苯乙烯蒸汽過熱爐節(jié)能環(huán)保改造

付安軍

（中國石化巴陵分公司，湖南岳陽 414014）

巴陵石化12萬t/a苯乙烯蒸汽過熱爐F-6301為自然通風(fēng)、雙輻射爐膛共用一個(gè)對(duì)流段的立式方箱爐，通過煙囪擋板調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓、控制燃燒。該爐主要作用是為第一反應(yīng)器和第二反應(yīng)器提供反應(yīng)需要的熱量，低壓蒸汽進(jìn)入蒸汽過熱爐經(jīng)對(duì)流段預(yù)熱后進(jìn)入輻射A室進(jìn)一步加熱至工藝所需溫度后，再進(jìn)入第二反應(yīng)器供熱；由第二反應(yīng)器返回的蒸汽進(jìn)入輻射B室再次進(jìn)行加熱，至工藝所需溫度后為第一反應(yīng)器供熱；對(duì)流段頂部利用煙氣余熱加熱鍋爐給水。

蒸汽過熱爐原設(shè)計(jì)采用油漿和干氣聯(lián)合燃燒，為減少翅片管結(jié)垢對(duì)換熱效果的影響，對(duì)流段選用了低密度翅片管，但由于生產(chǎn)裝置整體布局優(yōu)化，蒸汽過熱爐燃料全部改為干氣，文章分析了蒸汽過熱爐燃料改為干氣后的運(yùn)行狀況以及改進(jìn)措施。

1 蒸汽過熱爐運(yùn)行現(xiàn)狀及分析

1.1 排煙溫度高且熱效率偏低

蒸汽過熱爐原設(shè)計(jì)有效熱負(fù)荷14.29 MW，根據(jù)《中國石化煉化企業(yè)加熱爐管理規(guī)定》，加熱爐熱負(fù)荷在10 MW及以上，通過技術(shù)改造后長期運(yùn)行熱效率應(yīng)在91%以上，新建加熱爐的熱效率應(yīng)達(dá)到92%以上。熱效率可依照SY/T 6381—2008《加熱爐熱工測定》10.5條計(jì)算：

式中：η2為加熱爐反平衡熱效率，%；q2為排煙熱損失，%；q3為氣體未完全燃燒熱損失，%；q4為固體未完全燃燒熱損失，%；q5為散熱損失，%；q6為灰渣物理熱損失，%。

蒸汽過熱爐燃料改為干氣后，對(duì)蒸汽過熱爐排煙溫度進(jìn)行監(jiān)測，蒸汽過熱爐平均排煙溫度為183.58℃，由式（1）計(jì)算得到蒸汽過熱爐η2為89.02%，低于《中國石化煉化企業(yè)加熱爐管理規(guī)定》指標(biāo)要求。另外，由式（1）還可知，在其余熱損失相對(duì)穩(wěn)定的情況下，排煙溫度越高煙氣熱損失越大，熱效率越低，降低排排煙溫度有助于提高熱效率。

1.2 輻射段爐底超溫

蒸汽過熱爐輻射室襯里原設(shè)計(jì)為澆注料加硅酸鈣板的結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 輻射段爐底原襯里結(jié)構(gòu)

通過對(duì)輻射爐底及輻射B室的溫度進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，輻射爐底溫度最高達(dá)150.48℃，輻射B室平均工作溫度為1 050℃，經(jīng)測算，最上層硅酸鈣板的熱面溫度約990℃。同時(shí)，澆注料使用一段時(shí)間后有不同程度的裂紋，造成局部的硅酸鈣板熱面溫度更高。根據(jù)GB/T 10699—1998《硅酸鈣絕熱制品》規(guī)定，硅酸鈣制品的使用溫度應(yīng)不高于1 000℃，這說明蒸汽過熱爐爐底硅酸鈣板長期在臨界使用溫度下工作，易導(dǎo)致材料失效。

1.3 NOx 排放面臨超標(biāo)

2015年4月16日，國家環(huán)保部發(fā)布《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31571—2015），自2017年7月1日起執(zhí)行，大氣污染物排放濃度限值分別為SO2≤100 mg/m3，NOx≤150 mg/m3（爐膛溫度≥850℃時(shí)，加熱爐NOx排放濃度按照≤180 mg/m3執(zhí)行），顆粒物≤20 mg/m3。蒸汽過熱爐A室爐膛溫度平均950℃，B室爐膛溫度平均1 050℃，因此NOx排放濃度按照≤180 mg/m3執(zhí)行。

通過對(duì)蒸汽過熱爐煙氣排放監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2016年蒸汽過熱爐SO2平均排放濃度為2.5 mg/m3，NOx為193.5 mg/m3，顆粒物為20 mg/m3，NOx排放濃度大于標(biāo)準(zhǔn)所要求的180 mg/m3，說明蒸汽過熱爐煙氣排放是否達(dá)標(biāo)主要集中在NOx濃度的控制。

1.4 看火門外壁超溫

蒸汽過熱爐原設(shè)計(jì)采用的看火門為LHT-P1型，看火門結(jié)構(gòu)示意見圖2。

由圖2可以看出，蒸汽過熱爐看火門為單軸連接，密封模塊是長方體結(jié)構(gòu)，密封模塊與爐墻內(nèi)的真空成形塊互相搭接，其優(yōu)點(diǎn)看火門表面溫度低、熱量損失小，缺點(diǎn)是看火門關(guān)閉后，看火門的密封模塊和外框架之間存在約22 mm操作間隙，且密封模塊與爐墻內(nèi)的真空成形塊搭接較少，使用一段時(shí)間后密封模塊或爐墻輕微的變形會(huì)造成密封不嚴(yán)而泄漏，而一旦出現(xiàn)泄漏，密封模塊老化會(huì)加速，導(dǎo)致看火門外壁出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

圖2 輻射段LHT-P1看火門結(jié)構(gòu)

2 改造方案

2.1 增加余熱回收系統(tǒng)

原設(shè)計(jì)考慮到蒸汽過熱爐投用后采用部分油漿作為燃燒器的燃料，為減小對(duì)流室翅片管外表面的積灰對(duì)傳熱造成的影響，因此選用了翅片密度為118片/m的翅片管，但蒸汽過熱爐實(shí)際使用過程中采用催化干氣作為原料，因而煙氣換熱效果受到限制，與設(shè)計(jì)狀況存在一定的差距。

由式（1）可知，為提高蒸汽過熱爐熱效率可以從降低排煙溫度、減小排煙熱損失方面著手，主要方案有兩個(gè)：

方案A：更換對(duì)流段鍋爐給水段4排（40根）和對(duì)流段碳鋼部分蒸汽過熱爐管14排（140根）；將翅片密度提升為197片/m，鍋爐給水段凝液由10 t提升至21 t；爐底燃燒器的助燃風(fēng)采用裝置多余的蒸汽凝液預(yù)熱，減少蒸汽過熱爐的燃料消耗。

方案B：增加高溫?zé)煔夂统乜諝鈸Q熱的余熱回收系統(tǒng)，原蒸汽過熱爐的翅片管均維持現(xiàn)狀，新增引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、鑄鐵板式空氣預(yù)熱器和配套的煙道、風(fēng)道等，將預(yù)熱后的空氣送至燃燒器作為助燃風(fēng)。

2種方案的具體參數(shù)見表1。由表1可知，方案A最低管壁溫度接近露點(diǎn)溫度，按照SH 3036—2012《一般煉油裝置用火焰爐》要求，金屬最低管壁溫要高于露點(diǎn)溫度8～14℃，不滿足規(guī)范要求。而方案B由于增加了變頻控制的引風(fēng)機(jī)，輻射爐頂?shù)呢?fù)壓可以根據(jù)操作需要采用變頻調(diào)節(jié)，且采用的鑄鐵板式空氣預(yù)熱器可以在露點(diǎn)溫度以下運(yùn)行，提高了蒸汽過熱爐的熱效率，另外，余熱回收系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，可以提前施工，縮短了爐本體改造的工期。綜合考慮，采用方案B對(duì)蒸汽過熱爐進(jìn)行了改造，改造后的流程見圖3。

表1 蒸汽過熱爐改造方案

圖3 余熱回收系統(tǒng)流程

2.2 輻射段爐底襯里改造

考慮到蒸汽過熱爐輻射室爐底襯里硅酸鈣材料的使用溫度應(yīng)不高于1 000℃，對(duì)爐底襯里進(jìn)行了改造。改造目標(biāo)是爐內(nèi)襯里改造后應(yīng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用應(yīng)在性能保證期內(nèi)不發(fā)生脫落、鼓脹、裂紋和其他影響過熱爐正常運(yùn)行的缺陷；便于施工。改造方案有2個(gè)：

方案一：澆注料加陶瓷纖維板平鋪結(jié)構(gòu)。平鋪結(jié)構(gòu)材料從熱面至冷面依次為：C級(jí)澆注料（厚度195 mm）、三層CBD-130-300陶瓷纖維板（厚度150 mm）、納米絕熱板（厚度50 mm）、CB-135-2陶瓷纖維毯（厚度20 mm壓制10 mm）。

方案二：耐火磚加陶瓷纖維板平鋪結(jié)構(gòu)。平鋪結(jié)構(gòu)材料從熱面至冷面依次為：28級(jí)耐火磚（厚度65 mm）、23級(jí)耐火磚（厚度65 mm）、CBD-140-300陶瓷纖維板（厚度20 mm）、CBD-140-300陶瓷纖維板（厚度50 mm）、CBD-130-300陶瓷纖維板（厚度200 mm）。

2種方案對(duì)比情況見表2。從表2可知，2種方案都能解決爐底超溫的問題，但考慮到操作風(fēng)險(xiǎn)、投資費(fèi)用和施工時(shí)間，采用了方案二。爐底襯里改造后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表2 襯里改造方案

圖4 輻射段爐底襯里改造后結(jié)構(gòu)

2.3 應(yīng)用 GRFB-Ⅲ低 NOx 燃燒器

考慮到蒸汽過熱爐煙氣NOx濃度排放超標(biāo)，選用了GRFB-Ⅲ 低NOx燃燒器。該燃燒器主要由調(diào)風(fēng)蝶閥、風(fēng)道、風(fēng)筒、耐火磚、燃料噴槍、長明燈組成，其特征在于風(fēng)道與風(fēng)筒相連、耐火磚依靠托磚板固定在風(fēng)筒上方，其三維結(jié)構(gòu)模型和工作原理見圖5。

圖5 GRFB-Ⅲ燃燒器三維結(jié)構(gòu)模型和工作原理

該燃燒器利用螺栓或焊接通過托磚板將燃燒器安裝在石化工藝加熱爐上，耐火磚下部埋在爐膛爐襯內(nèi)，一級(jí)燃料噴槍位于耐火磚內(nèi)部，起穩(wěn)定火焰的作用，二級(jí)燃料噴槍位于矩形耐火磚兩側(cè)，噴頭露出爐襯，耐火磚上的煙氣回流面高于爐襯上表面；風(fēng)道、風(fēng)筒、耐火磚中心空腔為助燃空氣通道，助燃空氣通過調(diào)風(fēng)蝶閥進(jìn)入風(fēng)道，風(fēng)筒內(nèi)部的分布板可使風(fēng)筒水平截面上助燃空氣流均勻分布，有效避免助燃空氣分布不均引起燃燒火焰的偏斜、添爐管。

2.4 看火門

考慮到LHT-P1結(jié)構(gòu)看火門密封模塊和外框架之間存在約22 mm操作間隙，且密封模塊與爐墻內(nèi)的真空成形塊搭接較少，選取了密封性能較好的雙軸式看火門，見圖6。

圖6 新型雙軸看火門實(shí)物及結(jié)構(gòu)

雙軸式看火門是一種新型結(jié)構(gòu)的看火門，該看火門采用雙軸結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了密封模塊相對(duì)于爐墻內(nèi)的真空成形塊平行進(jìn)出，不會(huì)留下死角，二者之間的縫隙也很小僅3 mm。密封模塊的外壁采用了榫槽結(jié)構(gòu)和磁鐵相結(jié)合的形式，達(dá)到了全密封零泄漏的效果；運(yùn)行過程中操作簡單易用，類似于抽屜開關(guān)，簡單省力。另外，該看火門配套的真空成形塊預(yù)留的觀察孔比其他傳統(tǒng)的看火門大，觀測爐況的覆蓋范圍廣，且真空成形塊與爐壁之間增加了一層厚度為30 mm的納米絕熱板，從而能有效控制看火門外壁溫度。

3 改造效果

蒸汽過熱爐余熱回收系統(tǒng)改造2017年5月與裝置大修同步完成，并投入生產(chǎn)運(yùn)行。由表3可知，蒸汽過熱爐改造后，熱效率由改造前的89.02%提高至92.54%，NOx排放濃度由改造前的193.5 mg/m3降至147 mg/m3，爐底溫度由150.48℃降至78℃。

改造后裝置在相同負(fù)荷情況下，根據(jù)蒸汽過熱爐運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃料氣消耗減少了約50 kg/h，燃料氣單價(jià)為2 300元/t，年運(yùn)行時(shí)間8 000 h，年可節(jié)約費(fèi)用約為92萬元。新增余熱回收風(fēng)機(jī)2臺(tái)，額定功率分別為75 kW和37 kW，電費(fèi)為0.588元/（kW·h）。由于電機(jī)帶變頻，且開度約80%，風(fēng)機(jī)按80%的用電負(fù)荷計(jì)，年消耗電費(fèi)42萬元。余熱回收系統(tǒng)投資為150萬元，不考慮其他因素，投資的靜態(tài)回收周期為3年。

表3 蒸汽過熱爐改造前后效果對(duì)比

4 結(jié)論

苯乙烯蒸汽過熱爐是生產(chǎn)苯乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其熱效率直接影響到能耗的高低，通過新增余熱回收系統(tǒng)可達(dá)到降低排煙溫度和提升熱效率的效果，具有很好的推廣價(jià)值。輻射段爐底襯里采用耐火磚加陶瓷纖維板平鋪結(jié)構(gòu)代替澆注料加硅酸鈣結(jié)構(gòu)，解決了輻射爐底及過渡段超溫的現(xiàn)象；以雙軸式看火門代替LHT-P1結(jié)構(gòu)看火門，可解決看火門外壁超溫的現(xiàn)象；低NOx燃燒器的投用，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保提質(zhì)達(dá)標(biāo)，創(chuàng)造了社會(huì)效益。