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        工業爐窯不管是燃料加熱爐、電阻加熱爐、感應加熱爐、微波加熱爐等,節能高效是技術關鍵。

          煙氣帶走加熱爐大量的高溫熱量,能量白白浪費,熱利用率較低。余熱回收可以使用使用蜂窩陶瓷蓄熱體,但投入大,維修成本高,切換過程中也帶走未燃燒的燃氣,造成能源嚴重流失。 加熱爐使用換熱器則可且投資少、無切換機構、免維修。但如果使用金屬換熱器,由于材質的限制,抗氧化能力差,不能在高溫下長期使用,余熱回收率低。如煙道溫度達到800度以上,金屬換熱器非常容易被高溫損壞,無法達到余熱回收的目的。因此不論如何,加熱爐高效換熱是技術攻關難點。

          下面介紹蓄熱式加熱爐和管式加熱爐處理能力的改造技術

          蓄熱式余熱回收
          目前國內外開始流行的一種革命性的全新燃燒技術--蓄熱式高溫空氣燃燒技術,它通過高效蓄熱材料將助燃空氣從室溫預熱至前所未有的800℃高溫,同時大幅度降低Nox排放量,使排煙溫度控制在露點以上、150℃以下范圍內,最大限度地回收煙氣余熱,使爐內燃燒溫度更趨均勻。HTAC技術針對燃料種類或熱值的不同,有單蓄熱與雙蓄熱之分。一般認為油類、高熱值煤氣及含焦油粉塵的熱臟發生爐煤氣則只需或只能采用助燃空氣單蓄熱方式;清潔的低熱值燃料(高爐煤氣、轉爐煤氣)可采用雙蓄熱方式。

          蓄熱式加熱爐實質上是高效蓄熱式換熱器與常規加熱爐的結合體,主要由加熱爐爐體、蓄熱室、換向系統以及燃料、供風和排煙系統構成。
          蓄熱室是蓄熱式加熱爐煙氣余熱回收的主體,它是填滿蓄熱體的室狀空間,是煙氣和空氣流動通道的一部分。在加熱爐中,蓄熱室總是成對使用,一臺爐子可以用一對,也可以用幾對,甚至幾十對。在國內的一些大型加熱爐上,最多用到四十幾對。
          在蓄熱式加熱爐中,換向閥起到了至關重要的作用。為配合換向閥安全準確地工作,必須配備一套可簡可繁的控制系統。
          蓄熱體通常采用直徑12~15mm的Al2O3質陶瓷球或壁厚1mm以下的陶瓷蜂窩體。

          傳統的燃燒方式是空氣和煤氣預混和擴散燃燒,在燃燒器周圍存在一個局部高溫區,造成爐溫不均勻,影響加熱質量。同時,在高溫區內,氮氣參與燃燒反應,導致煙氣中NOx含量高,造成大氣污染。蓄熱式燃燒則完全不同,在蓄熱式爐中,整個爐膛為一個反應體,空氣和煤氣充滿爐膛,在這個爐膛內彌散燃燒,不存在局部高溫區,氮氣幾乎不參與燃燒反應。與傳統燃燒方式相比,其優勢表現在下面幾個方面:
          1 爐溫更加均勻
          2 燃料選擇范圍更大
          采用蓄熱式燃燒技術,空氣預熱溫度由過去的400~600℃可提高到800~1100℃。由于燃料的理論燃燒溫度大幅度提高,使燃料的選擇范圍更大,特別是可燃用800kcal/m3以下的低熱值燃料,如高爐煤氣或其他低熱值劣質燃料。
          適合輕油、重油、天然氣、液化石油氣等各種燃料,尤其是對低熱值的高爐煤氣、發生爐煤氣具有很好的預熱助燃作用,擴展了燃料的應用范圍。鋁熔化燃油單耗指標在60kg/t.A以內。
          3 大幅度節能
          由于煙氣經蓄熱體后溫度降低到150℃以下(特殊情況下可降至70~80℃),將煙氣的絕大部分顯熱傳給了助燃空氣,做到了煙氣余熱的“極限回收”,因此,爐子燃料消耗量大幅度降低。對于一般大型加熱爐,可節能25%~30%;對于熱處理爐,可節能30%~65%。
          4 NOX生成量更低
          采用傳統的節能技術,助燃空氣預熱溫度越高,煙氣中NOX含量越大;而采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術,在助燃空氣預熱溫度高達800℃的情況下,爐內NOX生成量反而大大減少。由于蓄熱式燃燒是在相對的低氧狀態下彌散燃燒,沒有火焰中心,因此,不存在大量生成NOx的條件。煙氣中NOx含量低,有利于保護環境。
          5 金屬氧化燒損低
          低氧燃燒的另一個好處是可降低被加熱金屬的氧化燒損。此外,蓄熱式燃燒還可以提高火焰輻射強度,強化輻射傳熱,提高爐子產量。
          6 既適合新建熔鋁爐或加熱爐,更適合舊型熔鋁爐或加熱爐的蓄熱式技術改造,可保留原爐基礎及鋼結構不動,在爐兩側或同側增加蓄熱式燒嘴,施工簡單,技術先進成熟。
          7 項目投資不大,節能效益顯著,投資回收期短。

          管式加熱爐處理能力的技術改造

          針對早期建造的煉油廠和化工廠在役管式加熱爐熱負荷和熱效率低的狀況,提出了若干技術改造措施包括,增大對流管表面積以增大對流段的熱負荷;增加輻射管的換熱面積;修正煙囪高度;換用新型燃燒器,變自然通風為強制供風,以增大燃燒器的發熱量,減小過??諝庀禂?,節省燃料2%~3%;在對流段和煙囪之間增設空氣預熱器以提高空氣入爐溫度;采用高溫輻射涂料增強輻射換熱效果,從而增加熱源對爐壁的輻射傳熱量和爐管的傳熱量等。

          裝置減少,而早期建造的加熱爐,由于受當時技術條件的限制,大多在低負荷條件下運行,熱效率低。因此,對原有管式爐實施改造已成為日益迫切的任務。針對這種狀況,筆者對現役管式加熱爐做了深入調查及理論分析,總結出一套提高管式爐處理能力和熱效率的措施,期望對我國煉油廠和化工廠舊設備的挖潛改造有所裨益。
          改造加熱爐的目的就是增加熱負荷,提高熱效率。在實際操作過程中,為了提高管式爐的處理量,通過增強燃燒的辦法,可提高熱負荷10%左右。但因受輻射管壁溫度過高、火焰舔爐管和爐膛產生正壓等條件限制,其處理能力難以管式加熱爐是煉油廠和化工廠重要的供熱設備。目前,由于國家宏觀經濟政策的調整,新建加熱再提高,仍不能滿足熱負荷要求〔1〕。
          因此,在改造之前,應收集分析和現場標定加熱爐的性能指標,包括設計數據和操作時爐內各部位煙氣溫度和壓力;燃燒空氣溫度、壓力降及過??諝庀禂?;介質的進、出口溫度和壓力等。
          經綜合分析,可從以下6個方面對管式加熱爐進行改造。
          1.增加對流管表面積
          增加對流管表面積能增大對流段的熱負荷。對流段位于輻射室上部,增加對流室高度比增加輻射室高度容易。在常減壓裝置、焦化裝置中通??刹捎眠@種改造方法。對流段排煙溫度與介質進口溫度之差,國外要求低于30℃,國內多為100~150℃??蓮囊韵氯齻€方面進行改造。
          其一,增加對流管數量。管式加熱爐對流段上部一般留有高度不小于800mm的檢修空間,小型加熱爐高度不小于600mm,可在此空間加裝對流管。若空間不夠,可加高對流段,以增加對流管的換熱面積。
          山東省某煉油廠250×105t/a常減壓裝置加熱爐,設計熱負荷23.255MW,對流段爐管為?152mm×8mm,18排,每排12根,共計216根。欲提高處理量,該爐熱負荷就不夠,于是在對流段上部增加一組爐管,計6排,72根對流管,熱負荷增加20%,滿足了工藝要求。
          其二,用擴大表面管替代光管。舊式加熱爐對流段有的用光管,可以用翅片管或釘頭管代替。釘頭管表面積是光管的2~3倍,翅片管表面積是光管的8~11倍〔2〕。代替后原來的管板不能再用,需重新制作管板。如果燃燒器燒油,需增設吹灰器吹灰。建議采用聲波吹灰器,吹灰介質為壓縮空氣,吹灰效果好,可提高對流傳熱系數,降低排煙溫度,同樣可提高加熱爐的熱負荷。
          其三,用翅片管替代釘頭管。舊式管式爐對流管若燒氣體燃料,可用傳熱面積更大的翅片管代替釘頭管,但要保證外部安裝尺寸與釘頭管的相同,以便仍使用原來的管板。
          某原油加熱爐采取油氣混燒,對流段為釘頭管,現改為只燒氣體燃料。為提高加熱爐的熱負荷,將原來的6排釘頭管拆下,換用6排翅片管。結果對流段排煙溫度降低,熱負荷增加5%。
          用擴大表面管替代光管或用翅片管替代釘頭管,會增大爐內煙氣側壓力降,降低排煙溫度,使煙囪抽力減小。若抽力不足,需增加煙囪高度,或在對流段上部增設引風機。同時應核算加熱爐鋼結構及基礎是否滿足載荷增加的要求。若基礎受到載荷限制,上述改造方案難以實施,可考慮將整個對流段置于地面,并設一獨立煙囪。增加對流爐管也會使爐管內介質的壓力降增加,故應核算加熱爐燃料進料泵的揚程,保證不影響加熱爐的處理能力。
          2.增加輻射管換熱面積
          很多情況下,可通過增加輻射室的高度(即輻射管的高度)來增加圓筒形立式爐輻射管的換熱面積。對水平管箱式爐,在爐管上部或接近爐底的下部有可利用的空間用來增加爐管數量,從而增加輻射管的換熱面積。輻射管的根數與爐管直徑、管心距有關,輻射段尺寸受加熱爐地基礎、鋼結構、燃燒器布置等影響。
          某圓筒形立式加熱爐熱負荷為29.069MW,四管程,88根管,管外徑127mm,管心距250mm,爐管壓力降為3.1MPa。若輻射盤管改用外徑152mm爐管,并加高1.5m,則只有72根管,管心距304mm,管內介質壓力降減小到2.24MPa。但使用大直徑爐管,須重新制作爐管吊鉤和爐管拉鉤,爐底導向管和轉油線也應相應修改。
          3.修正煙囪高度
          煙囪的主要用途是安全有效地排放煙氣。如果結構不合理,爐膛便產生正壓而限制加熱爐的操作。煙囪可通過增加高度或直徑加以修正,但煙囪所受的風載荷會增加,故加熱爐基礎和鋼結構的強度及穩定性須重新核算,以保證滿足風載荷增加后煙囪的力學性能要求。
          某裝置有一臺常壓加熱爐和一臺減壓加熱爐,都采取自然通風,獨立煙囪,對流段位于爐頂部,欲通過加高對流段來提高熱負荷。為了減輕基礎載荷,去掉各自獨立煙囪,采用了一聯合落地煙囪。因對流段煙氣側壓力降較大,煙氣排放不暢,減壓加熱爐內產生正壓,于是在減壓爐對流室上部安裝一獨立煙囪,抽力增大,解決了正壓問題。
          4.換用新型燃燒器或變自然通風為強制供風
          燃燒器是加熱爐的關鍵設備,自然通風的燃燒器需要更多的過??諝?,火焰長,通過燃燒器的空氣壓降為7.6~15.2mmH2O,燃燒空氣被低速導入,很難與燃油充分混合。燃油的過??諝庀禂禐?.30~0.40;氣體燃料為0.15~0.20。
          強制供風的燃燒器壓力降為50.8~152.4mm H2O,空氣高速進入,湍流激烈,火焰短小有力,爐膛內爐管受熱均勻,空氣壓力使燃料和空氣充分混合,燃料油的過??諝庀禂禐?.10~0.15,燃料氣的為0.05~0.10,燃燒充分,放射煙塵粒子減少,火焰形狀和剛度易于控制,工作噪聲低〔3〕。
          減小過??諝庀禂狄话隳芄澥∪剂?%~3%。但對低氮燃燒器而言,其火焰很長,若過??諝庀禂禍p小到設計值,則操作較困難。
          以渣油為燃料的VI型或VIB型燃燒器負荷稍大時顯得供風不足,燃燒不充分,火焰偏瘦,充滿度偏小,使一部分二次風與霧化蒸汽未充分混合而進入爐膛。應適當增大霧化角或減小火道尺寸,以保證一、二次風的充分混合。
          5.增設空氣預熱系統
          這是加熱爐常見的改造方式。煙氣出口溫度每下降35℃,熱效率提高1%。如果煙氣溫度高于340℃,熱負荷大于9.3MW,應在對流段和煙囪之間增設空氣預熱器預熱燃燒空氣,余熱可以利用。同時要安裝強制供風燃燒器、鼓風機或引風機、冷風道、熱風道和煙道等。預熱器用于中小型加熱爐時,應盡量頂置,以簡化結構,降低改造費用。一般靠爐子原來的煙囪自然排煙,應避免排煙溫度接近露點溫度,排煙溫度以200~250℃為宜。
          燃料中有6%~10%的硫燃燒后轉化成SO3,繼而生成硫酸。煙氣內SO3含量越高,露點溫度越高。管壁溫度至少要高于煙氣露點溫度25℃。若燃料中硫含量小于1%,管壁溫度最低為135℃;若燃料中硫含量為4%~5%,管壁溫度最低為149℃〔1〕。
          避免煙氣露點腐蝕的措施有:用低壓蒸汽或熱油預熱空氣;用預熱器出口高溫空氣循環預熱進口空氣,以保持較高的空氣進口溫度;采用低合金耐腐蝕鋼或非金屬材料。
          6.應用高溫輻射涂料增強換熱效果
          近幾年來,在管式爐爐膛內表面噴涂高溫輻射涂料,以增強輻射傳熱量。爐內壁常用的耐火材料(耐火磚、耐火混凝土和耐火纖維氈三大類)輻射系數小,而高溫輻射涂料的幅射系數大,涂抹后會增加熱源對爐壁的輻射傳熱量,使爐壁表面溫度上升,達到增大爐管的傳熱量和加熱爐的熱負荷之目的〔3〕。

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