工业加热炉中燃气节能器的应用与评价

王宁 马方义 左甜 董健 晋西润（中海油（青岛）重质油加工工程技术研究中心有限公司）

工业加热炉中燃气节能器的应用与评价

王宁 马方义 左甜 董健 晋西润（中海油（青岛）重质油加工工程技术研究中心有限公司）

在石化行业中加热炉是主要耗能设备之一，如何降低其燃料用量显得尤为重要。燃气节能器作为一种新型的节能设备，目前在炼厂加热炉中的应用研究尚不深入。某公司通过试用的形式投用4台燃气节能器，并对该燃气节能器进行了工业试验标定。基于该工业试验，建立了加热炉运行中烟气的O2-CO含量关系曲线及函数关系式；并以投用燃气节能器前后1 t闪底油吸收1 kJ热量所需要提供的天然气量（或热量）作为比较数据，从而确定该燃气节能器实际节能效果为0.434 7%，以供该炼化公司参考。

加热炉；燃气节能器；工业试验研究；燃料耗量；热量

加热炉是石化行业的主要耗能设备之一，其燃料能耗占炼油厂总能耗的30%～50%，因此，如何提高加热炉的热效率、降低燃料耗量对降低生产装置及整个企业的节能降耗有着重要的意义。某炼化公司通过试用的形式投用4台燃气节能器，安装位置在常压炉天然气燃烧器金属软管之前。分别对投用燃气节能器前后的常压炉运行参数以及烟气、闪底油、天然气成分和用量等数据进行检测采集，并对检测结果进行计算分析。

1 加热炉及燃气节能器概述

1.1 加热炉

该公司的150×104t重交沥青装置于2002年5月建成投产，并一次开车成功。常压加热炉设备位号F101，设计负荷8720 kW，设计热效率88%，炉膛尺寸为φ7146 mm×12 862 mm；减压加热炉设备位号F102，设计负荷4700 kW，设计热效率88%，炉膛尺寸为φ4716 mm×12 450 mm。两炉均是2002年5月投用，为分体圆筒型加热炉。两炉共用排烟系统，余热回收系统为扰流子+水热媒空气预热器。如图1所示为加热炉物料及能量转换简图。

测试期间，保证加热炉运行稳定；测试过程中，每间隔1 h采集1组在线DCS数据；每个烟气测试点在一定时间内取多组数据，从而确定不同状态下炉膛（辐射室顶部）O2含量与CO含量的对应关系。被加热介质的工艺参数，取在线仪表读数；被加热介质的馏程性质通过现场采样并进行实验室分析。

1.2 燃气节能器

目前的燃气环保节能器是专门针对提高燃气燃烧效果而开发的，其工作原理：当气体燃料经过磁化器，在磁场的作用下，氢原子由逆氢转变为正氢，活性增强。同时，改变原子中电子的运动状态，进而改变气体燃料中原子之间的空间距离，加速燃料分子的扩散，使其和氧充分混合，增加受氧面积，更易于氧分子结合，促进其化学反应，使燃烧更加充分，最终降低烟气排放中的CO含量以及NOx含量[1]。

2 烟气检测数据及分析

针对常压炉燃气节能器运行效果的标定评价，选取烟气测试点位置为常压炉辐射室顶部、常压炉对流室顶部及空气预热器引风机前。检测仪器选用Testo-Pro型烟气分析仪，用以分析烟气中的O2、CO、CO2、NO、NO2、SO2、NOx含量以及烟气温度等。

常压炉燃气节能器运行效果的评价工作分为两个阶段进行，即A时间段：运行燃气节能器；B时间段：未运行燃气节能器。首先通过比较两段时间内常压炉辐射室顶部外排烟气中的CO含量来进行定性说明；然后再根据不同时间段内所消耗的天然气量及加热炉运行参数等，进行定量计算来确定其实际效果，最终完成此次燃气节能器的评价工作。

图1 加热炉的物料及能量转换

图2 O2与CO含量关系模拟曲线

1）燃气节能器运行前后烟气数据。燃气节能器运行前后，针对常压炉辐射室顶部的烟气数据进行检测，同时根据不同O2含量下的CO含量数据进行数值模拟，得到对应的模拟曲线见图2。即对应函数关系式为

y=A×exp(-x/t)+B

运行燃气节能器时：A、t、B分别取417 234.669 57、0.034 83、5.703 88； x和y分别为O2含量及CO含量；未运行燃气节能器时： A、t、B分别取830.323 39、0.294 67、0.992 14。

2）烟气数据分析。在常压炉运行状况保持平稳的前提下，通过对比运行燃气节能器前后的O2与CO关系来定性说明该燃气节能器的效果。由图2及O2与CO对应函数关系式可知：投用该燃气节能器时，当O2体积分数为0.8%左右，其对应的CO含量基本为零；未运行燃气节能器时，当O2体积分数为1.5%左右，其对应的CO含量基本为零。投用该燃气节能器能够使天然气在较低氧含量的前提下充分燃烧，具备节能的效果。

3 燃气节能器运行效果分析

3.1 基础数据分析

针对该公司常压炉所用天然气样品进行成分分析，其各组分的体积分数：甲烷93.679%、乙烷3.504%、丙烷0.615%、正丁烷0.107%、异戊烷0.038%、N2及CO2各占0.763%、1.179%。

常压炉被加热介质为闪底油，根据GB/T 1884—2000、ASTM D2887检测标准对所采样品进行密度及馏程测定，确定闪底油20℃时密度为968.1 kg/m3，具体馏程数据见表1。

3.2 不同时间闪底油及天然气用量计算

根据以上统计数据及天然气现场记录数据，以A区间数据作为运行该节能器的有效数据；B区间数据作为未运行节能器的比对数据，从而确定以下运行参数：

表1 闪底油馏程性质数据

1）运行燃气节能器时相关数据。闪底油：入炉平均瞬时量为 152.5 t/h，入炉平均温度为281.81℃，入炉平均压力为0.503 MPa，出炉平均温度为366.89℃，出炉平均压力为0.04 MPa；天然气：入炉平均瞬时量为1 179.81 m3/h（标况），入炉平均温度为24.1℃。

2）未运行燃气节能器时相关数据。闪底油：入炉平均瞬时量为150.39 t/h，入炉平均温度为280.48℃，入炉平均压力为0.489 MPa，出炉平均温度为368.45℃，出炉平均压力为0.04 MPa；天然气：入炉平均瞬时量为1 205.25 m3/h（标况），入炉平均温度为22.67℃。

3.3 天然气燃烧及显热相关计算

1）天然气燃烧计算。根据所测天然气组分，计算可得该燃料燃烧性质参数见表2。

表2 1 kg燃料的燃烧性质

2）天然气及空气显热计算。运行燃气节能器时显热计算：计算可得，A时间段内，入炉空气平均温度为204.3℃，其显热值为3 132.24 kJ/kg燃料；天然气平均入炉温度为24.1℃，其显热值为14.79 kJ/kg燃料；未运行燃气节能器时显热计算：B时间段内，入炉空气平均温度为203.28℃，其显热值为3 114.93 kJ/kg燃料；天然气平均入炉温度为22.67℃，其显热值为12.45 kJ/kg燃料。

3.4 燃气节能器运行效果

加热炉节能试验评价中，为排除常减顶瓦斯气流量波动带来的数据偏差，特将常减顶瓦斯气引入减压炉燃烧，常压炉燃料为单一成分的天然气，天然气现场采样并进行实验室成分分析。

根据闪底油工艺参数及馏程性质分析数据，采用PROII化工专业模拟软件计算闪底油在不同温度压力下的焓值；由上述统计结果，确定出天然气流量、低发热值、燃料供给热量、天然气及空气显热值等，运行该节能器前后的两次计算中，以1 t闪底油吸收1 kJ热量所需要提供的天然气量（或热量）作为直接比较的数据，从而确定该燃气节能器的实际效果。具体计算结果见表3。

运行节能器时，闪底油在该时间段内出炉焓值与入炉焓值之差为253.39 kJ/kg；加热炉供给总热量由天然气低发热量、天然气显热及入炉空气显热提供，其数值为4.58×106kJ/h。

未运行节能器时，闪底油在该时间段内出炉焓值与入炉焓值之差为261.34 kJ/kg；加热炉供给总热量由天然气低发热量、天然气显热及入炉空气显热提供，其数值为4.68×106kJ/h。

通过对比分析，在低氧含量（辐射室顶部氧含量低于1.5%）的操作条件下运行该燃气节能器时，无论按照热量还是天然气量计算，均稍优于未投用燃气节能器时的效果。

4 结论

1）投用该燃气节能器能够使得天然气在更低氧含量的前提下充分燃烧，具备一定的节能效果。

2）通过比较1 t闪底油吸收1 kJ热量所需要提供的天然气量作为评价依据，在低氧含量操作条件下运行该燃气节能器时，所需要提供的天然气量可以节约0.434 7%。

3）以上结论均是在低氧含量的操作条件下取得，运行该燃气节能器后，常压炉所用天然气量有一定程度的减少。在正常操作条件下，辐射室顶部氧的体积分数为2%～4%，天然气不完全燃烧的问题减少。因此，对于整个加热炉系统而言，安装运行该燃气节能器后，节省的天然气用量将低于评价期间（低氧含量操作条件）所得结果。

[1]陈庆生，陈松林.燃气磁化处理原理与节能效果的探讨[J].节能，2003（11）：35-36.

表3 燃气节能器运行前后节能效果对比

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.008

2016-04-23 （编辑 沙力妮）

王宁，工程师，2014年毕业于燕山大学（材料科学与工程专业），从事石油化工腐蚀与防护及节能减排技术研究工作，E-mail：wangning19@cnooc.com.cn，地址：山东省青岛市黄岛区千山北路575号，266500。