1、前言
炼油装置的石油炼制过程是蒸馏、萃取等物理过程，也包含裂解、缩合、转化等化学过程。这些过程都需要供给大量的热量才能完成。加热炉就是为这些过程提供热量的设备，其供热量直接影响后续分馏塔的产品收率，或直接影响后续反应器的反应深度，从而影响最终的产品收率。同时，加热炉又是炼油装置的能耗大户，其燃料消耗在炼油装置总能耗中占有相当大的比例。因此，加热炉是炼油装置节能的关键设备。本文着重讨论了加热炉节能的途径及其制约因素，回顾了几十年来加热炉节能的成绩，探讨了进一步节能的措施。
2、加热炉是炼油装置的能耗大户
加热炉的燃料消耗占炼油厂全厂能耗的比例约为40％左右。在各炼油装置中，常减压装置的能耗较高，一般占全厂能耗的9.5%～11%。例如，一座包括18套装置、加工中东含硫原油、产能为800万吨/年的炼油厂，全厂能耗为88.10kg标油/t原油，而常减压装置能耗为9.85kg标油/吨原油，占全厂能耗的11.18%。在常减压装置中，又以常压炉和减压炉的燃料消耗为最高。以1000万吨/年常减压装置的能耗分析为例，装置总能耗为397.61MJ/吨原油，加热炉燃料消耗为343.32MJ/吨原油，约占装置总能耗的比例高达86.35%。
炼油厂其他装置的能耗也不低，特别是一些深加工装置，例如加氢精制装置，能耗也很高，但加热炉燃料消耗所占比例不一定高。常见装置加热炉燃料消耗占装置总能耗的比例为：常减压蒸馏装置一般为82%~92%，焦化装置约为90%，连续重整装置约为82%，柴油加氢装置约为30%。
3、加热炉节能的主要途径
炼油装置加热炉的节能措施比一般工业炉要灵活得多，这是由于它所加热的工艺介质在经过后续设备完成蒸馏或其他加工过程之后，产品需要冷却到一定温度才能送出装置，冷的原料和热的产品之间往往要进行复杂的热交换。另外，一个装置内常常不只有一台加热炉，还有各种其他设备，它们之间在热能利用方面往往是可以互补的。这就有可能也有必要首先把加热炉同整个装置结合在一起，全面考虑和优化，以便采取综合节能措施。
3.1优化换热流程，降低加热炉热负荷
炼油装置的特点是：加热炉的热负荷随换热流程的不同而改变。优化换热流程、降低加热炉热负荷，是减少燃料消耗、降低装置能耗最直接、最有效的措施。以常压炉为例，在20世纪70年代以前，原油入炉温度（换热终温）仅220℃左右。那时建一套250万吨/年处理量的常减压装置，就需要设一台48.3MW的常压炉。而现在，经过换热流程的优化，建一套1000万吨/年处理量的常减压装置，常压炉的热负荷只需要72.6MW。70年代末，第一轮节能改造首先就是优化换热流程，原油换热终温（即常压炉入口温度）从220℃提高到了280~290℃，常压炉热负荷几乎减少了1/2，取得了显著成果。新近设计的一台800万吨/年常减压装置常压炉，由于采用了优化换热流程，炉入口温度为293℃，出口温度为360℃，热负荷仅58.1MW；同时，采用了空气预热器，燃烧空气被预热到273℃，燃料消耗仅5314kg油标/h。如果不优化换热流程，入口温度仅220℃，出口条件和空气预热温度不变，则常压炉热负荷为103.7MW，燃料消耗高达9641kg油标/h。假定燃料油价格为3000元/t，则优化换热流程后一年可节省燃料费10910万元。由此可见，优化换热流程带来的节能效果和经济效益多么显著和巨大。
3.2加热炉与其他设备联合回收余热
炼油装置的产品，有一些是要经过空冷才能送出装置的。如果将这些空气冷却器排出来的热空气收集起来供给炉子作燃烧空气，就可以回收一部分热能，从而降低装置的能耗。新建的炼油装置，只要条件许可，一般都采取这种节能措施。常见的是用热油式空气预热器代替空冷器，将原来空冷的油品引入热油式空气预热器，冷却后送出装置。被加热的空气供给炉子作燃烧空气。如果油品提供的热量不多，也可将这种热油式空气预热器作为暖风器使用。空气自环境温度预热到一定的温度（例如60～80℃）后，再进入烟气余热回收设备，这不仅回收了热能，而且解决了余热回收设备冷端的低温露点腐蚀问题，一举两得，何乐而不为。这一点对于北方，特别是冬季寒冷的东北和西北更为有利。
3.3提高加热炉热效率
热效率是衡量加热炉先进性的一个重要指标，其高低关系着炼油装置能耗的高低。20世纪70年代以前，加热炉的热效率仅为60%~75%。70年代末期，一场世界性的能源危机促使各种节能措施纷纷上马。从那时起，加热炉热效率一再得到提高，现在大、中型加热炉的热效率一般都在88%~93%。提高加热炉热效率的措施有：降低排烟温度、降低过剩空气系数、减少不完全燃烧损失、减少散热损失等，可用简化的热效率反平衡表达式描述：
η＝(1-q1-q2-q3)×100%
式中：η为加热炉热效率；q1为排烟损失占加热炉总供热的比值，是排烟温度和过剩空气系数的函数；q2为不完全燃烧损失占加热炉总供热的比值；q3为散热损失占加热炉总供热的比值。
3.3.1 降低排烟温度以减少排烟损失
排烟损失在加热炉的热损失中占极大的比例：当炉子热效率较高（例如90%）时，排烟损失所占比例为70%~80%；当炉子热效率较低（例如70%）时，所占比例高达90%以上。降低排烟温度和降低过剩空气系数都能减少排烟损失。降低排烟温度的主要措施有以下几种：
1）减小末端温差，即减小排烟温度与被加热介质入对流室温度之差
这项措施涉及到一次投资和运转费用的权衡问题，应该由详细的技术经济比较来决定。末端温差大，一次投资少，但加热炉热效率低，运转费用高；末端温差小，一次投资大，热效率高，运转费用低。以前燃料油价格较低时，末端温差一般在150~200℃之间；现在燃料油价格较高，取50~100℃比较适宜。新设计的大型加热炉，末端温差一般在50℃左右。
2）将需要加热的低温介质，如锅炉给水等引入对流室末端
当然，这必须在有需要加热的低温介质时才是可行的。在常减压装置中，可以把加热炉的对流室作为换热器，加入换热流程中一并优化，将一部分冷油料引入对流室末端，而将另一部分需要换热的热油品用来预热空气。20世纪70~80年代风行一时的冷进料-热油预热空气节能方案就是根据这个思路开发出来的。这种方案使换热流程复杂化，一旦空气预热器发生故障，将影响整个装置的平稳操作，因此，新设计的大型常减压炉大都不采用这种方案。
3）采用各种空气预热器以预热空气
与上述措施相比，采用空气预热器由烟气直接预热空气的优点在于它自成体系，不受工艺流程的约束。在加热炉其他参数不变的情况下，空气温度每提高20℃，炉子热效率约提高1个百分点。用烟气预热空气是加热炉回收烟气余热、提高热效率主要的和最常用的方法。其方式很多，空气预热器也各式各样。烟气预热空气的方法有间接式和直接式两种。间接式是通过中间介质或工质从烟气取热，再传递给空气。热油式和热管式是典型的间接式空气预热器。热油式的中间介质是工艺分支馏分油、柴油、导热油（联苯）等，热管式空气预热器的工质一般是水或萘。直接式是通过空气预热器换热面，将烟气热量直接传递给空气。直接式有间壁式和蓄热式两大类。常用的间壁式有管式(钢管、铸铁管、玻璃管、搪瓷管等)和板式。蓄热式有蓄热体转动、烟-风道不动（回转式）和蓄热体固定周期性切换烟-风道两种。后面将要介绍的蓄热式燃烧技术属于后者。
4）采用烟气余热锅炉发生蒸汽
有些加热炉，如连续重整装置的“四合一”重整炉，热负荷很大，为了减少压降，又不能在对流室排工艺介质炉管，只能将对流室作为烟气余热锅炉。再如，制氢装置的转化炉，其转化反应只能在辐射室的转化管内进行，热负荷相当大，烟气出辐射室的温度也比一般加热炉高得多，而对流室仅靠预热原料气远不能将烟气温度降下来，也只能采用烟气余热锅炉。还有一些炉子，例如煤制油的加热炉，管内走的是气、液、固三相流，为了避免严重磨损，弯头的回转直径要求数倍于管直径，难以排在对流室，对流室只好用作余热锅炉。虽然有些炼油厂并不缺少蒸汽，但对于这样的炉子也只能采用余热锅炉来回收烟气余热，产生的蒸汽并入管网，使得全厂蒸汽过剩，只能停掉一些蒸汽锅炉来平衡。让这些炉子少产或不产蒸汽，是设计者多年来追求的目标。后面将要介绍的“蓄热式高温空气预热贫氧燃烧技术”如果应用到炼油加热炉上，这些问题可得到解决，从而达到少产或不产蒸汽的目标。
5）除灰除垢，以保证加热炉长期在高热效率下运转
不完全燃烧产生的炭粒和燃料中的灰分等烟尘均会污染对流室炉管的外表面和空气预热器的换热面，增加热阻，降低传热效果。随着积灰的增加，排烟温度迅速上升，热效率显著下降。为了保证加热炉长期在高热效率下运转，必须坚持用吹灰器定期(每8h或24h)清除积灰。这一点对烧渣油的加热炉来说，尤为重要。现在的吹灰器有许多种，除以前常用的蒸汽吹灰器外，近几年出现的声波除灰器、亚(次)声波除灰器、激波除灰器等等，效果都不错。
在国外炼油加热炉上，从安全角度考虑，一般不采用声波、激波等吹灰器，只用伸缩式蒸汽吹灰器。值得提醒的是，原油脱盐程度对加热炉的传热和热效率有间接的但也是明显的影响。燃料油燃烧后，盐分会沉积在炉管外表面，特别是辐射室炉管外表面，这与积灰一样会增加热阻，降低传热效果。随着积盐的增加，火墙温度(烟气出辐射室温度)增加，排烟温度也随之增加，热效率下降。所不同的是积盐比积灰更难清除，一般是向炉膛内喷洒除垢剂，但效果并不十分明显。根本的办法是要求原油脱盐达标。
3.3.2 降低过剩空气系数以减少排烟损失
加热炉是靠燃料燃烧供给热量的。在工业炉中，燃料不可能在化学平衡的空气量（理论空气量）下完全燃烧，总要在有一定过剩空气量的条件下才能完全燃烧。燃烧所用实际空气量与理论空气量之比叫作过剩空气系数α。
对于一般炼油装置的加热炉，在烧气时，正常的α为1.05～1.15；在烧油时，正常的α则为1.15～1.25。在实际操作中，如果过剩空气量增加，排烟时大量的过剩空气将热量带走排入大气，使排烟损失增加，热效率降低。由于过剩的空气是在排烟温度下排入大气的，所以排烟温度越高，过剩空气带走的热量就越多，对热效率的影响也就越大。
降低过剩空气系数的办法很多：首先是要选用性能良好的燃烧器，保证在较低的过剩空气系数下完全燃烧；其次是加强运行管理，确保加热炉在合理的过剩空气系数下运转，既不让过剩空气量太大，也不因过剩空气不够而出现不完全燃烧；再次是应做好加热炉的堵漏，因为炼油加热炉几乎都是负压操作的，如果看火门、人孔门、弯头箱门等关闭不严或炉墙有泄漏之处，从这些地方漏入炉内的空气一般都不参与燃烧而白白带走热量。
3.3.3 减少不完全燃烧损失
在排烟损失中，除了前面所述的烟气物理热损失之外，还有由于不完全燃烧而造成的化学热损失。不完全燃烧除造成热损失、降低热效率外，还造成大气污染。机械不完全燃烧产生的炭粒还会造成对流室炉管表面积灰，影响传热效果。
减少不完全燃烧损失的措施，首先是选用性能良好的燃烧器，并及时和定期进行维护，使燃烧器长期保持在良好状态下运行，以保证在正常操作范围内能完全燃烧；其次是在操作中精心调节，以保证过剩空气量既不太多，也不太少。炼油加热炉的燃烧器性能一般都较好，自动化控制水平也较高，因此不完全燃烧都较少，在设计和运行中通常都不考虑不完全燃烧损失。但对那些性能不良或维护不及时导致运行状况不好的燃烧器，以及操作管理不精心的炉子来说，不完全燃烧损失则是不可忽略的。
3.3.4 减少散热损失
加热炉外壁以辐射和对流两种方式向大气散热，散热量与炉外壁温度、环境温度和风速等有关。当内壁温度，炉墙材质、结构和尺寸一定时，环境温度下降，炉外壁温度也降低，但实际温差变化不大，散热损失变化也不大。同样条件，环境风速增加，外壁温度也降低，但对流传热系数增加，散热量变化也不大。也就是说，环境温度和风速对炉外壁温度影响较大，而对散热损失影响并不大。新建的炼油加热炉的散热损失并不大，一般仅占炉子总供热量的1.5%～3%。因此，靠减少散热损失来提高热效率的余地并不大。但对于已经使用多年、炉墙已有损坏的炉子，及时修补炉墙以减少散热损失、提高热效率却是很有必要的。
4、加热炉节能的制约因素
热效率的提高并不是无止境的，它要受技术、经济和环保等方面的制约。对制约因素不采取行之有效的解决措施，而过分追求高热效率并不是明智的。其所付出的代价可能是过高的一次投资、过早的设备损坏或者较短的操作周期等等。
4.1降低排烟温度的制约
从理论上讲，排烟温度可以降到接近环境温度，这时可以获得最高的热效率。但在工程实际中，这是不可能的，因为排烟温度的降低要受经济和技术两方面的制约。随着排烟温度的降低，烟气余热回收系统的末端温差越来越小，传热效果也越来越差，回收余热的换热面积也就越来越大，一次投资迅速增加。因此，必须根据经济评价确定一个经济合理的余热回收末端温差。降低排烟温度在技术方面主要受烟气露点的制约。余热回收换热面的温度必须高于烟气的露点温度，否则换热面将受到露点腐蚀而损坏。另外，换热面在露点下积的灰将是“黏灰”，黏灰是很难清除的。这种黏灰越积越多，烟气侧的阻力迅速增加，甚至使余热回收系统难以操作而被迫停运。防止露点腐蚀和黏灰沉积的有效办法是将低温段换热面的温度控制在如图1所示的曲线以上。
当炼油加热炉烧劣质燃料时，例如大多数常压炉和减压炉都要烧减压渣油或催化油浆，这些劣质燃料油中在所难免都含硫、盐、重金属、灰分、氮化物等有害物质。在这种条件下，提高热效率和降低排烟温度比较困难。目前新设计的千万吨级常减压装置，烧减压渣油的常压炉排烟温度大都在150℃左右，热效率在90%左右。这只是设计值，在运行的全过程中要保持这个数值将是十分困难的。
4.2降低炉外壁温度的制约
降低炉外壁温度，减少散热损失，提高热效率，这是肯定的。但炉外壁温度降到多少才是合理的，这要通过技术经济分析才能决定。分析时应考虑到两点：包括炉墙材料费在内的一次投资随着炉外壁温度的降低而增加；包括燃料费在内的运行费用随炉外壁温度的降低而减少。上述两条规律可以用函数曲线表征。两条曲线交点所对应的炉外壁温度，即为经济合理的温度。该温度主要取决于耐火隔热材料的价格和燃料价格。因此，过分追求太低的炉外壁温度，要求更厚的炉衬厚度或更高级的耐火隔热材料，也有失偏颇。另外，炉外壁温度的确定还要考虑安全方面的要求，以避免烫伤。现行规范规定“在环境温度27℃、无风条件下，炉外壁温度80℃”是较合理的。
4.3环保方面的制约
烟气预热空气是提高加热炉热效率最常用的措施，但是，随着空气温度的提高，燃烧产物中的NOx增加。如果没有适当的措施来降低NOx，则对环保不利。另外，空气温度过高，还可能引起燃油喷头结焦或燃烧器变形过大等问题。除非改变燃烧器结构和材质，空气预热温度一般不宜超过300℃。
5、加热炉进一步节能的期望和建议
从20世纪70年代至今，炼油加热炉的热效率一再提高，从70％左右提高到现在的90％左右，各种节能设备和监控设施已基本完善，取得了很大成绩。但是，加热炉的节能征途并未走到胜利的终点，还有较大的进取空间。未来10年里，期望加热炉热效率提高到94％左右。当然，这需要做很多工作，但这并不是不可能的。下面探讨了为实现此目标所需要作出努力。
5.1认真净化燃料，降低露点温度
国内个别在役加热炉的热效率已有达到93%的。分析其原因，都是燃料很干净，基本上不含硫。因此，为了进一步提高加热炉热效率，首要的任务就是净化燃料。
对于烧燃料气的加热炉，净化燃料主要是燃料气脱硫。气体脱硫是很成熟的工业技术，将燃料气的硫含量脱除到20～30mg/m3并不是难事，可以说燃料气可以达到基本上不含硫。这时，从余热回收系统排出的烟气温度可以在100℃左右，热效率可达94%。
对于烧油（一般是减压渣油）的加热炉，将渣油脱硫就比较困难。虽然已有成熟的渣油脱硫技术，但费用很高，炼油厂的管理者可能很难下决心上一套渣油脱硫装置。但是，从减轻渣油下游加工难度、保护加热炉设备和保护环境出发，渣油脱硫，甚至原油脱硫都是值得的。脱硫付出的费用可从环境的改善、设备使用寿命的延长和加热炉热效率的提高“找补”回来。至于少数加热炉辐射炉管结盐而影响加热炉热效率的问题，一般都是由于电脱盐装置管理不善导致燃料油中盐含量超标而造成的，改进电脱盐设备和加强管理就能解决。
5.2开发新的余热回收工艺，解决露点腐蚀和黏灰堵塞
对于露点腐蚀，通常的解决方法是选用耐露点腐蚀的材料（如铸铁、ND钢、搪瓷管、玻璃管等）作换热面，或净化燃料以降低露点。这是很正常的，多年来也是这么做的。但是，也可以换个角度思维：将可能产生露点腐蚀的部位独立出来，采用有一定耐露点腐蚀的材料作换热面，让其腐蚀，并设计成便于用高压水冲洗清除黏灰和便于拆换的结构。这种结构能够在烟气露点温度之下回收热能，只要定期用高压水冲洗就能安全操作，直到其腐蚀到一定程度，不能再坚持使用时，再更换新的换热面。如果该结构在其工作期间回收的热能足以补偿拆换费用且有一定结余时，该方案则是可行的。
中国石化工程建设公司(SEI)正是按这种思维方法，最近开发了余热回收工艺流程专利——两段式空气预热系统。该系统以吸热面温度高于露点温度15℃左右为界，将空气预热器分成独立的高温段和低温段，引风机置于两段中间。低温段空气预热器的设计符合上述要求。该系统即使在低温段空气预热器从系统中切出、进行高压水冲洗或更换换热面时，加热炉仍能在较高的热效率（约90％）下运行。
上述余热回收新工艺流程的开发，只是几十年来加热炉节能技术开发的一枝新花。为了科学地提高炼油加热炉热效率，相信会有更多更好的节能新工艺、新设备开发出来。
5.3开发新的燃烧方式，节能从源头做起
到目前为止，炼油装置加热炉是用常规燃烧方法将热量释放出来，被加热介质在辐射室主要通过辐射传热方式吸热。烟气中剩余的热量，还需要建立对流室，让烟气余热主要以对流传热方式传给被加热介质。
为了节能，烟气中最后剩余的热量还要通过空气预热器回收。一般来说，烟气与炉管之间的传热方式中，辐射传热的速率数值是两者温度数值的4次方差，而对流传热的速率数值则是两者温度数值的1次方差。因此，辐射传热是最经济的传热方式。也就是说，传递同样多的热量，辐射传热所需的传热面积最小。如果加热炉采用新的燃烧方式，只用辐射室，不用对流室，同时作到高热效率完成传热任务，将节省大量投资。这种新的燃烧方式就是“蓄热式高温空气预热贫氧燃烧技术”。
该技术的工作原理为：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；高温空气在喷入炉膛时将卷吸烟气形成贫氧（2%~20%）的高温气流。燃料在这股气流附近喷入，并在贫氧的气流中燃烧。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机燃烧，因此没有明显的火焰边界。与此同时，靠引风机通过另一侧的燃烧器将烟气吸出；热烟气将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。
该技术在冶金和机械制造行业已得到广泛应用，应该尽快移植到炼油加热炉上来。当然，炼油加热炉有自己的许多特殊性，移植时还有大量的工作需要去做。另外，如果在该技术的基础上，融合两段式空气预热技术，相信能将加热炉的热效率提高到94%以上。
5.4加强科学的运行管理，保持长期高效运转
空气预热系统是炼油加热炉应用最多最广的节能措施。设置空气预热系统的目的，是让燃烧空气吸收烟气余热，降低排烟温度，提高加热炉热效率。如果空气预热系统运行管理不当，往往达不到预期的目的。
只有对空气预热系统的运行状况实施科学管理，才能保证其经常在设计工况下运行，从而保证加热炉热效率长年保持设计水平。加热炉及其空气预热系统运行状况的科学管理主要是通过对其运行状况的监测，发现问题和故障，并评估其严重程度；适时采取相应措施，解决问题，排除故障，保证加热炉及其空气预热系统经常在设计工况下运行。
对加热炉及其空气预热系统的节能监测主要包括以下几点：
1）燃料有害组分监测。主要监测燃料中的硫和硫化氢。
2）各关键点烟气组分监测。主要监测氧和一氧化碳。
3）各关键点烟气温度监测。
4）各关键点烟气压力监测。
当监测到燃料中硫或硫化氢超标时，可能是脱硫装置故障，应及时排除脱硫装置故障，并采取提高空气预热器末端换热面温度的保护性措施，例如加大冷空气旁通量、加大热风循环量、甩开低温段空气预热器等。加热炉辐射室出口烟气氧含量的控制范围，烧气时为2%～3%，烧油时为3%～4%。超过此范围，说明燃烧过剩空气量大，应调整供风量。对流室出口的氧含量如果高于辐射室出口，则说明对流室（主要是弯头箱）漏风，应采取堵漏措施。空气预热器入口的氧含量如果高于对流室出口，则说明热烟道，特别是加热炉旁通烟囱或烟道的密封挡板漏风。
空气预热器出口的氧含量如果高于入口，则说明空气预热器自身漏风。值得注意的是，空气预热器的空气侧正压比较大，而烟气侧负压也比较大，如果发生漏风，将是很严重的。辐射室出口处的一氧化碳含量，烧气时应不大于40mL/m3，烧油时应不大于80mL/m3；否则，说明燃烧不完全，应调整燃烧器。
辐射室出口烟气温度升高，一般是辐射管外结盐，或管内结焦、结垢。对流室出口烟气温度升高，一般是对流室积灰，严重时可能危及空气预热器的操作。空气预热器出口烟气温度升高，一般是空气预热器积灰。辐射室出口烟气的压力，在正常操作时应该是－20～－50Pa。该压力如果升高，一般是由于对流室积灰严重，而引风机或烟囱抽力不足，通常系统会自动调整。如果自动调整不能恢复正常，可能是引风机或烟囱挡板故障，应尽快进行排除。对流室出口烟气压力升高，一般是由于空气预热器积灰严重造成的。
6、结束语
综上所述，几十年来，炼油加热炉在节能方面取得了巨大的成绩，但还未登上最高峰。只要我们不断地开发新技术，克服制约节能的因素，就可以更上一层楼，不久的将来一定会取得更大的成功。
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