提高柴油加氫加熱爐熱效率的措施研究

毛旭東 楊海瑞 朱盼 羅子明 魏建濤 尹文浩

（1.中國石油天然氣股份有限公司慶陽石化分公司；2.隴東學(xué)院能源工程學(xué)院）

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，能源的消耗迅速增加，工業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境問題日益凸顯。國家《新環(huán)境保護法》等安全、環(huán)保法律法規(guī)的頒布實施，國家對環(huán)保要求更加嚴(yán)厲苛刻，尤其對大氣污染治理提出了更高的要求。加熱爐作為石油煉化和工業(yè)化學(xué)品生產(chǎn)行業(yè)的重要設(shè)備，其消耗燃料為生產(chǎn)過程提供重要熱源，它消耗的燃料在整套裝置中的能源消耗比重較大，平均占到39%，加熱爐在運行時熱效率的高低影響著煉化企業(yè)的經(jīng)濟效益。但與此同時，也不能盲目追求過高的熱效率，使得一次投資過高或產(chǎn)生尾部換熱面低溫露點腐蝕與黏灰堵塞的情況，影響整個裝置的長周期運行。其中，柴油加氫裝置加熱爐里燃料消耗量在整體的能耗消耗中的占比在29%左右[1]。因此，合理提高加熱爐在運行過程中的熱效率，降低加熱爐燃料消耗量，建設(shè)節(jié)能、環(huán)保、高效、智能的“綠色加熱爐”，對于響應(yīng)習(xí)近平總書記“綠水青山就是金山銀山”的口號和中國石油提質(zhì)增效專項行動號召，落實節(jié)能降耗措施，都有著非常積極的作用[2-3]。

1 現(xiàn)狀及問題

中國石油慶陽石化公司120×104t/a 柴油加氫改質(zhì)裝置由寰球公司遼寧公司設(shè)計，采用撫順研究院FHI 柴油加氫改質(zhì)異構(gòu)降凝技術(shù)。設(shè)置1 臺反應(yīng)器，裝填FF-36加氫精制催化劑和FC-14加氫改質(zhì)催化劑，爐前混氫，采用冷高分工藝流程，設(shè)計規(guī)模為120×104t/a，實際加工量為114.75×104t/a。反應(yīng)進料加熱爐204-F101 采用雙室水平管箱式爐，爐底共設(shè)有32 臺附墻式扁平焰氣體燃燒器，有輻射室、對流室和煙囪，輻射室和對流室內(nèi)均裝有爐管，工藝介質(zhì)經(jīng)對流室進入輻射室加熱至工藝所需溫度，以滿足生產(chǎn)工藝的需要[4]。

為達(dá)到加氫柴油國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)和適應(yīng)市場需求，2018 年大檢修期間，對柴油加氫裝置進行升級改造，使得加熱爐負(fù)荷增大，能耗較高。統(tǒng)計計算2018年大檢修后4個月的加熱爐熱效率，僅為91%左右。加熱爐熱效率是衡量管式加熱爐先進性的一個重要指標(biāo)，同時加熱爐的燃料消耗在裝置能耗中占相當(dāng)大的比例，嚴(yán)重制約著柴油加氫裝置節(jié)能降耗和經(jīng)濟效益的提高；因此，提高加熱爐的熱效率，減少燃料消耗是亟待解決的問題[5]。

2 原因分析

對于加熱爐的操作管理，運行部在此之前就已經(jīng)制定了培訓(xùn)計劃，安排技術(shù)員對操作人員進行培訓(xùn)并考試，提高其操作技能，改善操作人員對加熱爐系統(tǒng)的認(rèn)知程度，提升其運行保障技術(shù)，確保每位員工能夠熟練掌握加熱爐的操作要點[6]。對于燃料氣性質(zhì)，每周一、周四質(zhì)量檢測中心對裝置燃料氣進行采樣分析，燃料氣組成和雜質(zhì)含量均達(dá)標(biāo)。排除以上原因，對于加熱爐熱效率的影響參數(shù)分為反平衡參數(shù)和正平衡參數(shù)。其中，反平衡參數(shù)包括過?？諝庀禂?shù)、排煙溫度、一氧化碳等；正平衡參數(shù)主要包括進口溫度、出口溫度、燃料溫度、燃料壓力、工質(zhì)流量、燃料消耗等?，F(xiàn)對重要的參數(shù)予以分析[7]，主要有以下幾方面原因：

1）空氣預(yù)熱器副線調(diào)閥故障。統(tǒng)計2018 年大檢修后6 個月空氣預(yù)熱器進出口溫差月平均值統(tǒng)計，見圖1。結(jié)果顯示，溫差均低于設(shè)計值（185 ℃），空氣預(yù)熱效果差，熱效率下降。同時檢查發(fā)現(xiàn)，空氣預(yù)熱器副線調(diào)閥定位器故障且作用方式反，無法投自動控制。

圖1 空氣預(yù)熱器進出口溫差統(tǒng)計

2）排煙溫度高。排煙損失在加熱爐的熱損失中占很大的比例，一般情況下，排煙溫度每升高17～20 ℃，加熱爐的熱效率就下降1%左右[8-9]；因此，排煙溫度是否合理是提高加熱爐熱效率的關(guān)鍵之一。對加熱爐排煙溫度近半年進行統(tǒng)計并與熱效率最好月份對比，排煙溫度偏高是導(dǎo)致加熱爐熱效率低的另一重要原因。

3）加熱爐負(fù)荷較大。2018 年大檢修后裝置負(fù)荷增大，隨著加熱爐負(fù)荷率的增加，不但燃料消耗量增加，而且可使排煙溫度升高[10]。對比檢修前后相同工況下加熱爐燃料氣用量可以發(fā)現(xiàn)，檢修后燃料氣消耗量大幅增加，且白天與夜間空氣預(yù)熱器進口溫度變化較大，導(dǎo)致燃料氣用量波動較大，加熱爐熱效率降低。

3 方案編制及實施

為了提高加熱爐的熱效率，減少燃?xì)鈸p耗，根據(jù)以上原因分析，制定了相應(yīng)的解決方案，具體措施如下:

1)提高加熱爐進口溫度。聯(lián)系上游裝置，優(yōu)化冷熱進料比例，及時調(diào)整空冷，提高熱進料流量及溫度；在確保C202進料溫度的前提下，稍開E102殼程副線，減少反應(yīng)產(chǎn)物與脫硫化氫汽提塔底油的換熱量，提高柴油加氫進加熱爐原料溫度，降低加熱爐進出口溫差，加熱爐進料流程見圖2。

圖2 加熱爐進料流程

2）檢修空氣預(yù)熱器副線調(diào)閥，調(diào)整PID 參數(shù)。編制可行方案，聯(lián)系儀表專業(yè)人員對空氣預(yù)熱器副線調(diào)閥進行檢修，檢修完成后調(diào)整PID 參數(shù)，投自動運行。

3）調(diào)節(jié)火嘴燃燒效果，優(yōu)化操作，降低排煙溫度。運行部組織加熱爐操作能手專門對操作人員進行了現(xiàn)場加熱爐調(diào)整，熱效率理論計算方面等培訓(xùn)，制定加熱運行特護方案和相關(guān)考核制度，使班組操作員隨時掌握加熱爐的燃燒情況，及時進行調(diào)整。

4 效果分析

1）通過提高原料中熱進料溫度和減少反應(yīng)產(chǎn)物與脫硫化氫汽提塔底油的換熱量，使加熱爐進料溫度提高5 ℃，加熱爐進出口溫差減小，燃料氣消耗下降，加熱爐關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)計見表1。

2）對空氣預(yù)熱器副線調(diào)閥檢修后，調(diào)閥正常，調(diào)整PID參數(shù)，調(diào)閥投自動控制，空氣預(yù)熱器進出口溫差均高于設(shè)計值185 ℃，排煙溫度平穩(wěn)，空氣預(yù)熱器進出口溫差見表2。

3）通過對操作人員加強操作方法培訓(xùn)，經(jīng)過一段時間的摸索操作實踐，使得加熱爐燃燒狀況有了較大的改善，排煙溫度也明顯下降，控制在120～140 ℃，加熱爐爐膛溫度均低于650 ℃，加熱爐排煙溫度比對見表3。

表1 加熱爐關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)計

表2 空氣預(yù)熱器進出口溫差

表3 加熱爐排煙溫度比對

通過以上措施的實施，柴油加氫加熱爐熱效率由91.0%提高到92.3%以上，降低柴油加氫裝置燃料氣的消耗，加熱爐燃料氣、熱效率比對見表4。加熱爐每小時燃料氣消耗量由874 m3/h 降至570 m3/h，節(jié)約燃料氣304 m3/h，換算后節(jié)約0.325 t/h。若燃料氣以每噸1 000元計算，則每小時可節(jié)約325 元，月節(jié)約23.4 萬元。自措施實施后，從2020 年2—5 月共節(jié)約93.6 萬元，節(jié)省了能源和生產(chǎn)運行成本，具有一定的經(jīng)濟效益；降低了爐膛溫度，消除了爐膛超溫的安全隱患，在一定程度上降低了燃料氣燃燒產(chǎn)生的硫化物和氮氧化物等對環(huán)境的污染，具有一定的社會效益。

表4 加熱爐燃料氣、熱效率比對

5 結(jié)論

1）強化工藝管理，嚴(yán)格控制原料進料溫度和加熱爐進料溫度，降低加熱爐進出口溫差，控制氧含量在2%～4%，負(fù)壓在-50～-20 Pa，排煙溫度為120～130 ℃，減少加熱爐熱量損失。

2） 加強加熱爐余熱回收利用系統(tǒng)的優(yōu)化操作，最大限度地利用煙氣余熱為進入爐膛空氣加熱，減少排煙熱損失，降低加熱爐的排煙溫度，從而增強燃燒效果，減少燃料的浪費，提高加熱爐系統(tǒng)效率。

3）加強現(xiàn)場巡檢，觀察火嘴燃燒情況，確保火焰短火苗、齊火焰，火焰燃燒有力。重點監(jiān)控加熱爐爐膛溫度，發(fā)現(xiàn)異常變化及時檢查調(diào)整爐膛燃燒情況。

4）繼續(xù)加強員工操作技能培訓(xùn)，固化操作方法，強化運行管理，規(guī)范操作步驟，確保加熱爐運行平穩(wěn)。