加热炉余热回收系统的设计
杨利然
(洛阳石油化工工程公司，河南洛阳 471003)
摘 要：对500万t/a常减压装置加热炉联合余热回收系统的设计方案进行分析，提出采用管束式钉头管预热器，设置前置热油空气预热器，风机采用变频调速设计，设置备用风机的方案，针对设计中的具体问题，指出烟道、风道设计应注意减少局部阻力损失，烟道、风道挡板合理选型，吹灰器采用声波吹灰器等，满足了装置长周期、安全、稳定运行。 关键词：常减压装置；余热回收系统；风机；预热器；烟道；风道
超声波打磨机
中图分类号:TE963 文献标识码:A 文章编号:1003-3467(2003)11-0040-03
Design of W aste H eat R ecovery System of
H eating Furnance of in Crude Oil Distillation U nit of500×104t/a
YANG Li-ran
(Luoyang Petrochemical Engineering C orporation,SI NOPEC,Luoyang 471003,China) Abstract:Design scheme of waste heat recovery system of heating furnance of atm ospheric-vaccum distil2 lation unit of large scale is analyzed.By adoption of studded tube bunndle preheater;fan driven by m otor of variable-speed;suitable type dust dam per and acoustic s oot blower and installation of hot oil preheater in front of air preheater and stand-by fans and by paying attention to ducts design for reducing pressure drop at local places,long period of safe and sm ooth operation of the unit is obtained.
K ey w ords:atm ospheric-vaccum distillation unit;waste heat recovery system;fan;preheater;flue; duct
常减压装置是炼油装置的龙头，而常压炉和减压炉又是常减压装置中的核心设备，它的长周期、安全、稳定运行是保证炼油装置正常生产的关键，它的能源消耗在常减压装置中占有相当大的比重。由于常压炉和减压炉的燃料主要是减压渣油，燃料的含硫量偏高，烟气侧的低温露点腐蚀和积灰是余热回收设计首先要面临的问题，另外炉用风机耗电量和余热回收系统的设计优劣又有直接的关系。本文分几部分对余热回收系统的设计加以论述。
1 加热炉联合余热回收和单独设置余热回收的分析对比
1.1 单独设置余热回收
常压炉和减压炉的设计热负荷比一般为3∶1，对大型常减压装置来说，由于常压炉的空气预热器设计热负荷较大，预热器的吨位较重，烟气侧的压降较大，一般采用落地式预热器，设置引风机、鼓风机和独立或位于常压炉炉顶的烟囱；减压炉的空气预热器设计热负荷较小，预热器的吨位较轻，烟气侧的阻力降也不大，可考虑安装在炉顶，烟囱自然通风，但此时减压炉对流段的设计烟气压降要小。另外预热器的扩面管型式不宜为翅片管型式，而应为钉头管或光管，这是由于烧油的燃料翅片管易积灰，容易堵塞管排，造成烟囱排烟不畅，炉内正压，影响减压炉的正常生产。
1.2 联合余热回收
两炉联合余热回收，烟气汇合进入一台落地式预热器，空气集中供给，设置一台引风机、一台鼓风机和独立烟囱。
1.3 两者的对比
两台炉单独设置余热回收，操作控制简单，两者之间互不影响，价格昂贵的控制挡板数量少。减压炉靠近减压塔布置，由于两炉单独布置，常压炉可以
收稿日期:2003-07-08
作者简介：杨利然(1970-)，男，工程师，从事工业炉的设计，电话:(0379)4887476。
邻近常压塔布置，缩短了工艺配管的管线长度，也符合装置就近布置的原则。另外减压炉靠烟囱自然通风，省去了这部分烟气的引风机电耗。联合余热回收系统炉区布置紧凑、美观，预热器的总吨位比单独的余热回收系统的两台空气预热器吨位之和小，克服了位于炉顶的预热器发生故障、导致减压炉不能正常生产的隐患，但是增加了控制挡板的数量和引风机的用电负荷。联合余热回收和单独设置余热回收，总的耗钢量差别不大，但由于增加了挡板的一次性投资和引风机耗电的长期性操作费用，因此，对于具体的设计项目，两者要进行经济分析对比，以求达到一个最优的方案。
2 预热器型式的选择
工程上常用的烟气直接预热空气的预热器型式有管束式、热管式和扰流子式，其中管束式预热器结构简单，使用安全、可靠，但传热系数偏低，吨位较重，扩面管型式采用钉头管不易积灰；热管式空气预热器，烟气侧和空气侧都可用翅片管，因此传热系数高，吨位较轻，但是热管由于自身的因素，一般为翅片管，烟气侧容易积灰；扰流子式空气预热器，管内用扰流片提高管内侧空气传热系数，管外的扩面型式一般为翅片，烟气侧容易积灰，另外管内安装的扰流片设计不当会大大增加空气侧的压力降。
由于烧燃料油，烟灰粘性较大，相对于烧燃料气来说容易积灰，因此扩面型式宜为钉头，在这种场合下采用热管空气预热器不太合适。另外，热管传热元件由于制造、使用过程中不凝气的积聚及烟气超温爆管的因素容易失效，更换率高，不符合常减压装置长周期运行的特点。作者认为，合适的空气预热器型式应为钉头管管束式空气预热器，它制造成熟、简单，钉头管扩面型式符合烧油的特点，满足了常减压装置的特点，另外管束式空气预热器在提高管内空气流速的前提下，传热系数与普通的扰流子式空气预热器的传热系数相当，空气侧阻力降也基本相当，且计算结果可靠。
3 低温露点腐蚀的解决措施及低温位余热的利用低温露点腐蚀常规的解决措施有热风循环和提高预热器管束材料的等级。采用热风循环时，对于烧减压渣油的场合，进预热器的空气温度要提高到60℃以上，若冬季空气温度为-20℃，预热器出口热空气温度为250℃，热风的循环量需要47%以上，鼓风机的负荷也要增加47%，因此采用热风循环在冬季空气温度比较低的地方不太合适。若采用第二种方法，现在材料一般用ND钢，但它的使用寿命也不理想。因此从根本上解决烟气的低温露点腐蚀，必须把预热器的冷端金属壁温提高到高于露点温度。
常减压装置中的低温位热油流量很大，一般是换热到120℃左右去空冷，这部分热量可以预热空气，减少空冷的负荷。利用装置的低温位热油，设置前置热油空气预热器，空气侧采用密排翅片，提高空气侧传热系数，另外由于是高效的气—液换热，传热系数高，预热器的吨位很小，空气侧的阻力降也不大，并且大大减少了后面的空气预热器的传热面积，去掉了热风循环，优化了整个装置的换热网络。
铸轧采用前置热油空气预热器系统，无论从避免烟气低温露点腐蚀、积灰，还是从节约钢材、投资等方面，都比较经济合理。因此，避免烟气的低温露点腐蚀，应综合考虑。
4 预热器的设计
按照加热炉设计的惯例，炉子的设计热负荷与正常操作计算热负荷相比，往往有15%的裕量。根据设计负荷计算出的燃料量和空气量比实际用量高很多，再加上操作时炉体及风道的漏风，实际空气量要低20%左右，正常操作时预热器空气侧流速低，传热系数低，在采用热油空气预热器时，导致低温热油冷不下来，加大了后冷热负荷，浪费了热量，因此设计热油空气预热器的空气量应使用正常操作工况下的空气量。
烟气和空气流速是风机的电耗和预热器设备投资的关键控制因素，一般情况下烟气的合理质量流速为2～4kg/s，空气的合理平均线速度10～15m/s，若再增加流速，阻力降快速增大，导致风机的轴功率急剧增大；若低于上述流速，传热系数低，预热器的设备投资增大。管束式预热器的管程数多，不是纯逆流，是很复杂的混合流，计算有效平均温差可参照换热器对数平均温差校正系数。
5 风机的设置和选用
考虑到炉子以后扩能的要求，炉子的实际操作工况和设计工况有一定的差别，因此选择的风机有裕量。
另外，由于炉子操作时，炉体的密封难以达到理想工况，炉子的过剩空气系数比设计计算得高，因此引风机的风量取设计工况下烟气量的1.2倍，压头取计算值的1.2倍，鼓风机取设计工况下空气量的1.3倍，压头取计算值1.1倍。有些国外工程公司风机的裕量取得很大，流量和压头都取40%的裕量。在操作时靠风机入口的调节挡板调节流量，增大了管路压头的局部损失，电机多消耗一部分电量，在使用大型风机时，这部分的耗电量很可观。因此,
在这种情况下，应进行经济核算，可考虑设置变频调速。流量靠变频调速调节减少20%时，电机转数降低20%，而此时电机功率消耗却降低了48.8%。变频调速器可以按880元/kW进行经济核算。
备用风机的选择。在风机事故状态，通常是打开炉底自动快开风门，燃烧器由强制通风切换为自然通风，由于强制通风燃烧器的空气压降设计值比自然通风燃烧器高，自然通风时的空气流量小，此时加热炉必须降量操作，这对于全厂经济效益的影响较大，这时可考虑设置备用风机，此时风机的压头仅需克服燃烧器的压力降和部分风道的压力降，可以选用大流量、小压头的风机。
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6 烟道、风道的设计
烟道的功能是在最低的压力降下排送烟气，风道的功能是在最低的压力降下把空气输送到燃烧器，并且输送给每台燃烧器的风量尽可能均匀。在满足以上要求的同时，烟道、风道的设计布置应尽可能简单美观。烟道、风道压降由管道摩擦损失和管件局部阻力损失(动压损失)两部分组成，但摩擦损失比
局部损失小很多。要降低管道总压降，关键是减少局部阻力损失。管内气体速度在数值上、方向上的变化，都会引起局部阻力损失。因此设计和布置烟道、风道时，应该在场地许可的条件下力求简短、平直，避免管道拐弯、扩缩。
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石墨冷凝器6.1 烟道、风道的形状
烟道、风道应力求采用圆形截面，因为在阻力和流量相同的情况下，圆形截面材料消耗最少，并且加工容易、力学性能好，管道内气体速度沿整个截面分布也比较均匀，不易形成滞留区。如果受结构布置的限制，必须采用矩形截面，则以接近正方形的截面较节省材料，另外矩形截面风道设计必须考虑风道壁板的稳定性。
6.2 转弯结构及其布置
烟道、风道的弯头和拐角是增大阻力、使气流不均、产生漩涡和死角的重要因素，设计中应注意以下几方面:
①应尽量使用缓弯头，而不应使用带直角的弯头，因内侧带直角的弯头阻力损失特别大，设计时尤其不要使用。②扩散形和收缩形弯头。要求在转弯过程中同时改变流通截面大小的急弯头，称为扩散形或收缩形弯头，其内外侧应有相同的弯曲半径，对转弯后需要收缩的烟道、风道，使用一个收缩形急
弯头来代替等截面急弯头和收缩管，可简化结构，并降低阻力，但对转弯后要扩散的管道，不宜使用扩散形急弯头，因其阻力比等截面急弯头与扩散管的阻力之和还要大。另外，在进入预热器的集箱处，应设置导流板。③管道要力求避免弯头直接串联。
7 烟道、风道挡板的选型和布置
烟道、风道挡板处的局部阻力损失在管路阻力损失中占有相当大的比重，选型不合理和布置不当都会造成很大的阻力。挡板型式主要有蝶阀和闸阀，其中蝶阀适用于作控制挡板，闸阀适用于作切断挡板。蝶阀的叶片数目越多，调节性越好，能够对流量进行精细调节；闸阀不能用来调节，只能用于关闭或切断气流，用于调节流量时不易控制，且局部阻力损失很大。
8 吹灰器系统的设计
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烧减压渣油燃料的加热炉极易积灰，降低传热系数，堵塞管排，增大排烟阻力，因此合理的吹灰器系统设计很重要。工程上使用的吹灰器型式主要有蒸汽吹灰器和声波吹灰器，蒸汽吹灰器靠蒸汽直接喷射气流吹扫管排，声波吹灰器靠声波震荡清除积灰，在使用过程中存在下列问题:
①由于装置中的蒸汽系统经常存在问题，当蒸汽压力不高、过热度不够或为饱和状态，会降低吹灰能力;②由于受吹灰器布置的局限，存在死角，这部分管排的积灰无法吹扫;③吹灰器的故障率高，这是
由于吹灰器的电机和吹灰管都处于高温部位，都是机械转动件，容易卡死，无法转动;④蒸汽易泄漏，在停止吹扫期间，由于阀门关闭不严，蒸汽或冷凝水泄漏到管排上，烟气中三氧化硫和水结合，生成硫酸，造成腐蚀;⑤维护不便，维修费用高。
而声波吹灰器利用声波的震动清灰，清灰范围大，没有机械转动部件，易维护，克服了蒸汽吹灰器的许多缺点，因此合理的加热炉的吹灰器型式应是声波吹灰器。
9 结论
大型常减压装置加热炉余热回收系统采用联合余热回收系统布置方案，炉区布置美观，预热器型式采用管束式钉头管预热器，可满足长周期、安全、稳定操作；设置前置热油空气预热器，换热网络合理，解决了烟气的低温露点腐蚀问题；风机采用变频调速设计，减少耗电；设置备用风机，事故状态下加热炉的处理量也可以满负荷操作；烟道、风道结构设计应注意减少局部阻力损失；烟道、风道挡板设计应合理选型；吹灰器宜采用声波吹灰器。
