管式加热炉设计和应用第八章

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自2015年7月1日起，新建企业执行表8-1规定的大气污染物排放限值。

表8-1大气污染物排放限值

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在国土开发密度已经很高、环境承载能力开始减弱，或大气环境容量较小、生态环境脆弱，容易发生严重大气环境污染问题而需要采取特别保护措施的地区，企业执行表8-2规定的大气污染物特别排放限值。

表8-2大气污染物特别排放限值

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新标准常规大气污染物排放标准根据国内石油化工生产的实际情况，按工艺加热炉、乙烯裂解炉和有机废气收集处理系统分类，常规污染物二氧化硫按燃烧经脱硫后燃料气可达到的二氧化硫浓度取值；氮氧化物按采用国内可达到的低氮燃烧技术取值，特别排放限值按国外先进的低氮燃烧技术取值。常规大气污染物排放标准与现行标准比较见表8-3。

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表8-3新标准常规大气污染物与现行标准的比较

序号废气排放口新标准（排放限值）GB9078-1996（工业炉窑）GB13271-2014（锅炉）（燃气锅炉排放限值）二氧化硫氮氧化物二氧化硫烟尘二氧化硫烟尘氮氧化物新源新源二级三级二级三级新源新源新源1工艺加热炉10015085012002003005020200

单位：(mg/m3)

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8.1.2

烟气主要污染物

管式炉排烟对大气的污染，主要是硫氧化物、氮氧化物和颗粒物。燃油和燃气中的机械杂质比较少，燃烧也比较完全，因此颗粒物的排放并不严重。故炼油加热炉通过烟气排放的主要污染物是SOX和NOX。炼油加热炉使用的主要燃料是炼油装置自产的残渣油和副产气，这些燃料的主要成分是碳氢化合物，也不同程度地含有硫化物和氮化物。硫化物，无论是有机的还是无机的，在燃烧过程中，硫都会被氧化成SOX，其中主要是SO2。当炉膛内有过剩氧的存在时，一部分(约1%~3%)SO2将进一步氧化成SO3。SO3将与水蒸气在400℃以下生成硫酸蒸汽。硫酸蒸汽会在加热炉低温换热面和炉壁板上冷凝生成稀硫酸造成露点腐蚀。

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燃烧过程中生成的NOX中，90%以上是NO。在较低温度下，NO氧化成NO2。NO生成的机理有3种：快速转化型P-NOX(PromptNOX)是富烃类燃料燃烧时空气中的N2和O2在火焰面内高温下快速生成的；热转化型T-NOx(ThermalNOX)是火焰面下游空气中的N2和O2在高温下反应生成的；燃料转化型F-NOX(FuelNOX)是燃料中的氮化物燃烧时转化生成的。

NOx中的NO是无毒的，但它很容易进一步氧化成毒性的NO2。NO2会损伤深部呼吸道，重者可致肺坏疽，NO2还对黏膜、神经系统和造血系统造成损害，吸入高浓度NO2会造成窒息。

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8.1.3

烟气减排措施

减少污染物排放的措施可以在三个阶段采取：燃烧前对燃料进行预处理，燃烧过程中减少污染物的生成，燃烧后对烟气进行后处理。

1）燃烧前对燃料进行预处理

燃料预处理主要是脱硫和脱氮。

石油中的硫化物主要是噻吩类硫(噻吩类、苯噻吩类、二苯噻吩类、苯荼噻吩类等)，约占石油中总硫的50~70%，其次是非噻吩类硫(硫醇类、硫化物和二硫化物)。含硫原油各馏分中硫的分布是馏分越重含硫量越高，绝大部分硫都集中在渣油中。在加氢处理过程中各类硫化物生成相应的烃类和H2S。H2S进入副产气中后，再到气体脱硫装置脱除。

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石油中的氮化物大部分是杂环化合物，非杂环化合物数量较少，主要是脂肪族胺类和腈类。杂环化合物可以分为碱性和非碱性两大类，其基本单元是吡咯和吡啶。随着馏分变重，吡咯环和吡啶环分别并上一个、二个或多个苯环。与硫在石油馏分中的分布类似，馏分越重含氮量越高。石油馏分中的氮化物加氢脱氮后生成相应的烃类和氨，氨进入副产气中再到气体脱硫装置脱除。

气体脱硫装置一般采用胺法脱硫，即用浓度为30%左右的胺液吸收气体中的H2S，胺液再生时将H2S释放出来，成为高浓度的H2S酸性气体，酸性气体再到硫回收装置还原成硫磺。用胺法脱硫可将炼厂气和天然气中的H2S分别脱到30~50mg/m3和20mg/m3，实际操作中可以脱到10mg/m3以下。胺法脱硫工艺流程比较简单，投资也不算高，但它不能脱除气体中的有机硫。有机硫一般用水解法或加氢处理才能脱除，但投资比较高。一般有机硫含量不高时都不用脱除，只限制气体的总硫。目前十页\总数二十九页\编于九点第八章加热炉的发展趋势及技术交流

氨溶解于水，炼厂气中的氨在胺法脱硫时基本上溶解于胺液的水中被脱除。

2）燃烧过程中减少污染物的生成燃料中的硫化物和氮化物在燃烧时分别生成SOX和NOX。这些燃料转化型F-SOX和F-NOX在燃烧过程中是很难减少其生成量的，只能通过燃料脱硫、脱氮才能有效减排。但空气中的氮燃烧时生成的快速转化型P-NOX和热转化型T-NOX可以通过控制燃烧过程来减少其生成量。

在燃烧过程中,主要是采用各种方法，减缓燃烧速率和燃烧强度，降低燃烧区的温度，从而减少NOX的生成。这就是各种低NOX燃烧器设计的基本理念。

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第一代低NOX气体燃烧器是空气分级气体燃烧器，其烟气中NOX的浓度降到140mg/m3左右。

第二代低NOX气体燃烧器是燃料分级燃烧器，其烟气中NOX的浓度降到80mg/m3左右。第三代低NOX气体燃烧器是烟气内回流低NOX燃烧器，可将烟气中NOX的浓度降到50mg/m3左右。目前使用的低NOX燃烧器大都采用这项技术。本世纪初投入工业使用的强化烟气内回流低NOX气体燃烧器，烟气中NOX的浓度已下降到了35mg/m3以下。低NOX重油燃烧器是本世纪初才开始研发和投入工业使用的。低NOX重油燃烧器主要是采取空气分级供应的办法来降低NOX生成量，已取得降低氮氧化物20%~30%的显著效果。烧含氮0.3%(质量分数)的重油，常规燃烧器烟气中的NOX浓度一般在600mg/m3以上，而空气分级低NOX目前十二页\总数二十九页\编于九点第八章加热炉的发展趋势及技术交流

重油燃烧器烟气中的NOX浓度在400~500mg/m3范围内。炉外烟气回流，将燃烧空气中的氧浓度降到16%~18%，对燃油燃烧器减排肯定会有帮助，但目前尚未见工业应用的报导。

历经三十来年的研究和开发，气体燃烧器的NOX减排技术基本上已臻完善。而重油和渣油燃烧器的NOX减排技术尚处在初级阶段。目前十三页\总数二十九页\编于九点第八章加热炉的发展趋势及技术交流

3）燃烧后对烟气进行后处理

燃烧后的烟气处理减排技术大都采用氨法，也有少数采用尿素法的。表8-4列出了三种烟气减排处理技术的主要特点和使用范围。

表8-4各种烟气减排处理技术比较

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选择性非催化剂还原工艺(SNCR)是向烟气流中连续喷入氨或尿素以使氮氧化物转变成氮气和水蒸气的工艺。采用氨作还原剂时，用空气或蒸汽携带氨气，在温度适当的区域注入烟气中，将NOx还原成氮气和水。采用尿素作还原剂时，把尿素的水溶液注入充满烟气的通道内，尿素热分解并与NOx反应生成氮气、二氧化碳和水。

选择性催化剂还原工艺(SCR)从烟气中脱除氮氧化物NOx，是把氨(NH3)注入烟气中，并在通过催化剂床层时与烟气良好混合。在催化剂作用下，NOx与NH3反应生成氮气和水。

国内锅炉行业已采用烟气脱硫、脱氮、除尘三位一体化技术。该技术用引风机将烟气从反应塔顶部的文丘里管引入反应塔，在文氏管段，调配好的氨水经喷嘴雾化后，与烟气中的SO2充分混合、接触、反应，生成亚硫酸铵，脱除烟气中的SO2。同时，生成的亚硫酸铵与烟气中的NOx反应生成硫酸铵和氮气，从而脱除烟气中的NOx。反应生成的硫酸铵被回收，目前十五页\总数二十九页\编于九点第八章加热炉的发展趋势及技术交流

可用于生产磁性高效复合肥；氮气则重新还给大气。经离心除尘净化后的烟气由反应塔中部的出口，经烟囱排入大气。脱硫、脱氮、除尘三位一体化技术，脱除SO2效率高达95%以上，脱除NOx效率可达40%。

目前十六页\总数二十九页\编于九点第八章加热炉的发展趋势及技术交流8.2规模大型化

8.2.1国内目前水平

随着设计、制造和操作等综合技术水平的提高，加上规模效益的驱使，新建石油化工装置的规模越来越大,管式炉也随之越来越大型化。20世纪的最后几年里,国内已设计建造了单台热负荷80~90MW的加热型管式炉。而国外在同期内建造的大型管式炉热负荷达250MW。在最近几年内，国内将建造150MW以上的加热型管式炉。估计用不了多长时间,国内在加热型管式炉大型化方面能很快赶上世界水平。

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加热一反应型管式炉也随着生产规模的增加而大型化。上个世纪的最后几年里,国内已设计和建造了产氢量6X104Nm3/h的制氢转化炉,国外在同期内则建造了12X104Nm3/h的制氢转化炉。在最近几年内，国内也将建造8~14X104Nm3/h的制氢转化炉,因此,国内在加热一反应型管式炉的大型化方面，赶上世界水平也为期不远。

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8.2.2规模大型化限制因素

管式炉的大型化并不是简单的结构尺寸放大,也不是一加一等于二那样的简单堆积。大型化应是科技发展和技术水平提高的结果。

1）炉管表面平均热强度提高炉管表面热强度就可以用较小的排管面积,完成较大的热负荷。但是，炉管表面热强度的提高要受到许多因素的限制。在加热型管式炉中，首先要受油膜温度的限制。炉管表面热强度愈高，油膜温度也愈高，当油膜温度达到或超过油品裂解温度时，油品就会产生裂解，这将影响最终产品的品质，或增加后加工装置的负担，严重时还会造成炉管结焦，缩短操作周期。在加热一反应型管式炉中，炉管表面热强度的提高则要受到管内空速和催化剂床层温度的限制。只有采用性能良好的催化剂，允许采用较高的空速，以承受更高的床层温度，才能采用较高的炉管表面热强度。目前十九页\总数二十九页\编于九点第八章加热炉的发展趋势及技术交流

限制炉管表面热强度的另一个重要因素是炉管金属的最高允许使用温度。热强度愈高,管壁金属温度也愈高。当管壁金属温度达到最高允许使用温度时，炉管表面热强度不能再提高。否则，就必须换用更高级的炉管材料，这将意味着投资的增加。

2）炉管表面最高热强度

在管式炉中，炉管表面热强度并不是均匀的。沿炉膛高度、宽度和长度三维方向上的温度场是不均匀的，沿炉管圆周和管长方向上传热也是不均匀的。设计上常常采用炉管表面平均热强度的概念，以简化计算过程。实际上其限制因素是以炉管表面热强度最高点来计算的。因此，使炉膛温度场分布均匀，使热传递沿炉管圆周和管长分布均匀，减小各种不均匀系数，就可以在最高热强度不超限的前提下，大大提高平均热强度，从而减少排管面积，缩小大型化后管式炉的尺寸。目前二十页\总数二十九页\编于九点第八章加热炉的发展趋势及技术交流

8.2.3国内外差距及对策

加热型管式炉的平均热强度,国内设计和国外比较接近。个别设计平均热强度较低者,多数是因用户要求留有余地,以便将来可提高装置能力所致。加热一反应型管式炉，国内设计的平均热强度比国外同类管式炉要低得较多。例如制氢转化炉，国内的平均热强度一般仅45一50KW/m2，而国外的一般是70一80KW/m2,高的可达88KW/m2。转化炉大型化后，炉内温度场和烟气流动场的分布均匀性至关重要，因为转化炉管的工作温度已经十分接近其管材最高允许使用温度，如果炉内温度场和烟气流动场不均匀，则个别转化管极易超温而引起早期损坏，以致不能长周期安全运转。

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为了解决这一难题,国外一些工程公司专门开发了炉内温度场和烟气流动场的大型模拟软件包，应用这种软件来模拟转化炉内的温度场和烟气流动场,可以获得燃烧器的最佳选型和布置,也可以获得均匀烟气流动场的最佳结构设计，以保证转化炉在极高的平均热强度下长周期安全运行。国内此类软件还不成熟，这也是国内不敢盲目提高转化炉平均热强度的重要原因之一。

最近几年，已有设计院和科研院所运用CFD方法对大型制氢转化炉的温度场及烟气流场进行模拟，取得了一些成果。通过CFD模拟，大型制氢转化炉的机械设计特别是炉底烟气隧道的开孔率及其布置、辐射室与对流室的烟道连接等，均可以同时进行几个方案的比较和优化，从而获得良好的流动场和温度场。

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为保证大型制氢转化炉在苛刻的操作条件下能安全、平稳、长周期运转，除应用CFD设计良好的炉内温度场外，对炉内运行状况进行科学而严格的监控是非常必要的。从前，转化炉主要靠常规热电偶和目力监控。2000年后开始使用工业电视监控，但这只能做到定性的观察，定量的监控还仅限于设置热电偶的几个点上。

国内最近开发了炉内三维温度场可视化技术，其基本原理是利用CCD摄像机作为二维辐射能量分布传感器，接收三维炉膛内的高温辐射能信号，依据辐射成像新模型，建立火焰二维温度图像和三维空间燃烧温度的关联方程，采用正则化重建方法获得炉膛三维温度场可视化结果。该技术可以同时给出炉内1000个以上离散单元的三维温度场分布数据和实时显示，刷新周期小于等于5s，相对误差在5%以内。可以提供炉内烟气、火焰和炉管管壁的三维温度场实时精确温度度数，绘制二维平面和三维立体温度彩色云图，以及火焰长度和直径直观形状图等。该技术还可以将其检测到的

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辐射能信号参与DCS系统的优化控制。目前，这项技术已在冶金和电站系统推广，希望能早日应用到转化炉上，使运行管理更上一层楼。

目前二十四页\总数二十九页\编于九点第八章加热炉的发展趋势及技术交流8.3

蓄热式燃烧技术

蓄热式高温空气燃烧技术，亦称为无焰燃烧技术，是20世纪90年代以来，在发达国家开始普遍推广应用的一种全新燃烧技术。它的最大特点是节省燃料,减少CO2和NOx的排放及降低燃烧噪音，被誉为21世纪的关键技术之一。近年来，该技术在冶金和机械制造行业已得到广泛应用，如将其移植“嫁接”到石化管式炉上，将带来其炉型上的一次革命性变革。

目前二十五页\总数二十九页\编于九点第八章加热炉的发展趋势及技术交流8.3.1工作原理

蓄热式高温空气燃烧技术的工作原理如图8-1所示。常温空气由鼓风机送入，在通过燃烧器蓄热体时被迅速加热至高温（在极短的时间内常温空气被加热到接近炉膛温度，一般比炉膛温度低50~100

℃，这取决于蓄热体的蓄热容量和蓄热速率），空气喷入炉膛时将卷吸烟气形成贫氧的高温气流，在这股气流附近喷入燃料，燃料在贫氧（2%~20%）的气流中燃烧。

图8-1蓄热式高温空气燃烧技术示意

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由于燃料不是直接喷入含氧气流中，燃料分子与氧分子只有经扩散碰撞时随遇燃烧，没有明显的火焰边界。与此同时，烟气靠引风机，通过另一侧的燃烧器被吸出，热烟气热量传递给蓄热体而降温后经换向阀、引风机和烟囱排入大气。换向阀按一定的频率切换，使两侧的燃烧器在蓄热和放热的状态下交替工作。

8.3.2蓄热式燃烧技术优势

1）提高炉管表面平均热强度

蓄热式高温空气燃烧技术的突出优点是由于没有明确的火焰，整个炉膛温度非