汽油加氢加热炉性能评价

甘凌峰

中石化安庆石化公司  安徽省  安庆市246000

管式加热炉是石油化工生产中的主要耗能设备。安庆石化Ⅰ加氢装置加热炉的能耗占比超过装置能耗一半。因此，加热炉的节能对装置能耗的节能具有重要意义。为更好的对加热炉进行节能改造，需先对加热炉运行情况进行评估。

一、Ⅰ加氢装置加热炉概况

Ⅰ加氢装置加热炉F101为圆筒立式管式加热炉，无余热回收系统，通风方式采用的是自然通风方式。2016年Ⅰ加氢装置加热炉F101的3只燃烧器全部更换为低氮燃烧器。

二、加热炉F101运行情况

1、加热炉热负荷

Ⅰ加氢F101入口温度T1=185℃，出口温度T2=240℃，加工量F1=18t/h。

1.1 焦化汽油热负荷

图1 油品比热容图

根据上图可查出，油品185~240℃的平均比热容约为2.6kJ/(kg·℃)。

热负荷Q1=c1F1∆t=2.6×18000×55=2574000 kJ/h

1.2 循环氢热负荷

循环氢相对分子质量M=2×88.597%+16×0.651%+30×0.265%+44×0.142%+58×0.407%+58×1.689%+72×6.866%+28×0.031%+34×1.352%=8.65

循环氢比热容Cp=（2×88.597%×3.4+16×0.651%×0.52+30×0.265%×0.41+44×0.142%×0.39+58×0.407%×0.397+58×1.689%×0.397+72×6.866%×0.397+28×0.031%×0.25+34×1.352%×0.26）/8.65=1.052 kcal/(kg·℃)=4.41kJ/(kg·℃)

循环氢密度=M/Vm=8.65/22.4=0.39kg/m3。循环氢流量F2=19000 m3/h,循环氢质量流量=19000×0.39=7410kg/h。

热负荷Q2= c2F2∆t=4.41×7410×55=1797295.5kJ/h

1.3过热蒸汽热负荷

Ⅰ加氢加热炉F101将蒸汽进行加热后作为汽提蒸汽供装置使用。蒸汽进F101入口温度T1=189℃=462K，从F101出口温度T2=191℃=464K。蒸汽量F3=0.8t/h=800kg/h,查过热蒸气比热容图表可知，过热蒸汽比热容Cp=1.944 kJ/(kg·K)

过热蒸汽热负荷Q3= C3F3∆t=1.944×800×（464-462）=3110.4 kJ/h

总热负荷Q总1=Q1+Q2+Q3=2574000+1797295.5+3110.4=4374405.9kJ/h

Ⅰ加氢低氮燃烧器额定能量为1.4MW，共有三个燃烧器，共能释放最大能量Qmax=1.4*3 MW=4.2*106J/s=4.2*106*3600/1000kJ/h=15120000 kJ/h。

火嘴利用负荷率%=Q总1/Qmax=4374405.9/15120000*100=28.93%。

Ⅰ加氢加热炉火嘴燃烧释放的热量满足目前工况下的热量需求。

当Ⅰ加氢装置满负荷运行时，装置加工量F1=21t/h，加热炉F101需提供的热量：

Q总2= c1F1∆t + c2F2∆t+ C3F3∆t=2.6×21000×55+4.41×7410×55+1.944×800×（464-462）=4803406 kJ/h

此时火嘴负荷率%= Q总1/Qmax=4803406 /15120000*100=31.77%

根据计算所得可知，Ⅰ加氢加热炉能够满足装置热量需求。

2、燃料气消耗量

燃料气组分

项目	占比%	低位发热量	项目	占比	低位发热量
氢气	25.31	10805	异丁烷	0.094	117875
一氧化碳	1.16	12650	正丁烷	0.082	117875
二氧化碳	1.36		反丁烯	0.012	113383
甲烷	47.32	35960	正丁烯	0.023	113383
乙烷	17.53	63673	异丁烯	0.023	113383
乙烯	6.043	35960	顺丁烯	0	113383
丙烷	0.68	90485	C5+	0.012	140375
丙烯	0.351	86939

燃料气低热值为各组分的低位发热量与其体积分数乘积的代数和，即：

Qnet=25.31%×10805+1.16%×12650+47.32%×35960+17.53%×63673+6.043%×35960+0.68%×90485+0.351%×86939+0.094%×117875+0.082%×117875+0.012%×113383+0.023%×113383+0.023%×113383+0.023%×113383+0.012%×140375=34443.2 kJ/m3

根据LIMS中燃料气性质，可知燃料气的密度为0.774kg/m³。

根据实际工况，目前Ⅰ加氢F101热效率为87%。

则所需燃料气流量=(Q1+Q2)/(燃料气热值×加热炉热效率)=146 m³/h=113 kg/h。

3、加热炉热效率

η=100-Q1-Q2-Q3

η—加热炉热效率,%；

排烟损失Q1%  : 

 Q1=[(0.0083+0.031*α)*(tg+0.000135*tg*tg)+(5.65+0.0047*tg)*W-1.1]/[1+0.00034*(ta-15.6)]+0.0657*W]；

不完全燃料损失Q2 %：Q2=[(4.043 *α)-0.252)*CO/10000]/[1+0.00034*(ta-15.6)]+0.0657*W]；

散热损失 Q3%:  Q3=3  (一般为规定值，只有在标定时，才会实际测算。各企业单位平时或检查时用这个。说明：炼油加热炉取3 ,裂解炉取2。)；

α为过剩空气系数，  一般企业单位直接在DCS上读取氧量，计算湿烟气α=（21+0.116*O2）/(21-O2)；

外部测量仪器有过滤水分的干烟气α=（21-0.0627*O2）/(21-O2)；

w---雾化蒸汽用量，kg/kg燃料，如无，则代设计值；

CO---烟气中CO含量，ppm；

O2---烟气中O2 %；

tg---烟气温度；

ta---外供热源时，热空气温度；  当用自身热源或不预热空气时，0.00034*(ta-15.6)=0计算。

Ⅰ加氢F101氧含量O2=4.8%，烟气温度tg=175℃，一氧化碳含量CO=10ppm。

 α=（21+0.116*O2）/(21-O2)=（21+0.116*4.8）/(21-4.8)=1.33

 Q1=[(0.0083+0.031*α)*(tg+0.000135*tg*tg)+(5.65+0.0047*tg)*W-1.1]/[1+0.00034*(ta-15.6)]+0.0657*W]=7.82%

Q2=[(4.043 *α)-0.252)*CO/10000]/[1+0.00034*(ta-15.6)]+0.0657*W]=0.0052%

 Q3=3 %

η=100-Q1-Q2-Q3=100-7.82-3-0.0052=89.128%

理论计算Ⅰ加氢加热炉F101热效率在89%左右，与设计加热炉热效率89.8%相差不大，表明加热炉目前运行情况符合设计要求。

加热炉热效率主要与加热炉的氧含量、排烟温度以及烟气中CO含量有关。定期对Ⅰ加氢装置加热炉F101进行烟气检测，CO含量均很小，通过计算发现CO 含量对加热炉热效率影响不大，故接下来主要讨论氧含量以及排烟温度对加热炉的影响。

三、结论

1、Ⅰ加氢加热炉F101目前采用的自然通风且无空气预热器，导致加热炉氧含量和排烟温度高，造成热量损失大，加热炉热效率低，燃料气消耗量大。目前排烟温度175℃，氧含量4.8%，如果能够通过加装空气预热器，同时控制氧含量。那么将排烟温度降至110℃，氧含量控制在3%，相比调整前可节约燃料气9 kg/h。

2、严格控制原料进料温度和加热炉进料温度，加强现场巡检，观察火嘴燃烧情况，确保火焰燃烧状态良好。降低氧含量可有效增加加热炉热效率，当氧含量为1%时，加热炉热效率相较于氧含量为4%时提高了2.89%。

3、过剩空气系数是由氧含量控制的，将氧含量控制在适当的范围（小于4%），有利于燃料的充分燃烧以及火焰向周围管壁的热辐射的增强，有效地减少了 NO排放量。

参考文献

[1]王宝刚.管式加热炉气体燃烧特性实验与模拟研究[D].合肥工业大学，2018.