連續(xù)重整裝置四合一加熱爐節(jié)能改造

紀(jì)傳佳

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

某公司200 萬(wàn)t/年連續(xù)重整裝置采用UOP公司第三代超低壓連續(xù)重整技術(shù)。重整裝置設(shè)計(jì)規(guī)模為2.0 Mt/a,該裝置由0.8 Mt/a預(yù)處理部分、2.0 Mt/a重整反應(yīng)部分及2 043 kg/h催化劑連續(xù)再生部分組成，為芳烴型重整裝置[1]。由于重整反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，四合一加熱爐熱負(fù)荷較大，一般設(shè)計(jì)為自然通風(fēng)，煙氣從輻射室爐膛排出后經(jīng)過(guò)對(duì)流室與水和蒸汽換熱后排入煙囪，加熱爐熱效率一般在89%～90%[2]。

2.0 Mt/a重整裝置四合一爐采用U型管端墻對(duì)燒爐型，由一臺(tái)二合一加熱爐和一臺(tái)三合一加熱爐組成。其中1號(hào)中間加熱爐F-202 為一臺(tái)二合一加熱爐，兩個(gè)爐膛由中間火墻；重整進(jìn)料加熱爐F-201/2號(hào)中間加熱爐F203/3號(hào)中間加熱爐204 為一臺(tái)三合一箱式爐，三個(gè)爐膛由中間火墻隔開(kāi)。工藝介質(zhì)僅在輻射室加熱，每個(gè)爐膛根據(jù)工藝熱負(fù)荷需要分別布置多排U 型管，各個(gè)爐膛U 型管排分別在輻射爐頂通過(guò)集合管與工藝管線(xiàn)相連。由于管內(nèi)被加熱介質(zhì)為氫氣和烴類(lèi)，操作溫度較高, 所以輻射爐管材質(zhì)采用ASTM A335 P9。燃燒器采用側(cè)燒氣體燃燒器，多排布置，二合一加熱爐為48 臺(tái)，三合一加熱爐為54 臺(tái)。二合一加熱爐對(duì)流段為余熱鍋爐B-251,三合一加熱爐對(duì)流段為余熱鍋爐B-252,均用于發(fā)生蒸汽，對(duì)流段余熱鍋爐分為蒸發(fā)段(水保護(hù)段+上部蒸發(fā)段)及蒸汽過(guò)熱段和省煤段，其中蒸汽過(guò)熱段爐管材質(zhì)采用GB531012Cr1MoVG，蒸發(fā)段和省煤段爐管材質(zhì)采用20G。兩臺(tái)加熱爐出對(duì)流余熱鍋爐的煙氣混合后通過(guò)混凝土煙囪排入大氣。重整進(jìn)料反應(yīng)加熱爐兩臺(tái)余熱鍋爐產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽通過(guò)減溫減壓器降至390～420 ℃，進(jìn)入3.5 MPa 蒸汽管網(wǎng)。裝置于2009 年投產(chǎn)至今，F(xiàn)-202 排煙溫度由設(shè)計(jì)的180 ℃升高至194 ℃，F(xiàn)-201/203/204 排煙溫度由設(shè)計(jì)的168 ℃升高至187 ℃，加熱爐熱效率只有89.83%。為進(jìn)一步降低排煙溫度，決定對(duì)四合一爐余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行改造，將排煙溫度降至130 ℃以下，燃燒效率提高至93%左右。

1 改造方案選擇

1.1 方案技術(shù)對(duì)比

項(xiàng)目主要有四種可改造的方案：增補(bǔ)對(duì)流段預(yù)留管排、增加省煤器模塊、增設(shè)空氣預(yù)熱器余熱回收系統(tǒng)、增設(shè)落地式省煤器余熱回收系統(tǒng)。改造方案對(duì)比見(jiàn)表1，改造工程量對(duì)比見(jiàn)表2。

表1 重整余熱回收系統(tǒng)改造方案對(duì)比

表2 重整余熱回收系統(tǒng)改造工程量對(duì)比

1.2 方案比選結(jié)果

(1)方案一在原余熱鍋爐省煤段頂部預(yù)留位置增補(bǔ)一排管排，雖然改造工程量最小，但由于增加傳熱面積較小，煙氣溫度僅會(huì)降低約3～4 ℃，加熱爐熱效率提高很小。本方案由于節(jié)能效果有限，不推薦采用。

(2)方案二在原余熱鍋爐省煤段頂部新增省煤器模塊，并對(duì)原余熱鍋爐排管進(jìn)行改造，排煙溫度可以降至約147 ℃，加熱爐熱效率可由89.83%提高至91.5%。由于余熱鍋爐煙氣質(zhì)量流速較低，管外傳熱系數(shù)較小，且末端傳熱溫差已達(dá)25℃，進(jìn)一步降低排煙溫度需要增加更大的傳熱面積，現(xiàn)有空間位置無(wú)法滿(mǎn)足要求。同時(shí)由于加熱爐熱效率提高不大，并且新增省煤段模塊需對(duì)原對(duì)流頂鋼結(jié)構(gòu)、對(duì)流頂水平煙道進(jìn)行拆除后才可安裝，工程量極大，無(wú)法在裝置修期內(nèi)完成全部改造工程，不推薦采用。

(3)方案三增加空氣預(yù)熱器余熱回收系統(tǒng)，可將排煙溫度降至約122 ℃，加熱爐熱效率可由89.83%提高至93%。本方案燃料氣消耗量可降低5.5%，蒸汽產(chǎn)量下降約7%，新增及更換設(shè)備過(guò)多，投資較大，且加熱爐風(fēng)道布置難度較大，和原現(xiàn)場(chǎng)管線(xiàn)、土建基礎(chǔ)均存在相碰的情況，考慮到施工難度及施工周期的影響，無(wú)法在裝置檢修期內(nèi)完成全部改造工程，不推薦采用。

(4)方案四增加落地式省煤器余熱回收系統(tǒng)，排煙溫度降至約 122 ℃，加熱爐熱效率可由89.83%提高至93%。中壓蒸汽產(chǎn)量增加約8%。新增落地式省煤器后，煙氣通過(guò)煙氣引風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)操作，落地式省煤器內(nèi)煙氣質(zhì)量流速可以按6 kg/(m2·s)進(jìn)行設(shè)計(jì)，與對(duì)流室省煤段相比，管外傳熱系數(shù)可增大到3 倍以上，大大減小了所需要傳熱面積并減輕了設(shè)備質(zhì)量。由于方案中新增設(shè)備數(shù)量相對(duì)較少，對(duì)原重整反應(yīng)進(jìn)料加熱爐爐體結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)管線(xiàn)及設(shè)備基礎(chǔ)影響較小。同增設(shè)空氣預(yù)熱器余熱回收系統(tǒng)相比，加熱爐可以達(dá)到相同的熱效率，且一次投資少，施工難度低，可在裝置檢修期內(nèi)完成全部改造工程。

根據(jù)綜合對(duì)比，決定選擇增加落地式省煤器余熱回收系統(tǒng)作為加熱爐的改造方案，余熱回收系統(tǒng)落地省煤器設(shè)置在地面，可以在不停爐的情況下預(yù)制余熱回收部分，甩頭待停爐檢修時(shí)對(duì)接即可，對(duì)原爐改造較少，要求的停爐施工周期相對(duì)較短[3]，改造在2019年4月份大檢修完成施工并投入使用。

2 設(shè)備改造方案

2.1 增設(shè)余熱回收系統(tǒng)

本次改造新增一臺(tái)落地式省煤器、一臺(tái)引風(fēng)機(jī)、冷熱煙道及相應(yīng)煙道擋板，將對(duì)流出口熱煙氣引入落地式省煤器來(lái)預(yù)熱鍋爐給水(104 ℃)，降低加熱爐排煙溫度，提高加熱爐熱效率。改造后煙氣進(jìn)落地式省煤器溫度約為 219.6 ℃，與除氧水換熱后溫度降至130 ℃以下，由煙氣引風(fēng)機(jī)送入煙囪，通過(guò)煙囪排入大氣。鍋爐給水經(jīng)落地式省煤器加熱后溫度由104 ℃提高到約190 ℃，再進(jìn)入余熱鍋爐B-251/B-252 省煤段換熱。由于新增了引風(fēng)機(jī)，新增落地省煤器可以采取更高的煙氣流速,強(qiáng)化換熱;另外落地省煤器煙氣自上而下流動(dòng),汽水自下而上流動(dòng),即使省煤器沸騰,不會(huì)形成“汽阻”和“水擊”[4]。改造后的工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 余熱回收系統(tǒng)改造后流程圖

隨著節(jié)能工作的不斷開(kāi)展，要求管式爐的排煙溫度越來(lái)越低。但是落地省煤器換熱面上強(qiáng)烈的低溫露點(diǎn)腐蝕，會(huì)造成換熱面的嚴(yán)重腐蝕穿孔。提高落地省煤器入口的空氣溫度可以提高冷端換熱面的壁溫，防止結(jié)露腐蝕。為了防止露點(diǎn)腐蝕，本項(xiàng)目要求控制排煙溫度不低于120 ℃。

在煙道設(shè)置直排煙囪擋板，在引風(fēng)機(jī)故障停運(yùn)時(shí)，擋板自動(dòng)打開(kāi)，煙氣改直排煙囪，加熱爐維持操作，保證加熱爐不停爐、裝置繼續(xù)運(yùn)行[5]。

2.2 對(duì)流段余熱鍋爐(B-251)

由于新增落地式省煤器后，原余熱鍋爐省煤段入口除氧水溫度提升至210 ℃，煙氣出對(duì)流室溫度提升至約220 ℃。為避免原余熱鍋爐省煤段出口出現(xiàn)汽化及維持鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)汽平衡，不影響鍋爐產(chǎn)汽系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對(duì)原B-251 進(jìn)行盤(pán)管改造：將原省煤段下部?jī)膳疟P(pán)管改為蒸發(fā)段盤(pán)管，改造后蒸發(fā)段盤(pán)管為8排，共128根省煤段盤(pán)管為4排，共64根。

2.3 對(duì)流段余熱鍋爐(B-252)

由于新增落地式省煤器后，原余熱鍋爐省煤段入口除氧水溫度提升至210 ℃，煙氣出對(duì)流室溫度提升至約220 ℃。為避免原余熱鍋爐省煤段出口出現(xiàn)汽化及維持鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)汽平衡，不影響鍋爐產(chǎn)汽系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對(duì)原B-252 進(jìn)行盤(pán)管改造：將原省煤段下部?jī)膳疟P(pán)管改為蒸發(fā)段盤(pán)管，改造后蒸發(fā)段盤(pán)管為9排，共162 根；省煤段盤(pán)管為5排，共90根。

3 改造后出現(xiàn)的問(wèn)題及解決對(duì)策

3.1 鍋爐給水閥FV22802經(jīng)常性故障內(nèi)漏

項(xiàng)目投用后，鍋爐給水閥FV22802經(jīng)常出現(xiàn)故障，閥門(mén)過(guò)一段時(shí)間后內(nèi)漏比較嚴(yán)重，在給水流量基本不變的情況下，控制閥閥位從40%下降至10%以下，導(dǎo)致控制閥FV22802無(wú)法投自動(dòng)，鍋爐三沖量系統(tǒng)也無(wú)法投用，控制閥下線(xiàn)維修后再次投用還是經(jīng)常出現(xiàn)同樣問(wèn)題。

經(jīng)分析主要是增設(shè)落地省煤器后，除氧水經(jīng)落地省煤器與煙氣換熱后，除氧水由原來(lái)的120 ℃提高至210 ℃，除氧水密度由956 kg/m3降至 850 kg/m3，同時(shí)由于給水流量由30 t/h提高至33 t/h，導(dǎo)致進(jìn)入控制閥的液體體積流速過(guò)快，接近要求的上限，液體對(duì)閥體沖刷嚴(yán)重，導(dǎo)致閥門(mén)經(jīng)常出現(xiàn)故障性?xún)?nèi)漏問(wèn)題。改造前后除氧水的體積流速變化見(jiàn)表3。

表3 改造前后除氧水體積流量變化

項(xiàng)目改造后由于除氧水溫度提高導(dǎo)致密度下降，同時(shí)由于除氧水流量提高，導(dǎo)致液體體積流速達(dá)到5.5 m/s,超過(guò)要求的2～5 m/s。為此對(duì)閥門(mén)進(jìn)行重新選型，將控制閥原來(lái)的變徑取消，閥門(mén)直徑由50 mm提高至80 mm，經(jīng)計(jì)算，液體流速降至2.15 m/s,滿(mǎn)足控制要求，解決控制閥FV22802經(jīng)常出現(xiàn)故障的問(wèn)題。

3.2 除氧器D251壓力上漲，壓控閥PV23101閥位偏小問(wèn)題

改造后除氧水經(jīng)省煤段換熱后，達(dá)到245 ℃，比原來(lái)的210 ℃提高了30 ℃，在鍋爐連排量基本不變的情況下，導(dǎo)致鍋爐連排擴(kuò)容器D252頂部產(chǎn)的低壓蒸汽產(chǎn)量變多。而除氧器加熱蒸汽主要2個(gè)來(lái)源：一個(gè)是鍋爐連排擴(kuò)容器D252頂部產(chǎn)的低壓蒸汽；另外一個(gè)是1.0 MPa低壓蒸汽管網(wǎng)來(lái)的蒸汽，日常除氧器D251的壓力控制閥PV23101直接控制1.0 MPa低壓蒸汽管網(wǎng)來(lái)的蒸汽，而鍋爐連排擴(kuò)容器D252頂部產(chǎn)的低壓蒸汽直接進(jìn)入除氧器頂部，不受控制閥PV23101控制。改造前除氧器D251壓力控制在0.03 MPa,控制閥PV23101閥位在30%～50%。改造后D251壓力提高至0.035 MPa，而控制閥PV23101閥位只有1%～5%，閥位不穩(wěn)壓力很難控穩(wěn)。

為了解決閥位過(guò)小問(wèn)題，在保證除氧器效果和爐水品質(zhì)的情況下，將除氧器設(shè)定壓力提高至0.04 MPa,適當(dāng)降低鍋爐水連排量，同時(shí)關(guān)小控制閥前手閥，將控制閥PV23101閥位提高至30%～50%控制，最終解決除氧器壓力控制不穩(wěn)的問(wèn)題。

4 節(jié)能效果

四合一爐改造項(xiàng)目于2018年6月開(kāi)始施工，2019年4月份檢修期間完成施工，重整裝置開(kāi)工后正常投用。投用后3個(gè)月對(duì)改造項(xiàng)目的效果進(jìn)行標(biāo)定，改造前、后四合一爐工況變化和能耗變化如表4所示。

表4 改造前后四合一爐工況數(shù)據(jù)

項(xiàng)目投用后具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，本項(xiàng)目投用后主要的效益點(diǎn)在于3.5 MPa蒸汽產(chǎn)量增加了5.5 t/h，同時(shí)引風(fēng)機(jī)消耗用電180 kW/h，按照3.5 MPa蒸汽單價(jià)217.59 元/t，除鹽水單價(jià)9.38元/t，電單價(jià)0.62元/(kW·h)計(jì)算，重整裝置經(jīng)濟(jì)效益提升=5.5×(217.59-9.38)×8 400-180×0.62×8 400=868萬(wàn)元/年,該項(xiàng)目投資1 649.2 萬(wàn)元，23個(gè)月即可收回成本。

5 結(jié) 論

新增落地省煤器系統(tǒng)的余熱回收系統(tǒng)，是首次在國(guó)內(nèi)200萬(wàn)t/年以上加工規(guī)模的連續(xù)重整裝置四合一加熱爐中使用。通過(guò)四合一爐煙氣和除氧水的換熱，將排煙溫度由190 ℃降至120 ℃，降低70 ℃。相同條件下加熱爐燃燒效率提高3.18%，多產(chǎn)3.5 MPa蒸汽5.5 t/h，年增加經(jīng)濟(jì)效益868萬(wàn)元。該項(xiàng)技術(shù)改造節(jié)能效果明顯，施工難度適中，具有很大的推廣意義。