3.5Mt／a催化裂化蒸汽過熱爐熱效率分析

鄒 衡，田文君，張 磊，程 宏

（中國石油廣西石化分公司，廣西 欽州 535008）

催化裂化裝置的蒸汽過熱爐為油氣混燒爐，爐型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為輻射-對(duì)流圓筒型立式加熱爐，蒸汽分12管程從對(duì)流室上部進(jìn)入加熱爐 （入口溫度254℃），進(jìn)對(duì)流室加熱后進(jìn)入輻射室，從輻射室頂部出加熱爐（出口溫度421℃）。催化蒸汽過熱爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為40.9MW，設(shè)計(jì)熱效率可達(dá)到90.5%，為了提高加熱爐的效率，在地面設(shè)置一套空氣預(yù)熱系統(tǒng)，換熱后的煙氣通過爐頂煙囪向大氣排放。

在催化裂化裝置中，蒸汽過熱爐是主要能耗設(shè)備之一，其熱效率的高低直接影響裝置的總能耗，也是評(píng)判整個(gè)裝置運(yùn)行情況好壞的指標(biāo)之一。通過計(jì)算、分析過熱爐的熱效率，查找出影響其熱效率的因素，進(jìn)而優(yōu)化操作，提高過熱爐的熱效率，對(duì)催化裂化裝置有著極其重要的意義，也為其他同類型裝置的操作提供參考。

1 催化裂化蒸汽過熱爐熱效率分析

廣西石化催化裂化裝置于2010年8月28日一次開車成功后，經(jīng)過近半年的運(yùn)行，裝置已基本穩(wěn)定，現(xiàn)以催化裝置2011年3月的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算蒸汽過熱爐的熱效率，以此來分析蒸汽過熱爐的熱效率及影響其熱效率的因素。

1.1 正算蒸汽過熱爐熱效率

催化裂化裝置蒸汽過熱爐3月份平均產(chǎn)汽為 235.2t·h－1，消耗燃料油量為 1.81t·h－1，燃料氣為 1600Nm3·h－1，月過熱蒸汽量為 169408.6t，消耗燃料氣 1152000Nm3·h－1，燃料油 1303.2t。 過熱爐熱效率計(jì)算如下：

（1）過熱爐輸入熱量：

（2）過熱爐輸出的熱量：

空氣吸熱：

入口空氣焓值＝1.01×入口空氣溫度＋空氣含濕量×（2500＋1.84×入口空氣溫度）＝1.01×20＋0.013×（2500＋1.84×20）＝53.1784kJ·kg－1

出口煙氣焓值＝1.01×出口煙氣溫度＋煙氣含濕量×（2500＋1.84×出口空氣溫度）＝1.01×200＋0.013×（2500＋1.84×200）＝236.416kJ·kg－1

空氣吸熱＝空氣量×空氣焓差＝1980×（236.416－53.1784）＝350344.08kJ·h－1

（3）熱效率：

1.2 反算蒸汽過熱爐熱效率

以下是蒸汽過熱爐熱效率反平衡計(jì)算公式，表1是熱效率反算數(shù)據(jù)及結(jié)果。

式中：α－空氣系數(shù)；

tg－排煙溫度，℃；

O2－排煙中氧含量百分?jǐn)?shù)；

to－基準(zhǔn)溫度，推薦 to＝15.6℃；

△t－溫差，當(dāng)燃燒空氣不預(yù)熱或利用爐子自身煙氣預(yù)熱空氣時(shí)，△t＝0；當(dāng)外界熱源預(yù)熱空氣時(shí)，△t為熱空氣溫度與基準(zhǔn)溫度之差；

CO－排煙中一氧化碳含量，10－6。

散熱損失取3%。

表1 熱效率反算數(shù)據(jù)及結(jié)果

1.3 影響蒸汽過熱爐熱效率因素

（1）過剩空氣系數(shù)偏大，導(dǎo)致過熱爐效率下降，若控制排煙溫度不變，調(diào)整氧含量至4%時(shí)，過?？諝庀禂?shù)為1.22，熱效率可達(dá)90.12%。

（2）過熱爐實(shí)際負(fù)荷較設(shè)計(jì)偏大。

（3）過熱爐吹灰系統(tǒng)故障，爐內(nèi)積灰導(dǎo)致加熱效果變差，影響其熱效率。

2 提高過熱爐熱效率措施

廣西石化催化裂化蒸汽過熱爐設(shè)置了空氣預(yù)熱系統(tǒng)，利用過熱爐自產(chǎn)熱煙氣對(duì)冷空氣進(jìn)行預(yù)熱，充分利用煙氣余熱，因此討論如何提高過熱爐效率的前提是空氣預(yù)熱系統(tǒng)必須能正常工作，在此前提下提出以下幾點(diǎn)提高過熱爐效率的措施。

2.1 控制適當(dāng)?shù)倪^剩空氣量

在工業(yè)生產(chǎn)中，燃料在化學(xué)平衡中所需空氣量即理論空氣量下是不可能完全燃燒的，因此需要多供應(yīng)一些空氣即過?？諝?，以保證燃料的完全燃燒。實(shí)際供給的空氣量與理論空氣量之比即為過剩空氣系數(shù)。在過熱爐的設(shè)計(jì)和操作中，過?？諝庀禂?shù)是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它對(duì)過熱爐的影響是多方面的，它直接影響蒸汽過熱爐的熱效率，過?？諝庀禂?shù)太小會(huì)造成不完全燃燒，增加不完全燃燒熱損失，降低熱效率；過?？諝庀禂?shù)太大，多余的空氣在排煙溫度下排入大氣將帶走大量的熱量，直接增加排煙熱損失而使熱效率降低。

其次過?？諝庀禂?shù)太大，煙氣氧含量高會(huì)增加爐內(nèi)構(gòu)件的氧化，在爐管表面形成一層脆性的金屬氧化物。由于這層金屬氧化物和母體的熱膨脹系數(shù)不同，很容易脫落，氧化層脫落后，爐管母體金屬露出，會(huì)被氧化、脫落，最終導(dǎo)致爐管減薄直至失效。

另外，燃料油完全燃燒生成的煙氣中有CO2、SO2、O2、氮氧化物及水蒸汽等，其中一部分 SO2和O2會(huì)反應(yīng)生成SO3，和煙氣中的水蒸汽進(jìn)一步結(jié)合生成硫酸蒸氣，硫酸蒸氣遇到低溫冷表面時(shí)就會(huì)在其上面冷凝成液體，即所謂結(jié)露現(xiàn)象。凝結(jié)在爐管表面的液態(tài)硫酸不僅使?fàn)t管金屬表面遭受嚴(yán)重的腐蝕，而且還會(huì)粘附煙灰，使煙氣流通通道面積減少，加大煙氣流動(dòng)阻力，直接影響生產(chǎn)的正常操作；同時(shí)也使得爐管外的結(jié)垢熱阻增大，煙氣和被加熱介質(zhì)的換熱受到影響，過熱爐熱效率下降。硫酸露點(diǎn)的高低與燃料油的含硫量、過剩空氣系數(shù)、煙氣中水蒸汽含量等有關(guān)，在其他條件一定時(shí)，過?？諝庀禂?shù)越大，即煙氣中含氧量越大，生成的SO3就越多，相應(yīng)硫酸露點(diǎn)就越高，對(duì)爐管金屬腐蝕的影響就越大。

從以上分析可知，在其他條件一定和燃料油能完全燃燒的前提下，過?？諝庀禂?shù)越小，對(duì)提高過熱爐熱效率和降低爐管腐蝕就越有利。從操作上來看，當(dāng)加熱爐熱負(fù)荷變化或其他條件改變時(shí)，可以根據(jù)檢測得到的爐膛壓力和煙氣含氧量的變化，人工調(diào)節(jié)油門、風(fēng)門、氣門等，使?fàn)t膛負(fù)壓和煙氣含氧量維持在設(shè)定值的范圍內(nèi)，在燃料完全燃燒的前提下盡量控制較低的含氧量。

2.2 提高吹灰器效率

根據(jù)燃料性質(zhì)、積灰類型及積灰部位，催化裂化蒸汽過熱爐積灰可以分為以下幾類：

2.2.1 高溫型積灰

高溫積灰發(fā)生在高溫對(duì)流段等煙氣溫度較高區(qū)域的受熱面上，這種積灰很牢固，高溫受熱面上積灰的形成過程大體如下：煙氣中的堿金屬和釩的氧化物在爐膛的高溫下升華成氣，形成低熔點(diǎn)的共晶體，例如 V2O5·Na2SO4（熔點(diǎn)只有 550～580℃）并隨后在較冷的受熱面上凝結(jié)，而高溫對(duì)流區(qū)域的煙氣溫度又很高，它附著在受熱面上后呈熔渣狀態(tài)，粘性很大，煙氣中的其它固態(tài)（如燃料中的固態(tài)顆粒）和液態(tài)粒子都很容易粘附在這種熔渣上，形成牢固的積灰。積灰中的各種成分又相互進(jìn)行化學(xué)作用，同時(shí)還將吸收煙氣中的氧化硫形成硫酸鹽。

2.2.2 低溫受熱面牢固性積灰

在低溫受熱面上，可以發(fā)生牢固性積灰，這種積灰進(jìn)展的速度很快。這種低溫受熱面牢固性積灰的形成過程如下：受熱面上最初沉積的是小顆粒的飛灰。因煙氣中含有三氧化硫，它們和三氧化硫化合，形成白色松散的硫酸鹽沉積物，再和氧化鐵作用，形成堅(jiān)固的沉積物。沉積物的厚度逐漸增加，以致堵塞了受熱面。

2.2.3 粘性積灰

當(dāng)過熱爐燃燒不正常時(shí)，煙囪冒黑煙，煙氣中帶有大量的炭粒子，它的數(shù)量可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃料產(chǎn)生的灰分，煙氣中的炭粒子可以吸附煙氣中的二氧化硫、三氧化硫、水蒸汽。在炭粒子上的二氧化硫和水蒸汽化合成亞硫酸，而亞硫酸又是很強(qiáng)的還原劑，會(huì)再氧化成硫酸。炭粒子吸附的三氧化硫和水蒸汽也會(huì)直接生成硫酸，腐蝕性很強(qiáng)，它和受熱面作用，生成硫酸亞鐵，更增加了這種積灰的牢固性。

蒸汽過熱爐中形成的以上種種積灰，會(huì)增加熱阻，降低傳熱效果，影響爐管的換熱效率，所以定期除灰，對(duì)過熱爐尤為重要。催化裝置蒸汽過熱爐采用QMF-JB-R5818-50型激波吹灰器，使用過程中由于燃料氣壓力波動(dòng)，部分吹灰器出現(xiàn)不閃爆的現(xiàn)象。為了提高吹灰器的使用效果，需采取以下措施以保證吹灰器的正常運(yùn)行：

（1）定期化驗(yàn)分析燃料氣組分，檢測燃料氣壓力，保證燃?xì)夂涂諝獾幕旌媳瓤刂圃?∶10，當(dāng)燃?xì)饨M分、壓力變化時(shí)，檢查工藝流程是否暢通，及時(shí)調(diào)整燃?xì)獗?，確保吹灰器正常運(yùn)行。

（2）監(jiān)控分析燃料油中的灰分、硫、釩、鈉的含量，發(fā)現(xiàn)分析異常后及時(shí)調(diào)整，盡量減少過熱爐積灰結(jié)垢。

2.3 優(yōu)化燃燒噴嘴

對(duì)于油氣混燒型噴嘴，一次風(fēng)門和二次風(fēng)門的開度，霧化蒸汽的品質(zhì)和用量，燃料油和燃料氣的使用量都直接影響過熱爐的熱效率。催化裝置燃燒噴嘴在使用過程中，也出現(xiàn)過不同程度的堵塞、火焰長、飄、爐膛冒黑煙等異常現(xiàn)象，為了優(yōu)化燃燒噴嘴的使用，在此提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）加強(qiáng)風(fēng)門的調(diào)節(jié)，尤其是二次風(fēng)門的調(diào)節(jié)，根據(jù)燃料油輕、重情況關(guān)小、開大二次風(fēng)門。

（2）油氣混燒時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際工況可以在某些噴嘴單獨(dú)燒油，某些噴嘴單獨(dú)燒瓦斯。油氣混燒時(shí)，應(yīng)維持一種燃料用量的恒定，以另一種燃料控制過熱爐內(nèi)溫度；當(dāng)長時(shí)間單獨(dú)燒瓦斯時(shí)，應(yīng)向油槍內(nèi)通入少量蒸汽，以防止噴嘴燒壞。

（3）催化蒸汽過熱爐設(shè)計(jì)為圓筒形，燃料氣、燃料油、霧化汽是通過環(huán)管分布的，為了使各個(gè)噴嘴燃燒均勻，在正常工況下應(yīng)當(dāng)將各噴嘴燃料氣、油器壁手閥全開，使燃料壓力維持恒定，調(diào)節(jié)霧化汽壓力，使其高于燃料油壓力0.1MPa即可，這樣燃料油霧化效果好，燃燒完全。

3 結(jié)語

根據(jù)催化裂化裝置正常生產(chǎn)狀態(tài)下蒸汽過熱爐的運(yùn)行情況及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算了蒸汽過熱爐的熱效率，分析了影響過熱爐熱效率的主要因素，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況提出了系列提高過熱爐熱效率的建議，為同類型生產(chǎn)裝置的操作提供參考。另外，根據(jù)催化裂化裝置的特點(diǎn)，今后還需要在以下幾方面加強(qiáng)過熱爐節(jié)能效果的研究：

（1）加強(qiáng)過熱爐燃料的監(jiān)控，催化蒸汽過熱爐燃料油性質(zhì)偏重，對(duì)燃料油霧化效果有較大影響，且其中產(chǎn)品含有油漿，而油漿中又有催化劑細(xì)粉，這會(huì)造成過熱爐積灰嚴(yán)重，因此，必須加強(qiáng)燃料監(jiān)控，優(yōu)化燃料性質(zhì)。

（2）加強(qiáng)對(duì)吹灰器的監(jiān)控，優(yōu)化瓦斯組分，穩(wěn)定燃料氣壓力，提高激波吹灰器的吹灰效率，從而提高過熱爐熱效率。