石油化工管式加熱爐經(jīng)濟排煙溫度探討

張紹良，孫文山，魏學(xué)軍

(1.中海油 惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086；2.中石油 華東設(shè)計院有限公司，北京 100029)

管式加熱爐是石油化工生產(chǎn)裝置中的主要設(shè)備之一，能耗較大[1]。在延遲焦化裝置的能耗組成中，加熱爐燃料能耗約占70%[2]。連續(xù)重整裝置中加熱爐能耗一般約占裝置能耗的80%[3-9]，部分裝置中加熱爐能耗甚至超過90%[10]。隨著國家對節(jié)能環(huán)保要求的提高，各大石油化工企業(yè)對加熱爐的熱效率及排煙溫度也提出了更高的要求，推出了多種提高加熱爐熱效率的方案及方法。例如當(dāng)燃料中H2S的質(zhì)量濃度能控制在20 mg/m3以內(nèi)時，可以通過設(shè)置煙氣余熱回收系統(tǒng)加燃燒空氣的方法將加熱爐計算熱效率提高到93%以上[11]。中石化洛陽石化工程公司鄭戰(zhàn)利等[12]研制出1種新型組合式的熱管空氣預(yù)熱器，中石化洛陽石化工程公司王德瑞等[13-14]研制出1種新型復(fù)式空氣預(yù)熱器及1種新型擾流子空氣預(yù)熱器，江陰市石油化工設(shè)備有限公司葛京鵬等[15]發(fā)明了1種工業(yè)爐煙氣低溫?zé)崃坷梅椒ǎ@些方法都大幅提高了加熱爐的熱效率，因此有些學(xué)者認(rèn)為加熱爐熱效率越高越好，排煙溫度越低越好。針對這種觀點，筆者提出了經(jīng)濟排煙溫度的概念，并通過計算對比來確定較為經(jīng)濟的加熱爐熱效率。

1 經(jīng)濟排煙溫度概念

當(dāng)余熱回收系統(tǒng)方案，包括余熱回收系統(tǒng)采取的結(jié)構(gòu)形式、材料及襯里結(jié)構(gòu)等確定后，在結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、施工質(zhì)量良好且工藝操作穩(wěn)定的情況下，節(jié)能效果主要取決于余熱回收芯體的換熱面積，即空氣預(yù)熱器的換熱面積。降低排煙溫度可減少排煙熱損失，節(jié)省燃料消耗，從而提高加熱爐熱效率，節(jié)約能源。但同時需增大芯體換熱面積，使余熱回收系統(tǒng)投資增加。為了獲得最佳的經(jīng)濟效益，所選取的排煙溫度應(yīng)滿足余熱回收系統(tǒng)年節(jié)省燃料費用與余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分?jǐn)傎M用之差為最大值的要求，該最大值所對應(yīng)的排煙溫度稱為經(jīng)濟排煙溫度。管式加熱爐的排煙溫度應(yīng)按經(jīng)濟排煙溫度的計算方法來確定。

管式加熱爐排煙溫度與年費用的關(guān)系曲線見圖1。

圖1 管式加熱爐排煙溫度與年費用關(guān)系曲線

余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入費用為余熱回收系統(tǒng)的投資費用與運營期內(nèi)的維護費用之和，余熱回收系統(tǒng)的年節(jié)省燃料費用A與余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分?jǐn)傎M用B的差值即為管式加熱爐的年總收益C。A和B均隨排煙溫度的降低而增大，但兩者增大的斜率不同。隨著排煙溫度的降低，A的增大由越來越大變?yōu)樵絹碓叫?，即斜率由大變小；而B的增大則由越來越小變?yōu)樵絹碓酱螅葱甭视尚∽兇?。C在某排煙溫度時達(dá)到最大值Cmax，該值所對應(yīng)的排煙溫度即為經(jīng)濟排煙溫度。

2 經(jīng)濟排煙溫度計算參數(shù)

2.1 余熱回收系統(tǒng)年節(jié)省燃料費用A

余熱回收系統(tǒng)的年節(jié)省燃料費用A是指增加余熱回收系統(tǒng)后，加熱爐所節(jié)省的燃料費用。文中將增加余熱回收系統(tǒng)后幾種熱效率下的燃料消耗量，與不設(shè)置余熱回收系統(tǒng)的燃料消耗量進(jìn)行比較，計算出不同熱效率對應(yīng)不同排煙溫度下節(jié)省的燃料費用，作為不同工況下余熱回收系統(tǒng)的年節(jié)省燃料費用。

2.2 余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分?jǐn)傎M用B

余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分?jǐn)傎M用B=余熱回收系統(tǒng)投資費用×年分?jǐn)偮?年運行維護費用。其中余熱回收系統(tǒng)投資費用指設(shè)置余熱回收系統(tǒng)所需的各項投資之和，包括各項設(shè)備購置費、安裝工程費和建筑工程費等。年運行維護費用指在回收系統(tǒng)運行期限內(nèi)，每年所需要的運行及維護費用的總和，包括設(shè)備管理費、運行費、維修維護費和人工費用等。

年分?jǐn)偮适侵赣酂峄厥障到y(tǒng)投資費用在其投資償還年限內(nèi)，每年平均費用占整個投資的百分?jǐn)?shù)[16]。根據(jù)項目建設(shè)費用來源的不同，可以將年分?jǐn)偮史譃橐韵?種情況。

(1)當(dāng)工程項目有財政撥款，投產(chǎn)后企業(yè)向國家上交利潤時，其年分?jǐn)偮蔔1計算公式為：

(1)

式中，P為余熱回收系統(tǒng)的年運行維護費用率，取P=11%；m為投資償還年限，一般取m=5～10 a。

(2)當(dāng)工程項目采用貸款，投產(chǎn)后企業(yè)按單利償還時，年分?jǐn)偮蔔2計算公式為：

(2)

式中，n為貸款利率，取為6%～10%；m一般取5～10 a。

(3)當(dāng)工程項目采用貸款，投產(chǎn)后企業(yè)按復(fù)利償還時，年分?jǐn)偮蔔3計算公式為[17]：

(3)

式(1)～式(3)的計算方法在國內(nèi)都有應(yīng)用。公式中的償還年限和貸款利率，應(yīng)按具體工程的實際情況確定，在無資料提供具體數(shù)據(jù)時，可以參考上述推薦值。

3 經(jīng)濟排煙溫度計算實例

3.1 設(shè)備簡介

以實際設(shè)計的1臺管式加熱爐作為案例計算經(jīng)濟排煙溫度。該加熱爐為芳烴聯(lián)合裝置中的抽余液塔底重沸爐，設(shè)計熱負(fù)荷84.84 MW，爐型為單對流-雙輻射型圓筒爐，燃燒方式為底燒型。余熱回收系統(tǒng)采用熱煙氣經(jīng)空氣預(yù)熱器直接預(yù)熱空氣的方式，預(yù)熱后的熱空氣進(jìn)加熱爐燃燒，預(yù)熱后的冷煙氣經(jīng)煙囪排放至大氣。空氣預(yù)熱器采用組合式板式空氣預(yù)熱器，高溫段采用304ss材質(zhì)，低溫段采用耐腐蝕的鑄鐵材質(zhì)。

3.2 余熱回收系統(tǒng)年節(jié)省燃料費用A

設(shè)定增加空氣預(yù)熱器的管式加熱爐的熱效率分別為92%、93%、94%、95%、96%，其對應(yīng)排煙溫度分別為145 ℃、124 ℃、103 ℃、80 ℃、60 ℃。無空氣預(yù)熱器時管式加熱爐熱效率為84.8%，對應(yīng)排煙溫度為289.5 ℃。本設(shè)計中燃料氣采用天然氣，其分子量為17.3、熱值為36 843.2 kJ/m3。按運行年限10 a、運行時間8 400 h/a、天然氣價格3 500元/t計算不同加熱爐熱效率下余熱回收系統(tǒng)的年節(jié)省燃料費用A，結(jié)果見表1。

從表1可以看出，余熱回收系統(tǒng)年節(jié)省燃料費用A隨著排煙溫度的降低逐漸增大。

表1 不同加熱爐熱效率下余熱回收系統(tǒng)年節(jié)省燃料費用A計算結(jié)果

3.3 余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分?jǐn)傎M用B

首先根據(jù)熱平衡法計算出空氣預(yù)熱器的熱負(fù)荷，根據(jù)空氣預(yù)熱器的熱負(fù)荷及空氣預(yù)熱器進(jìn)、出口的排煙溫度計算出對數(shù)平均溫差，計算得出空氣預(yù)熱器的換熱面積，由此詢價得出空氣預(yù)熱器的價格。余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入=余熱回收系統(tǒng)投資費用(空氣預(yù)熱器價格+余熱回收系統(tǒng)其他部件費用)×年分?jǐn)偮省吝\營期年限Y+年運行維護費用×運營期年限Y。采用目前經(jīng)常采用的式(2)計算年分?jǐn)偮?，并假定投資償還年限與余熱回收系統(tǒng)使用年限相同。

根據(jù)空氣預(yù)熱器的換熱面積，通過已制造的熱效率為93%的空氣預(yù)熱器的質(zhì)量，根據(jù)換熱面積之比乘以已知空氣預(yù)熱器的質(zhì)量，折算得出不同熱效率下空氣預(yù)熱器的質(zhì)量。余熱回收系統(tǒng)其他部件費用則根據(jù)已經(jīng)設(shè)計完成的熱效率為93%的加熱爐的實際價格確定。假定m=10 a、n=10%、Y=10 a，年運行維護費用為余熱回收系統(tǒng)投資費用的11%，按式(4)～式(9)計算得出不同加熱爐熱效率下余熱回收運營期內(nèi)總投入的年分?jǐn)傎M用B，結(jié)果見表2。

(4)

(5)

P1=2.5m′

(6)

P3=0.11(P1+P2)

(7)

P4=P1+P2+YP3

(8)

(9)

式(4)～式(9)中，Δt為對數(shù)平均溫差，t1為空氣入口溫度，t2為空氣出口溫度，t1′為煙氣入口溫度，t2′為煙氣出口溫度，℃；S為換熱面積，m2；Q為空氣預(yù)熱器熱負(fù)荷，MW；K為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；P1為空氣預(yù)熱器價格，P2為余熱回收系統(tǒng)其他部件費用，P3為年運行維護費用，P4為余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入，萬元。

3.4 管式加熱爐年總收益C

由余熱回收系統(tǒng)年節(jié)省燃料費用A和余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分?jǐn)傎M用B的差值，得到加熱爐熱效率為92%、93%、94%、95%以及96%時管式加熱爐的年總收益C分別為546.5萬元、603.8萬元、620.7萬元、574.7萬元和126.7萬元。

表2 不同加熱爐熱效率下余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分?jǐn)傎M用B計算結(jié)果

管式加熱爐年總收益C與排煙溫度關(guān)系曲線見圖2。從圖2可以看出，排煙溫度約為103 ℃時管式加熱爐年總收益C有最大值，所以可得出本項目設(shè)計方案下的經(jīng)濟排煙溫度約為103 ℃，此時加熱爐的熱效率為94%。

圖2 管式加熱爐年總收益與排煙溫度關(guān)系曲線

4 經(jīng)濟排煙溫度影響因素

4.1 燃料價格

余熱回收系統(tǒng)的年節(jié)省燃料費用A受燃料價格的影響較大，文中計算對比過程中采用的天然氣價格是目前的市場價格。天然氣價格的波動會對計算結(jié)果造成影響，天然氣價格越高，排煙溫度越低，余熱回收系統(tǒng)的年節(jié)省燃料費用越多，所以應(yīng)根據(jù)運行周期內(nèi)的天然氣均價來核算余熱回收系統(tǒng)的年實際節(jié)省燃料費用。

4.2 余熱回收系統(tǒng)工藝參數(shù)

進(jìn)入空氣預(yù)熱器的煙氣溫度、煙氣量等對經(jīng)濟排煙溫度也有重要影響。煙氣溫度越高，煙氣量越大，一次性投入越大；煙氣溫度越低，煙氣量越小，一次性投入越小。隨著煙氣溫度、煙氣量的變動計算所得的經(jīng)濟排煙溫度會有所不同。

4.3 余熱回收系統(tǒng)設(shè)計方案

空氣預(yù)熱器形式、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等的不同對余熱回收系統(tǒng)投資費用影響較大，空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)形式越復(fù)雜，材質(zhì)等級越高，投資費用就越大。計算的經(jīng)濟排煙溫度不同，其對應(yīng)的加熱爐年總收益C也不同。因此也可通過比較年總收益C來優(yōu)選余熱回收系統(tǒng)設(shè)計方案。

4.4 煙氣露點溫度

為了防止露點腐蝕，要求空氣預(yù)熱器尾部傳熱管表面溫度不低于煙氣露點溫度。為確保不發(fā)生露點腐蝕，有些企業(yè)要求空氣預(yù)熱器尾部傳熱管表面溫度不低于煙氣露點溫度再加上20 ℃。從經(jīng)濟排煙溫度的概念看，需要把因露點腐蝕引起的維修成本納入到余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分?jǐn)傎M用B中。

4.5 其它因素

銀行貸款利率、項目建設(shè)資金的來源及模式對年分?jǐn)偪傎M用也有較大影響，銀行利率越高，年分?jǐn)偪傎M用就越大。不同年分?jǐn)偮视嬎惴绞綄δ攴謹(jǐn)偪傎M用的影響依次為N1>N2>N3。

5 結(jié)語

文中首次提出了用于管式加熱爐余熱回收系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟排煙溫度概念，并對經(jīng)濟排煙溫度進(jìn)行了實例演算，得出了該管式加熱爐的經(jīng)濟排煙溫度。經(jīng)濟排煙溫度并不是一個確定的溫度，其在不同的項目中可能有不同的數(shù)值。經(jīng)濟排煙溫度受燃料價格、余熱回收系統(tǒng)工藝參數(shù)及設(shè)計方案、煙氣露點溫度、貸款利率以及建設(shè)模式等因素的影響，這些影響因素確定之后，便可計算出經(jīng)濟排煙溫度。在今后的設(shè)計過程中，可采用數(shù)學(xué)上逐步逼近法的原理，精確計算出每個項目的經(jīng)濟排煙溫度，以提高加熱爐性價比，同時優(yōu)選余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計方案。