在用制氫轉(zhuǎn)化爐提高熱效率方法探索

孫原田，鄧華強(qiáng)，董 霞，王文琦，程向鋒

(1. 中國(guó)石化齊魯分公司煉油廠，山東 淄博 255434； 2. 山東齊魯石化工程有限公司，山東 淄博 255400； 3. 洛陽(yáng)超藍(lán)節(jié)能技術(shù)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

制氫裝置是加氫裝置的主要配套設(shè)施，為其提供高純度氫氣。而制氫轉(zhuǎn)化爐是制氫裝置中的核心設(shè)備，其運(yùn)行是否安全、高效，直接關(guān)系到整個(gè)裝置甚至全廠的生產(chǎn)平穩(wěn)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 制氫轉(zhuǎn)化爐工作原理

本制氫裝置采用的制氫方法為烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化法，制氫原料經(jīng)過(guò)加氫、脫氯、脫硫，與中壓蒸汽混合后進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐對(duì)流室原料預(yù)熱段預(yù)熱，經(jīng)轉(zhuǎn)油線至輻射室頂部的上集合管，再?gòu)纳霞瞎芙?jīng)上豬尾管進(jìn)入裝有催化劑的轉(zhuǎn)化爐管進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化反應(yīng)完成后的轉(zhuǎn)化氣經(jīng)下豬尾管送至爐底水平放置的集氣總管，然后進(jìn)入廢熱鍋爐與爐水換熱產(chǎn)生高壓蒸汽，同時(shí)轉(zhuǎn)化氣溫度降低，達(dá)到下一階段變換反應(yīng)的溫度要求。

轉(zhuǎn)化爐結(jié)構(gòu)型式采用單排管雙面輻射立管箱式爐結(jié)構(gòu)，單輻射室。燃料由變壓吸附氫氣提純裝置副產(chǎn)品——PSA尾氣+煉廠氣(瓦斯)構(gòu)成，正常生產(chǎn)期間，PSA 尾氣全部參與燃燒，不足部分補(bǔ)充壓力較高的煉廠氣。

對(duì)流室布置在輻射室側(cè)面， 燃燒器布置在輻射室頂部； 火焰垂直向下燃燒， 與爐管平行； 煙氣下行， 從爐膛底部煙道進(jìn)入對(duì)流室、 空氣預(yù)熱器， 最終由引風(fēng)機(jī)引至煙囪排入大氣(見(jiàn)圖1)。

常溫空氣先由鼓風(fēng)機(jī)送入空氣預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱，被加熱后的高溫?zé)峥諝庾鳛槿紵髦伎諝膺M(jìn)入爐膛參與燃燒，以達(dá)到節(jié)省燃料消耗、減少煙氣排放的目的。

2 問(wèn)題的提出及原因分析

2.1 燃料存在的問(wèn)題

轉(zhuǎn)化爐所消耗的燃料2/3來(lái)自裝置自產(chǎn)的工藝副產(chǎn)品——PSA尾氣。通常情況下，其中的不可燃成分二氧化碳濃度高達(dá)45%～65%(表1為普通煉廠瓦斯與PSA尾氣主要成分的化驗(yàn)數(shù)據(jù))。因此，燃料燃燒所釋放的熱能除了必須滿足制氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)需求外，同時(shí)還將PSA尾氣中的大量二氧化碳?xì)怏w加熱到爐膛溫度，因而需要消耗更多的燃料氣。

表1 普通煉廠瓦斯與PSA尾氣主要成分φ,%

這就使得轉(zhuǎn)化爐的高溫?zé)煔饬颗c助燃空氣的比值，比一般的煉油加熱爐高得多，熱煙氣所攜帶的熱量比預(yù)熱助燃空氣所需熱量大，導(dǎo)致制氫轉(zhuǎn)化爐的最終排放煙氣溫度通常比一般的煉油加熱爐要高。因此，降低排煙溫度成為進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化爐熱效率的主要問(wèn)題。

圖1 轉(zhuǎn)化爐示意

由表1可以看出，煉廠氣(瓦斯)中可燃組分占比89.58%，而PSA尾氣中可燃組分占比只有37.31%；另外，用于轉(zhuǎn)化氣氫提純的變壓吸附器運(yùn)行一段時(shí)間后，需要將其中吸附的非氫氣體(含部分殘留氫氣)吹出形成PSA尾氣，所以各吸附器是間歇切換運(yùn)行的。這樣，進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐的PSA尾氣就形成“一股、一股”的脈沖氣流，使助燃空氣很難實(shí)現(xiàn)及時(shí)、適量供給，為了保證爐內(nèi)燃料的充分燃燒，只能適當(dāng)?shù)卦黾庸╋L(fēng)量，人為“抬高”爐膛氧含量的“均值線”。這也是以PSA尾氣為主要燃料的制氫轉(zhuǎn)化爐的爐膛氧含量比一般煉油加熱爐的爐膛氧含量偏高的主要原因。因此，如何盡量降低爐膛氧含量的“均值線”就成為提高轉(zhuǎn)化爐熱效率所需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.2 轉(zhuǎn)化爐管穿出爐頂、爐底處的漏風(fēng)問(wèn)題

由于本制氫轉(zhuǎn)化爐管的支撐形式為向下熱脹至底部支撐、再向上膨脹的由彈簧支座支撐的形式，所以在爐管穿出爐頂、爐底處都需要預(yù)留出比較寬松的間隙，其保溫和密封均采用陶瓷纖維氈和陶瓷纖維棉包裹、填塞的方式。隨著開(kāi)工進(jìn)程中爐管溫度的升高，至開(kāi)工正常后，爐管向下、向上都有不同程度的熱膨脹；同時(shí)，冷態(tài)時(shí)包裹嚴(yán)密的爐管在熱態(tài)下出現(xiàn)裸露管段，縫隙處所填塞的隔熱材料也出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。特別是轉(zhuǎn)化爐管上部的彈簧支撐組件與爐頂板間距離狹小，外保溫施工難度大，轉(zhuǎn)化爐開(kāi)車操作過(guò)程中，轉(zhuǎn)化管受熱先向下膨脹，延伸約40 mm至限位支撐后再向上膨脹，向上最大膨脹延伸量約160 mm，在轉(zhuǎn)化管向上膨脹延伸的過(guò)程中，纏繞在轉(zhuǎn)化管上的外保溫也隨之向上移動(dòng)，造成部分光管裸露在外。雖然現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了填塞修補(bǔ)，但由于爐頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)和彈簧支撐組件均布置在此處，爐頂保溫盒處操作空間狹小，填塞修補(bǔ)效果不理想，造成爐膛漏風(fēng)和爐管散熱損失增加，降低轉(zhuǎn)化爐熱效率。因此，采用有效的爐管密封結(jié)構(gòu)，減少輻射爐膛漏風(fēng)，是提高熱效率的有效措施。

2.3 對(duì)流管束穿出對(duì)流段爐壁處的漏風(fēng)問(wèn)題

制氫轉(zhuǎn)化爐輻射室爐膛煙氣溫度高達(dá)950 ℃，攜帶巨大熱量。因此，從輻射爐膛排出的熱煙氣需要進(jìn)行余熱回收，在對(duì)流室設(shè)置水保護(hù)段、原料加熱段、水加熱段和助燃空氣預(yù)熱段，經(jīng)過(guò)多段放熱降溫后，再排放至大氣中。其中水保護(hù)段、原料加熱段、水加熱段的爐管皆由爐墻穿出匯集于集合管，因此，對(duì)流段側(cè)墻開(kāi)口非常多。雖然原設(shè)計(jì)在爐管穿出側(cè)墻處設(shè)有密封盒，但為保證對(duì)流室爐管能夠自由膨脹和收縮，密封盒密封蓋板上的管孔開(kāi)口較大，管孔與爐管間存在較大間隙，導(dǎo)致密封不嚴(yán)，單根爐管看似影響不大，但此側(cè)墻所開(kāi)爐管口達(dá)100多個(gè)，形成大量漏風(fēng)點(diǎn)。這樣既增加了煙氣總量，又因加熱這些冷空氣浪費(fèi)了大量的待回收熱能。所以，采取可靠、有效的密封措施，能顯著降低煙氣的氧含量濃度，提高轉(zhuǎn)化爐的熱效率。

2.4 上、下豬尾管外保溫問(wèn)題

轉(zhuǎn)化爐上、下豬尾管外保溫采用傳統(tǒng)陶瓷纖維毯做保溫材料。上豬尾管保溫厚度50 mm、下豬尾管保溫厚度70 mm時(shí)，其表面溫度高達(dá)70 ℃。按下豬尾管計(jì)算：每根管的散熱強(qiáng)度達(dá)615 W/m2；220根下豬尾管，每根表面積約2.5 m2，總散熱量為550×615=338.25 kW。因此，需采用新型保溫材料和結(jié)構(gòu)形式，降低尾管散熱強(qiáng)度，減少上、下豬尾管的散熱損失。

2.5 空氣預(yù)熱器內(nèi)漏問(wèn)題

轉(zhuǎn)化爐空氣預(yù)熱器原使用熱管式空氣預(yù)熱器。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，管內(nèi)逐漸生成不凝氣體，導(dǎo)致真空度下降甚至完全喪失，從而完全失去換熱能力，造成排煙溫度逐漸升高；同時(shí)，換熱管管外翅片防腐技術(shù)有瑕疵，不適應(yīng)進(jìn)一步降低排煙溫度的要求；且預(yù)熱器內(nèi)部煙、風(fēng)隔離腰板密封效果不佳，造成空氣向煙氣側(cè)泄漏，不能滿足降低排煙氧含量的要求，因此，需更換空氣預(yù)熱器。板管式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱系數(shù)高，可有效降低排煙溫度。

3 解決問(wèn)題的方法及措施

上述問(wèn)題的核心為：1)燃料熱值低導(dǎo)致煙氣量大；2)爐體漏風(fēng)造成煙氣氧含量高；3)傳統(tǒng)保溫材料不能滿足高溫管線的節(jié)能絕熱要求。因此，應(yīng)從這3個(gè)方面著手，采取相應(yīng)措施，以解決上述問(wèn)題。

3.1 根據(jù)燃料性質(zhì)，改進(jìn)工作方法

當(dāng)一定量某工藝介質(zhì)被加熱到特定溫度時(shí)，煙氣量取決于燃料的成分(低熱值)和過(guò)?？諝獾亩嗌?。當(dāng)燃料成分基本穩(wěn)定時(shí)，過(guò)?？諝獾亩嗌倬褪菦Q定性的因素。制氫轉(zhuǎn)化爐燃料主要為PSA尾氣，組成中有大量的二氧化碳。運(yùn)行操作過(guò)程中應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷以及PSA尾氣的脈沖變化，在滿足燃料完全燃燒的前提下，精細(xì)調(diào)整操作，盡量降低參與燃燒的助燃空氣量的供給，減少煙氣總量，以提高熱效率。

3.2 輻射室爐頂、爐底封堵結(jié)構(gòu)的改造

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)化爐管穿出爐頂、爐底部位密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，減少由于外界空氣向轉(zhuǎn)化爐內(nèi)部泄漏而增加的空氣量(此部分空氣不能全部參與燃燒，大部分增加了煙氣總量)。

改造前，轉(zhuǎn)化爐輻射室轉(zhuǎn)化管的支撐形式為先向下熱脹至底部支撐、再向上膨脹的由彈簧支座支撐的方式(見(jiàn)圖2)。

轉(zhuǎn)化爐管穿出爐頂部位的密封，采用在爐管與爐頂板相交處先設(shè)置一個(gè)保溫盒的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)，保溫盒的高度與爐管向上熱脹的長(zhǎng)度相匹配。保溫盒中的隔熱材料一般選用高鋁或含鋯陶瓷纖維，因其與爐管之間的間隙不可太小，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，其內(nèi)部的隔熱材料在爐內(nèi)負(fù)壓的作用下，逐漸會(huì)被吸入輻射室內(nèi)而喪失隔熱、密封作用。所以，制氫轉(zhuǎn)化爐頂空間溫度非常高，冬季能達(dá)到50 ℃以上，夏季甚至能達(dá)到70～90 ℃的高溫。

轉(zhuǎn)化管穿出爐底部位，因?yàn)樾枰紤]爐管的向下熱脹，其密封結(jié)構(gòu)的密封性也比較差，漏風(fēng)量大。

圖2 原轉(zhuǎn)化管支撐結(jié)構(gòu)

將轉(zhuǎn)化管的支撐改為底部固定支撐、單方向向上膨脹的形式，轉(zhuǎn)化管頂部采用動(dòng)-定滑輪組、重錘恒力吊掛的方式，用以補(bǔ)償爐管的熱膨脹位移，這樣轉(zhuǎn)化管穿出爐底部位的隔熱密封結(jié)構(gòu)采用原有結(jié)構(gòu)就相對(duì)可靠得多。在轉(zhuǎn)化管穿出爐頂部位，采用類似于“填料”的密封結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)，既不影響爐管的向上熱膨脹，又能起到可靠的隔熱和密封效果。實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)結(jié)果顯示：密封結(jié)構(gòu)外部壁溫約70 ℃，大氣溫度17 ℃時(shí)，輻射室頂上部空間的環(huán)境溫度為40 ℃左右。

3.3 對(duì)流室穿墻爐管封堵結(jié)構(gòu)改造

采用一種“靜密封+熱脹補(bǔ)償”的特殊密封結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)，非常好地解決了對(duì)流段各管束穿過(guò)爐壁板部位的漏風(fēng)問(wèn)題。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果顯示：從輻射室進(jìn)入對(duì)流室煙氣的氧含量出對(duì)流室時(shí)，基本沒(méi)有發(fā)生變化。

圖3 原輻射室爐頂轉(zhuǎn)化管處保溫結(jié)構(gòu)

圖4 改造后輻射室爐頂轉(zhuǎn)化管處保溫結(jié)構(gòu)

圖5 改造后對(duì)流室爐管穿出側(cè)墻處密封結(jié)構(gòu)

3.4 上、下豬尾管外保溫結(jié)構(gòu)改造

對(duì)于上、下豬尾管的外保溫，選用目前耐熱、隔熱性能優(yōu)異的陶瓷納米纖維毯做絕熱材料。其耐熱溫度1 000 ℃；理論導(dǎo)熱系數(shù)0.05 W/(m·K)(實(shí)驗(yàn)熱面溫度600 ℃)，只有常規(guī)陶瓷纖維毯的50%左右。運(yùn)行后實(shí)際檢測(cè)顯示：上豬尾管壁溫500 ℃，保溫厚度50 mm；下豬尾管壁溫750 ℃，保溫厚度70 mm；外壁溫度均由原來(lái)采用常規(guī)陶瓷纖維毯保溫時(shí)的85 ℃降至40 ℃以下。

3.5 空氣預(yù)熱器更新

選用“高效復(fù)合板管”式空氣預(yù)熱器，降低最終排煙溫度。由于板管式空氣預(yù)熱器中的換熱元件采用的是大“長(zhǎng)寬比”截面的金屬和非金屬管，因此其同時(shí)兼具板式換熱的高傳熱系數(shù)和管式換熱元件易拆裝、易維修的雙重優(yōu)勢(shì)，而且?guī)缀醵沤^了原熱管式預(yù)熱器的內(nèi)漏問(wèn)題。投入運(yùn)行后的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示：最終排煙溫度由原來(lái)熱管預(yù)熱器的140 ℃降至110 ℃，預(yù)熱器煙氣進(jìn)、出口處的煙氣氧含量幾乎無(wú)變化。

4 改造前后的效果對(duì)比

改造前后的效果對(duì)比如下：

1) 轉(zhuǎn)化爐輻射室爐膛氧含量平均值由改造前的6.0%降至3.5%。實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。大氣溫度為常溫的條件下，爐頂空間環(huán)境溫度由70 ℃降至40 ℃，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 改造前后爐膛氧含量對(duì)比 φ,%

表3 改造前后爐頂空間環(huán)境溫度對(duì)比

2) 徹底解決了原來(lái)對(duì)流段管束穿入、穿出爐壁板處的大量漏風(fēng)“頑疾”，出對(duì)流段煙氣的氧含量與進(jìn)來(lái)的煙氣中的氧含量對(duì)比幾乎沒(méi)有增加。另外，由于改造前對(duì)流段本身缺少煙氣檢測(cè)采樣點(diǎn)，所以無(wú)法確定改造前對(duì)流段各部的具體漏風(fēng)量，只能從輻射段進(jìn)對(duì)流段煙道上及空氣預(yù)熱器進(jìn)口位置既有的采樣口進(jìn)行煙氣數(shù)據(jù)采集和氧含量的對(duì)比。改造中，在對(duì)流段煙氣流經(jīng)位置增設(shè)了必要的煙氣檢測(cè)采樣點(diǎn)，填補(bǔ)了數(shù)據(jù)采集的空缺。改造前后煙氣氧含量檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 改造前后煙氣氧含量對(duì)比 φ,%

3) 上、下豬尾管保溫外表面溫度大幅降低。特別是下豬尾管，改造后的表面溫度由原來(lái)采用常規(guī)陶瓷纖維毯保溫的85 ℃降至低于40 ℃，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 改造前后豬尾管外保溫表面溫度對(duì)比

4) 空氣預(yù)熱器最終排煙溫度由原來(lái)使用熱管式預(yù)熱器時(shí)的140 ℃下降至100～120 ℃，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 改造前后空氣預(yù)熱器進(jìn)出口煙氣溫度對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本次轉(zhuǎn)化爐的改造是針對(duì)原轉(zhuǎn)化爐存在的主要問(wèn)題進(jìn)行的，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)化爐的局部進(jìn)行改造以及更換空氣預(yù)熱器，減少了轉(zhuǎn)化爐的漏風(fēng)量，降低了排煙溫度，減少了散熱損失，達(dá)到了預(yù)期的目的。

1) 通過(guò)對(duì)輻射室爐膛負(fù)壓進(jìn)行精準(zhǔn)控制，以及在轉(zhuǎn)化爐管穿出爐頂、爐底等關(guān)鍵部位設(shè)置有效封堵結(jié)構(gòu)，減少了轉(zhuǎn)化爐輻射室的漏風(fēng)量，降低了無(wú)效燃料消耗，從而減少了煙氣總量；

2) 加強(qiáng)對(duì)對(duì)流管束穿出對(duì)流室爐壁部位的有效封堵，制氫轉(zhuǎn)化爐最終排放煙氣中的氧含量得到有效的控制；

3) 上、下豬尾管外保溫選用新型保溫材料和結(jié)構(gòu)，有效地減少了熱損失；

4) 選用換熱效率高、傳熱溫差低、無(wú)內(nèi)漏的空氣預(yù)熱器，最大限度地提高預(yù)熱空氣溫度，降低最終排煙溫度。

通過(guò)采取上述幾個(gè)方面的措施，裝置開(kāi)車運(yùn)行后，在輻射室出口煙氣溫度不變的情況下，經(jīng)空氣預(yù)熱器預(yù)熱后的助燃空氣溫度由原來(lái)的190℃升至約230 ℃；爐膛氧含量由原來(lái)的6.0%降至3.5%；最終排煙溫度由原來(lái)的140 ℃降至105 ℃。采用簡(jiǎn)易熱效率法計(jì)算，全爐綜合熱效率由原來(lái)的90.84%提高至93.30%。改造后節(jié)約了大量的燃料，按照設(shè)計(jì)生產(chǎn)負(fù)荷計(jì)算，平均節(jié)約瓦斯氣不低于400 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),按瓦斯1.556元/ m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))計(jì)，可節(jié)約520萬(wàn)元/a，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

轉(zhuǎn)化爐改造后運(yùn)行平穩(wěn)，降低了輻射室爐頂操作人員巡視、檢查作業(yè)空間的環(huán)境溫度，消除了操作人員在爐頂操作時(shí)的安全隱患；降低了爐膛氧含量及煙氣量，并減少了轉(zhuǎn)化爐的散熱損失，提高了轉(zhuǎn)化爐的熱效率，達(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)，說(shuō)明本次對(duì)轉(zhuǎn)化爐提高熱效率方法的探索及處理措施是成功的，同時(shí)，也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)供同行借鑒。