壞疽，NO2還對黏膜、神經(jīng)系統(tǒng)和造血系統(tǒng)造成損害，吸入高濃度NO2會造成窒息。

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8.1.3

煙氣減排措施

減少污染物排放的措施可以在三個階段采?。喝紵皩θ剂线M行預(yù)處理，燃燒過程中減少污染物的生成，燃燒后對煙氣進行后處理。

1）燃燒前對燃料進行預(yù)處理

燃料預(yù)處理主要是脫硫和脫氮。

石油中的硫化物主要是噻吩類硫(噻吩類、苯噻吩類、二苯噻吩類、苯荼噻吩類等)，約占石油中總硫的50~70%，其次是非噻吩類硫(硫醇類、硫化物和二硫化物)。含硫原油各餾分中硫的分布是餾分越重含硫量越高，絕大部分硫都集中在渣油中。在加氫處理過程中各類硫化物生成相應(yīng)的烴類和H2S。H2S進入副產(chǎn)氣中后，再到氣體脫硫裝置脫除。

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石油中的氮化物大部分是雜環(huán)化合物，非雜環(huán)化合物數(shù)量較少，主要是脂肪族胺類和腈類。雜環(huán)化合物可以分為堿性和非堿性兩大類，其基本單元是吡咯和吡啶。隨著餾分變重，吡咯環(huán)和吡啶環(huán)分別并上一個、二個或多個苯環(huán)。與硫在石油餾分中的分布類似，餾分越重含氮量越高。石油餾分中的氮化物加氫脫氮后生成相應(yīng)的烴類和氨，氨進入副產(chǎn)氣中再到氣體脫硫裝置脫除。

氣體脫硫裝置一般采用胺法脫硫，即用濃度為30%左右的胺液吸收氣體中的H2S，胺液再生時將H2S釋放出來，成為高濃度的H2S酸性氣體，酸性氣體再到硫回收裝置還原成硫磺。用胺法脫硫可將煉廠氣和天然氣中的H2S分別脫到30~50mg/m3和20mg/m3，實際操作中可以脫到10mg/m3以下。胺法脫硫工藝流程比較簡單，投資也不算高，但它不能脫除氣體中的有機硫。有機硫一般用水解法或加氫處理才能脫除，但投資比較高。一般有機硫含量不高時都不用脫除，只限制氣體的總硫。

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氨溶解于水，煉廠氣中的氨在胺法脫硫時基本上溶解于胺液的水中被脫除。

2）燃燒過程中減少污染物的生成燃料中的硫化物和氮化物在燃燒時分別生成SOX和NOX。這些燃料轉(zhuǎn)化型F-SOX和F-NOX在燃燒過程中是很難減少其生成量的，只能通過燃料脫硫、脫氮才能有效減排。但空氣中的氮燃燒時生成的快速轉(zhuǎn)化型P-NOX和熱轉(zhuǎn)化型T-NOX可以通過控制燃燒過程來減少其生成量。

在燃燒過程中,主要是采用各種方法，減緩燃燒速率和燃燒強度，降低燃燒區(qū)的溫度，從而減少NOX的生成。這就是各種低NOX燃燒器設(shè)計的基本理念。

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第一代低NOX氣體燃燒器是空氣分級氣體燃燒器，其煙氣中NOX的濃度降到140mg/m3左右。

第二代低NOX氣體燃燒器是燃料分級燃燒器，其煙氣中NOX的濃度降到80mg/m3左右。第三代低NOX氣體燃燒器是煙氣內(nèi)回流低NOX燃燒器，可將煙氣中NOX的濃度降到50mg/m3左右。目前使用的低NOX燃燒器大都采用這項技術(shù)。本世紀初投入工業(yè)使用的強化煙氣內(nèi)回流低NOX氣體燃燒器，煙氣中NOX的濃度已下降到了35mg/m3以下。低NOX重油燃燒器是本世紀初才開始研發(fā)和投入工業(yè)使用的。低NOX重油燃燒器主要是采取空氣分級供應(yīng)的辦法來降低NOX生成量，已取得降低氮氧化物20%~30%的顯著效果。燒含氮0.3%(質(zhì)量分數(shù))的重油，常規(guī)燃燒器煙氣中的NOX濃度一般在600mg/m3以上，而空氣分級低NOX第12頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月第八章加熱爐的發(fā)展趨勢及技術(shù)交流

重油燃燒器煙氣中的NOX濃度在400~500mg/m3范圍內(nèi)。爐外煙氣回流，將燃燒空氣中的氧濃度降到16%~18%，對燃油燃燒器減排肯定會有幫助，但目前尚未見工業(yè)應(yīng)用的報導(dǎo)。

歷經(jīng)三十來年的研究和開發(fā)，氣體燃燒器的NOX減排技術(shù)基本上已臻完善。而重油和渣油燃燒器的NOX減排技術(shù)尚處在初級階段。第13頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月第八章加熱爐的發(fā)展趨勢及技術(shù)交流

3）燃燒后對煙氣進行后處理

燃燒后的煙氣處理減排技術(shù)大都采用氨法，也有少數(shù)采用尿素法的。表8-4列出了三種煙氣減排處理技術(shù)的主要特點和使用范圍。

表8-4各種煙氣減排處理技術(shù)比較

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選擇性非催化劑還原工藝(SNCR)是向煙氣流中連續(xù)噴入氨或尿素以使氮氧化物轉(zhuǎn)變成氮氣和水蒸氣的工藝。采用氨作還原劑時，用空氣或蒸汽攜帶氨氣，在溫度適當(dāng)?shù)膮^(qū)域注入煙氣中，將NOx還原成氮氣和水。采用尿素作還原劑時，把尿素的水溶液注入充滿煙氣的通道內(nèi)，尿素?zé)岱纸獠⑴cNOx反應(yīng)生成氮氣、二氧化碳和水。

選擇性催化劑還原工藝(SCR)從煙氣中脫除氮氧化物NOx，是把氨(NH3)注入煙氣中，并在通過催化劑床層時與煙氣良好混合。在催化劑作用下，NOx與NH3反應(yīng)生成氮氣和水。

國內(nèi)鍋爐行業(yè)已采用煙氣脫硫、脫氮、除塵三位一體化技術(shù)。該技術(shù)用引風(fēng)機將煙氣從反應(yīng)塔頂部的文丘里管引入反應(yīng)塔，在文氏管段，調(diào)配好的氨水經(jīng)噴嘴霧化后，與煙氣中的SO2充分混合、接觸、反應(yīng)，生成亞硫酸銨，脫除煙氣中的SO2。同時，生成的亞硫酸銨與煙氣中的NOx反應(yīng)生成硫酸銨和氮氣，從而脫除煙氣中的NOx。反應(yīng)生成的硫酸銨被回收，第15頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月第八章加熱爐的發(fā)展趨勢及技術(shù)交流

可用于生產(chǎn)磁性高效復(fù)合肥；氮氣則重新還給大氣。經(jīng)離心除塵凈化后的煙氣由反應(yīng)塔中部的出口，經(jīng)煙囪排入大氣。脫硫、脫氮、除塵三位一體化技術(shù)，脫除SO2效率高達95%以上，脫除NOx效率可達40%。

第16頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月第八章加熱爐的發(fā)展趨勢及技術(shù)交流8.2規(guī)模大型化

8.2.1國內(nèi)目前水平

隨著設(shè)計、制造和操作等綜合技術(shù)水平的提高，加上規(guī)模效益的驅(qū)使，新建石油化工裝置的規(guī)模越來越大,管式爐也隨之越來越大型化。20世紀的最后幾年里,國內(nèi)已設(shè)計建造了單臺熱負荷80~90MW的加熱型管式爐。而國外在同期內(nèi)建造的大型管式爐熱負荷達250MW。在最近幾年內(nèi)，國內(nèi)將建造150MW以上的加熱型管式爐。估計用不了多長時間,國內(nèi)在加熱型管式爐大型化方面能很快趕上世界水平。

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加熱一反應(yīng)型管式爐也隨著生產(chǎn)規(guī)模的增加而大型化。上個世紀的最后幾年里,國內(nèi)已設(shè)計和建造了產(chǎn)氫量6X104Nm3/h的制氫轉(zhuǎn)化爐,國外在同期內(nèi)則建造了12X104Nm3/h的制氫轉(zhuǎn)化爐。在最近幾年內(nèi)，國內(nèi)也將建造8~14X104Nm3/h的制氫轉(zhuǎn)化爐,因此,國內(nèi)在加熱一反應(yīng)型管式爐的大型化方面，趕上世界水平也為期不遠。

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8.2.2規(guī)模大型化限制因素

管式爐的大型化并不是簡單的結(jié)構(gòu)尺寸放大,也不是一加一等于二那樣的簡單堆積。大型化應(yīng)是科技發(fā)展和技術(shù)水平提高的結(jié)果。

1）爐管表面平均熱強度提高爐管表面熱強度就可以用較小的排管面積,完成較大的熱負荷。但是，爐管表面熱強度的提高要受到許多因素的限制。在加熱型管式爐中，首先要受油膜溫度的限制。爐管表面熱強度愈高，油膜溫度也愈高，當(dāng)油膜溫度達到或超過油品裂解溫度時，油品就會產(chǎn)生裂解，這將影響最終產(chǎn)品的品質(zhì)，或增加后加工裝置的負擔(dān)，嚴重時還會造成爐管結(jié)焦，縮短操作周期。在加熱一反應(yīng)型管式爐中，爐管表面熱強度的提高則要受到管內(nèi)空速和催化劑床層溫度的限制。只有采用性能良好的催化劑，允許采用較高的空速，以承受更高的床層溫度，才能采用較高的爐管表面熱強度。第19頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月第八章加熱爐的發(fā)展趨勢及技術(shù)交流

限制爐管表面熱強度的另一個重要因素是爐管金屬的最高允許使用溫度。熱強度愈高,管壁金屬溫度也愈高。當(dāng)管壁金屬溫度達到最高允許使用溫度時，爐管表面熱強度不能再提高。否則，就必須換用更高級的爐管材料，這將意味著投資的增加。

2）爐管表面最高熱強度

在管式爐中，爐管表面熱強度并不是均勻的。沿爐膛高度、寬度和長度三維方向上的溫度場是不均勻的，沿爐管圓周和管長方向上傳熱也是不均勻的。設(shè)計上常常采用爐管表面平均熱強度的概念，以簡化計算過程。實際上其限制因素是以爐管表面熱強度最高點來計算的。因此，使爐膛溫度場分布均勻，使熱傳遞沿爐管圓周和管長分布均勻，減小各種不均勻系數(shù)，就可以在最高熱強度不超限的前提下，大大提高平均熱強度，從而減少排管面積，縮小大型化后管式爐的尺寸。

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8.2.3國內(nèi)外差距及對策

加熱型管式爐的平均熱強度,國內(nèi)設(shè)計和國外比較接近。個別設(shè)計平均熱強度較低者,多數(shù)是因用戶要求留有余地,以便將來可提高裝置能力所致。加熱一反應(yīng)型管式爐，國內(nèi)設(shè)計的平均熱強度比國外同類管式爐要低得較多。例如制氫轉(zhuǎn)化爐，國內(nèi)的平均熱強度一般僅45一50KW/m2，而國外的一般是70一80KW/m2,高的可達88KW/m2。轉(zhuǎn)化爐大型化后，爐內(nèi)溫度場和煙氣流動場的分布均勻性至關(guān)重要，因為轉(zhuǎn)化爐管的工作溫度已經(jīng)十分接近其管材最高允許使用溫度，如果爐內(nèi)溫度場和煙氣流動場不均勻，則個別轉(zhuǎn)化管極易超溫而引起早期損壞，以致不能長周期安全運轉(zhuǎn)。

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為了解決這一難題,國外一些工程公司專門開發(fā)了爐內(nèi)溫度場和煙氣流動場的大型模擬軟件包，應(yīng)用這種軟件來模擬轉(zhuǎn)化爐內(nèi)的溫度場和煙氣流動場,可以獲得燃燒器的最佳選型和布置,也可以獲得均勻煙氣流動場的最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計，以保證轉(zhuǎn)化爐在極高的平均熱強度下長周期安全運行。國內(nèi)此類軟件還不成熟，這也是國內(nèi)不敢盲目提高轉(zhuǎn)化爐平均熱強度的重要原因之一。

最近幾年，已有設(shè)計院和科研院所運用CFD方法對大型制氫轉(zhuǎn)化爐的溫度場及煙氣流場進行模擬，取得了一些成果。通過CFD模擬，大型制氫轉(zhuǎn)化爐的機械設(shè)計特別是爐底煙氣隧道的開孔率及其布置、輻射室與對流室的煙道連接等，均可以同時進行幾個方案的比較和優(yōu)化，從而獲得良好的流動場和溫度場。

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為保證大型制氫轉(zhuǎn)化爐在苛刻的操作條件下能安全、平穩(wěn)、長周期運轉(zhuǎn)，除應(yīng)用CFD設(shè)計良好的爐內(nèi)溫度場外，對爐內(nèi)運行狀況進行科學(xué)而嚴格的監(jiān)控是非常必要的。從前，轉(zhuǎn)化爐主要靠常規(guī)熱電偶和目力監(jiān)控。2000年后開始使用工業(yè)電視監(jiān)控，但這只能做到定性的觀察，定量的監(jiān)控還僅限于設(shè)置熱電偶的幾個點上。

國內(nèi)最近開發(fā)了爐內(nèi)三維溫度場可視化技術(shù)，其基本原理是利用CCD攝像機作為二維輻射能量分布傳感器，接收三維爐膛內(nèi)的高溫輻射能信號，依據(jù)輻射成像新模型，建立火焰二維溫度圖像和三維空間燃燒溫度的關(guān)聯(lián)方程，采用正則化重建方法獲得爐膛三維溫度場可視化結(jié)果。該技術(shù)可以同時給出爐內(nèi)1000個以上離散單元的三維溫度場分布數(shù)據(jù)和實時顯示，刷新周期小于等于5s，相對誤差在5%以內(nèi)?？梢蕴峁t內(nèi)煙氣、火焰和爐管管壁的三維溫度場實時精確溫度度數(shù)，繪制二維平面和三維立體溫度彩色云圖，以及火焰長度和直徑直觀形狀圖等。該技術(shù)還可以將其檢測到的

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輻射能信號參與DCS系統(tǒng)的優(yōu)化控制。目前，這項技術(shù)已在冶金和電站系統(tǒng)推廣，希望能早日應(yīng)用到轉(zhuǎn)化爐上，使運行管理更上一層樓。

第24頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月第八章加熱爐的發(fā)展趨勢及技術(shù)交流8.3

蓄熱式燃燒技術(shù)

蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)，亦稱為無焰燃燒技術(shù)，是20世紀90年代以來，在發(fā)達國家開始普遍推廣應(yīng)用的一種全新燃燒技術(shù)。它的最大特點是節(jié)省燃料,減少CO2和NOx的排放及降低燃燒噪音，被譽為21世紀的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來，該技術(shù)在冶金和機械制造行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，如將其移植“嫁接”到石化管式爐上，將帶來其爐型上的一次革命性變革。

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8.3.1工作原理

蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的工作原理如圖8-1所示。常溫空氣由鼓風(fēng)機送入，在通過燃燒器蓄熱體時被迅速加熱至高溫（在極短的時間內(nèi)常溫空氣被加熱到接近爐膛溫度，一般比爐膛溫度低50~100

℃，這取決于蓄熱體的蓄熱容量和蓄熱速率），空氣噴入爐膛時將卷吸煙氣形成貧氧的高溫氣流，在這股氣流附近噴入燃料，燃料在貧氧（2%~20%）的氣流中燃燒。

圖8-1蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)示意

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由于燃料不是直接噴入含氧氣流中，燃料分子與氧分子只有經(jīng)擴散碰撞時隨遇燃燒，沒有明顯的火焰邊界。與此同時，煙氣靠引風(fēng)機，通過另一側(cè)的燃燒器被吸出，熱煙氣熱量傳遞給蓄熱體而降溫后經(jīng)換向閥、引風(fēng)機和煙囪排入大氣。換向閥按一定的頻率切換，使兩側(cè)的燃燒器在蓄熱和放熱的狀態(tài)下交替工作。

8.3.2蓄熱式燃燒技術(shù)優(yōu)勢

1）提高爐管表面平均熱強度

蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的突出優(yōu)點是由于沒有明確的火焰，整個爐膛溫度非常均勻，如果爐管布置得當(dāng)，熱強度沿爐管周向和軸向不均勻系數(shù)可降低很多，甚至接近于1，因此其平均熱強度可以很高，甚至接近允許的最高熱強度，從而使爐管數(shù)量（即傳熱面積）減到最小，打破了加熱爐大型化的技術(shù)瓶頸。

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2）帶來爐型革命

蓄熱式燃燒的主要特點是以輻射傳熱為主，煙氣由相對安裝的燃燒器輪換吸出以預(yù)熱燃燒空氣。石化管式爐采用蓄熱燃燒技術(shù)后，將沒有對流室。

目前，大多數(shù)石化管式爐都是輻射一對流型的，例如各種蒸餾爐、重沸爐、蒸汽過熱爐等。對流段和輻射段加熱同一種介質(zhì)，對流段熱負荷占全爐熱負荷的20%～3O%。這種爐子改為蓄熱式燃燒純輻射爐，在保持原平均熱強度不變的前提下，只需在輻射段增加一部分爐管即可。由于輻射段的平均熱強度一般是對流段平均熱強度的2～4倍，因此可節(jié)省50%～75%的對流盤管（包括爐管和管件）。這相當(dāng)于爐子投資可節(jié)省10%～15%。

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有些石化管式爐，例如制氫爐、重整爐、加氫爐、乙烯裂解爐等，由于各種原因，本來就只需要輻射段，只是為了回收煙氣余熱，才增加對流段產(chǎn)生蒸汽或加熱其他介質(zhì)。值得指出的是，石油化工企業(yè)都有鍋爐車間(或動力廠)和完善的蒸汽管網(wǎng)。這