甲醇制烯烴裝置余熱鍋爐技術改造

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108）

甲醇制取低碳烯烴技術，是利用煤炭資源部分代替石油資源，通過煤氣化、合成氣制備甲醇，再將甲醇制備成乙烯、丙烯等低碳烯烴的技術，簡稱 DMTO［1-5］。 DMTO 是基于我國富煤、缺油、少氣的能源現(xiàn)狀，由中科院大連化學研究所開發(fā)，中石化洛陽工程公司進行工程化設計的燃油替代技術。DMTO裝置配套余熱鍋爐的主要作用是對催化劑再生燒焦放熱和再生煙氣余熱進行熱量回收，產(chǎn)生中壓過熱蒸汽。余熱鍋爐一般采用臥式安裝，包括前置蒸發(fā)段、過熱器、蒸發(fā)段及省煤器各部分，目前國內有十多臺套類似DMTO裝置余熱鍋爐在運行。某DMTO裝置中該類型余熱鍋爐投用后，存在入口煙道爐膛頂部壁溫較高、穿墻管道高溫煙氣泄漏、排煙溫度過高、受熱面積灰嚴重導致爐膛壓力偏高等問題［6-8］。為降低裝置能耗，確保余熱鍋爐長周期、高效、安全運行，在工藝流程不變的情況下，對余熱鍋爐進行了技術改造，將原臥式余熱鍋爐改造為立式π型模塊化余熱鍋爐。

1 余熱鍋爐運行中存在問題及原因分析

1.1 入口煙道爐膛頂部壁溫較高

DMTO裝置催化劑燒焦再生煙氣經(jīng)焚燒爐焚燒后，溫度約1 150℃的高溫煙氣從焚燒爐出口煙道斜向上方向進入臥式布置的余熱鍋爐，直接沖刷余熱鍋爐爐膛頂部襯里。頂部襯里金屬錨固釘經(jīng)長期高溫煙氣氧化侵蝕后強度喪失 （常用06Cr19Ni10金屬材料錨固釘可耐溫700℃，0Cr25Ni20金屬材料錨固釘可耐溫1 100℃），爐膛頂部襯里失去錨固釘?shù)淖チψ饔迷谥亓ο旅撀鋼p壞，致使入口煙道爐膛頂部外壁溫度升高，超過200℃，成為危及操作及檢修人員安全的極大隱患。入口煙道爐膛頂部壁溫高是DMTO裝置臥式余熱鍋爐運行中普遍存在的問題。

1.2 穿墻管道高溫煙氣泄漏

目前余熱鍋爐煙氣壓力約3 kPa，正常情況下不會發(fā)生鍋爐煙氣泄漏。由于鍋爐臥式布置，底部管道穿墻處為爐底最低點，鍋爐正常運行中的積灰和停爐時的冷凝水均易聚集在該密封結構處，長期積灰和積液會使該密封處腐蝕導致煙氣泄漏。另外，高溫煙氣沖刷會侵蝕穿墻密封盤根填料，造成密封不嚴?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，主要在鍋爐底部穿墻管道處存在高溫煙氣泄漏、催化劑粉塵跑冒現(xiàn)象。由于再生煙氣中含有體積分數(shù)為14%的大量CO，煙氣泄漏會造成環(huán)境污染，安全隱患嚴重。

1.3 鍋爐排煙溫度偏高且受熱面積灰嚴重

該余熱鍋爐受熱面面積不足，自2014年投用初期，鍋爐排煙溫度就偏高（190℃）。由于鍋爐受熱面積灰嚴重，使受熱面吸熱量極大下降，破壞了原有傳熱平衡，導致熱量后移，省煤器出口水溫高達260℃（中壓鍋爐給水壓力6.0 MPa，給水管道存在水擊風險），排煙溫度也大幅超過設計值。到2016-11，鍋爐排煙溫度高達310℃，鍋爐效率下降8%～12%，每次運行1個月后不得不停爐清灰，造成熱量的大量浪費。

由于余熱鍋爐為臥式布置，煙氣橫向沖刷鍋爐管束，長時間運行后，煙氣灰分大量沉積在鍋爐底部，即便采用清灰設施也很難將底部積灰清除，嚴重影響鍋爐換熱效果。因清灰而頻繁地開、停鍋爐，勢必會引起爐體溫度大幅變化，對設備的使用壽命造成很大影響。最主要的是，DMTO催化劑燒焦再生是不完全燃燒過程，煙氣中CO含量高，溫度達640℃，人工清灰作業(yè)時隨時可能出現(xiàn)CO閃爆，存在很大的安全隱患。

2 余熱鍋爐技術改造措施

2.1 立柱支撐方式

在利舊原臥式余熱鍋爐的基礎上，將原鍋爐22根立柱通過橫梁連接成整體框架，確保鍋爐結構穩(wěn)固。鍋爐為全支承結構，采用8根新增立柱支撐鍋爐受熱面模塊設備，8根新增立柱則支撐在橫梁連接成的整體框架上。鍋爐構架采用全金屬結構，按7度地震烈度設計。鍋爐構架由8根金屬立柱組成，用于支承鍋爐本體受熱面模塊設備及連接煙道。

2.2 更換受熱面換熱元件

2.2.1 蒸發(fā)產(chǎn)汽系統(tǒng)

新設計余熱鍋爐工藝流程與原余熱鍋爐工藝流程一致，分為蒸發(fā)產(chǎn)汽系統(tǒng)、過熱器、噴水減溫系統(tǒng)和省煤器。前置蒸發(fā)段布置在鍋爐入口煙道上，主要作用是保護過熱器，防止焚燒后1 150℃高溫煙氣直接沖刷過熱器受熱面管束，避免超溫爆管。蒸發(fā)段布置在過熱器和省煤器受熱面之間。蒸發(fā)產(chǎn)汽系統(tǒng)設備箱體按12 kPa煙氣壓力設計，穿墻管與外護板之間采用金屬膨脹節(jié)密封，避免煙氣泄漏。蒸發(fā)產(chǎn)汽系統(tǒng)設備采用積木式模塊化箱體結構，呈抽屜式布置，可單獨抽出更換［10-12］。受熱面采用光管結構，基管材質為20G，管束呈蛇形水平順列布置，小彎頭全氬弧焊焊接，對接焊縫100%拍片檢測后將管排與進、出口集箱對接。

2.2.2 過熱器

過熱器分為高溫過熱器和低溫過熱器，高、低溫過熱器均為模塊化結構，對殼體采用襯里材料隔熱。高溫過熱器受熱面為光管結構，材質為12Cr1MoVG［13］。低溫過熱器受熱面為翅片管結構，材質為 20G［13］，翅片材質為 00Cr11Ti。 過熱器的受熱面為水平蛇形管、順列、逆流布置。兩級過熱器之間蒸汽管道上安裝1臺多噴嘴、低阻力、霧化式噴水減溫器，采用鍋爐入口除氧冷卻水作為噴水減溫器的噴水冷卻介質。當過熱器出口集箱溫度超過預先設定的許可溫度時，噴水減溫系統(tǒng)調節(jié)閥自動打開，除氧冷卻水經(jīng)噴嘴霧化后與蒸汽混合，從而達到降低蒸汽溫度的效果。

2.2.3 省煤器

省煤器分為高溫省煤器、低溫省煤器兩級，高溫省煤器、低溫省煤器各為1個模塊設備，均采用外保溫積木式模塊化箱體結構，受熱面為蛇形翅片管，順列、逆流布置。省煤器的翅片管基管采用20G 無縫鋼管［13］，翅片材質為 ST12。

2.3 選用新型激波吹灰器

再生煙氣中含有大量粘結性很強的催化劑粉塵，這些粉塵粘結在受熱面管道上將嚴重影響鍋爐的使用性能。本次改造中選用了技術比較先進的激波吹灰器［14-15］。該激波吹灰器由PLC現(xiàn)場控制柜、流量控制系統(tǒng)、脈沖激波引發(fā)系統(tǒng)及脈沖輸出系統(tǒng)等組成，具有功率大、使用效果好、維護工作量小和操作簡單等特點，氣源通?？刹捎脽捰蛷S干氣或罐裝乙炔氣。根據(jù)余熱鍋爐受熱面布置方式及爐體結構，本次改造中共安裝布置了18臺激波吹灰器。

3 余熱鍋爐技術改造效果分析

3.1 布置方式

DMTO裝置余熱鍋爐改造的最大特點是將原臥式布置的余熱鍋爐改為立式布置，立式布置可克服原臥式余熱鍋爐中存在的問題［16］。改造前后DMTO裝置余熱鍋爐布置方式特點對比見表1。

表1 改造前后DMTO裝置余熱鍋爐布置方式特點對比

3.2 性能參數(shù)

對改造后余熱鍋爐的受熱面性能參數(shù)進行了測定，煙氣體積流量（標準狀態(tài)）63 932 m3/h、溫度1150℃，主蒸汽出口溫度430℃、壓力3.82 MPa，給水溫度104℃、壓力6.0 MPa，排煙溫度160℃，自產(chǎn)蒸汽質量流量22.45 t/h，外來飽和蒸汽質量流量29.78 t/h，外供熱水質量流量30.38 t/h，總給水量53.27 t/h，總蒸汽產(chǎn)量53.53 t/h，煙氣總阻力小于1 500 Pa。

改造后余熱鍋爐不同模塊設備的性能參數(shù)見表2，改造前后余熱鍋爐的部分主要參數(shù)對比見表3。

表2 改造后余熱鍋爐不同模塊設備性能參數(shù)

表3 改造前后余熱鍋爐部分主要參數(shù)比較

4 結語

技術改造后DMTO裝置余熱鍋爐占地空間減小，消除了爐頂壁溫過高、煙氣泄漏等安全隱患，減少了裝置維護、檢修等費用，目前余熱鍋爐大修費用為150萬元/a。余熱鍋爐從2018-10-12投運至今運行效果良好，穩(wěn)定運行周期延長至1 a以上，鍋爐換熱效率得到提高，有效降低了裝置能耗，各項工藝技術指標以及設備性能參數(shù)均達到了設計要求。余熱鍋爐排煙溫度降低后，減少了環(huán)境熱污染，社會效益顯著。改造后余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量平均增加5.53 t/h，按照蒸汽價格120元/t、鍋爐運行8 400 h/a計算，可產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益557.42萬元/a，節(jié)能效果顯著。