連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐煙氣余熱回收方案對(duì)比分析

王曦宏

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司,北京 100101)

尋找一條節(jié)能、低碳、綠色的可持續(xù)發(fā)展道路一直以來都是廣大石化企業(yè)追尋的目標(biāo)。近年來,為積極響應(yīng)國(guó)家對(duì)于中央企業(yè)在2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)要求,各石化企業(yè)都將“降低裝置能耗,減少碳排放”的要求提到了一個(gè)全新的高度。

連續(xù)重整裝置作為化工原料的重要來源,在石化企業(yè)中的地位不言而喻。連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐作為連續(xù)重整裝置的主要耗能設(shè)備,如何在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上找到一種更節(jié)能、環(huán)保的連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐煙氣余熱回收方案,對(duì)于提高連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐整體熱效率、降低裝置能耗十分必要。

1 連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐

連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐是石油化工生產(chǎn)裝置中的主要設(shè)備之一,為石化裝置的主要耗能設(shè)備。從能耗方面來講,連續(xù)重整裝置加熱爐能耗一般約占裝置能耗的80%【1】;從投資方面來講:連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐是連續(xù)重整裝置中最昂貴的單體設(shè)備,占裝置總投資的15%～25%【2】。

連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐是連續(xù)重整裝置的關(guān)鍵設(shè)備,其為連續(xù)重整反應(yīng)進(jìn)料加熱爐和第一、第二、第三中間加熱爐的統(tǒng)稱,分別為連續(xù)重整進(jìn)料反應(yīng)器以及第一、第二和第三反應(yīng)器提供反應(yīng)所需的能量【2】。根據(jù)工藝需求和裝置處理量的不同,連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐的輻射段總熱負(fù)荷可達(dá)到連續(xù)重整裝置加熱爐總熱負(fù)荷的50%～85%。

連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐按照其輻射爐盤管的構(gòu)型可分為正“U”形盤管連續(xù)重整加熱爐和倒“U”形盤管連續(xù)重整加熱爐【3】,分別如圖1和圖2所示。這兩種爐型在回收輻射段高溫?zé)煔庥酂岬姆绞缴蠜]有實(shí)質(zhì)上區(qū)別,故本文選用了某工程項(xiàng)目中的倒“U”形盤管連續(xù)重整加熱爐作為實(shí)例進(jìn)行討論。

圖1 正“U”形盤管示意【3】

圖2 倒“U”形盤管示意【3】

2 連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐煙氣余熱回收方案

2.1 連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐經(jīng)濟(jì)煙氣余熱回收方案的含義

中海油惠州煉化張紹良等【1】提出經(jīng)濟(jì)排煙溫度的概念,并通過較為詳實(shí)的計(jì)算方案及對(duì)比實(shí)例闡明了關(guān)于連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐排煙溫度的降低程度需要進(jìn)行多角度的分析,綜合考慮,并非傳統(tǒng)意義上的越低越好的觀點(diǎn)。筆者認(rèn)為該設(shè)計(jì)理念對(duì)于目前連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐的煙氣余熱回收方案的選取具有指導(dǎo)意義。本文針對(duì)連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐的煙氣余熱回收方案的選取,以及如何綜合利用發(fā)生蒸汽回收余熱和預(yù)熱助燃空氣兩種煙氣余熱回收方案實(shí)現(xiàn)煉化企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化、降低連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐的綜合能耗和投資進(jìn)行分析和討論,提出“經(jīng)濟(jì)煙氣中段溫度”的概念。所謂“經(jīng)濟(jì)煙氣中段溫度”即煉化企業(yè)運(yùn)行成本、一次性投資最低,節(jié)能降碳效果最大化的連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐對(duì)流段排煙溫度。

2.2 連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐高溫?zé)煔庥酂峄厥辗桨?/h3>

為滿足連續(xù)重整低壓、高溫的反應(yīng)特性的需求,工藝介質(zhì)在通過單個(gè)連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐時(shí),其允許壓降值較常規(guī)煉油加熱爐要小得多。極小的允許壓降導(dǎo)致工藝介質(zhì)無法布置在連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐的對(duì)流段進(jìn)行預(yù)熱,輻射段的高溫?zé)煔庥酂嶂荒芡ㄟ^其他方式回收。下文將對(duì)目前在運(yùn)行的連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐的3種高溫?zé)煔庥酂峄厥辗桨傅奶攸c(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.2.1 采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽和預(yù)熱裝置內(nèi)原料相結(jié)合的方案

通過調(diào)研了解,目前在運(yùn)的重整裝置中僅有為數(shù)不多的幾套傳統(tǒng)半再生重整裝置加熱爐在擴(kuò)能改造過程中采用了此種煙氣預(yù)熱的回收方式。

由于裝置擴(kuò)能,連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐熱負(fù)荷提高,輻射段的高溫?zé)煔庑杌厥盏臒崃吭黾?對(duì)流段的理論發(fā)生蒸汽量也將增加,現(xiàn)有的汽包、給水循環(huán)泵等蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備無法滿足蒸汽量增大后的需要。同時(shí),半再生連續(xù)重整本身已經(jīng)屬于相對(duì)落后的連續(xù)重整技術(shù),已逐漸被連續(xù)重整技術(shù)所替代,對(duì)類似這種面臨淘汰的老舊裝置的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的改造或增加煙氣余熱回收系統(tǒng),改造的整體性價(jià)比較低。

基于上述原因,在改造過程中常采用將連續(xù)重整裝置的分餾塔進(jìn)料爐、汽提塔重沸爐(根據(jù)裝置的實(shí)際需要)等的進(jìn)料送入連續(xù)重整反應(yīng)進(jìn)料加熱爐對(duì)流段進(jìn)行預(yù)熱的方式。這樣做,一方面可以有效回收利用由于裝置擴(kuò)能帶來的剩余煙氣余熱,降低裝置的整體燃料耗量;另一方面,可以保持發(fā)生蒸汽量處于原設(shè)計(jì)點(diǎn),蒸汽發(fā)生系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備可不做改動(dòng)。對(duì)于這種面臨老舊淘汰的半再生重整裝置而言,不失為一種理想的改造方法。

對(duì)于新建或在運(yùn)的連續(xù)重整裝置加熱爐的改造,則不建議采用發(fā)生蒸汽和預(yù)熱裝置內(nèi)原料相結(jié)合的方案,原因主要有如下兩點(diǎn):

1)該方案無法調(diào)節(jié)其他加熱原料的預(yù)熱后溫度,連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐的輻射段熱負(fù)荷一旦確定,原料預(yù)熱后溫度就已固定。一旦連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐負(fù)荷波動(dòng)較大,必將導(dǎo)致原料預(yù)熱過程中的取熱產(chǎn)生較大波動(dòng),影響其他加熱爐的生產(chǎn)操作。

2)由于需要將其他加熱爐的原料引入連續(xù)重整反應(yīng)進(jìn)料加熱爐,且由于連續(xù)重整裝置平面布置的原因,通常情況下相應(yīng)增加的輸送管線的長(zhǎng)度及泵的壓頭都不小,整體經(jīng)濟(jì)性不高。

綜上所述,認(rèn)為采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽和預(yù)熱裝置內(nèi)原料相結(jié)合的方案僅是一個(gè)解決老舊重整裝置擴(kuò)能的權(quán)宜方案,不宜在新建或在運(yùn)的連續(xù)重整裝置加熱爐中選用。

2.2.2 采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽的方案

此方案是正“U”形盤管連續(xù)重整加熱爐、倒“U”形盤管連續(xù)重整加熱爐均普遍采用的煙氣余熱回收方案。

連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐余熱鍋爐流程如圖3所示。

圖3 連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐余熱鍋爐流程

此種方案在上世紀(jì)八、九十年代連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐的熱效率以及裝置碳排放要求不高的時(shí)期是主流設(shè)計(jì)形式。主要原因有如下幾點(diǎn):

1)增加裝置產(chǎn)汽,降低能耗,若產(chǎn)汽富余還可考慮外供獲得經(jīng)濟(jì)效益;

2)對(duì)流段設(shè)計(jì)符合連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐整體設(shè)計(jì)緊湊,可節(jié)約成本;

3)汽包及其附屬管道可設(shè)置在連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐頂部,減小占地,降低成本。

隨著國(guó)際能源供給的日趨緊張以及環(huán)保壓力的加大,在石化行業(yè)中如何有效降低化石能源耗量、有效減少碳排放就成了連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐對(duì)流段采用單一的余熱鍋爐發(fā)生蒸汽取熱方案在降低燃料用量、節(jié)約能耗方面存在較明顯的局限性,主要表現(xiàn)為:

1)發(fā)生蒸汽品味及蒸汽量需要結(jié)合全廠的需要綜合考慮,在一定程度上限制了連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐對(duì)流段的取熱效率以及排煙溫度的進(jìn)一步降低,不利于連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐整體熱效率的提高。

2)連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐對(duì)流段鍋爐給水為除氧水。由于大氣式除氧器出口的飽和水溫度一般在104～106℃,同時(shí)考慮爐管的硫酸露點(diǎn)腐蝕以及對(duì)流傳熱溫差問題,因此排煙溫度宜控制在140 ℃以上,無法進(jìn)一步降低,對(duì)應(yīng)的加熱爐整體熱效率則不高于92%。

綜上所述,連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐對(duì)流段采用單一的余熱鍋爐發(fā)生蒸汽取熱方案可以在一定程度上降低排煙溫度、提高連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐整體熱效率,但效果受限。

2.2.3 采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽與煙氣余熱加熱助燃空氣相結(jié)合的方案

此方案的主要設(shè)計(jì)理念是在現(xiàn)有的連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐對(duì)流段尾部再增設(shè)空氣-煙氣換熱的余熱回收系統(tǒng),通過預(yù)熱助燃空氣,進(jìn)一步回收煙氣余熱,減少加熱爐的燃料消耗,進(jìn)一步提高連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐整體熱效率,同時(shí)降低碳排放。

由于在對(duì)流段尾部增設(shè)了空氣-煙氣換熱余熱回收系統(tǒng),在設(shè)計(jì)初期可以通過調(diào)整離開對(duì)流室的排煙溫度,合理分配發(fā)生蒸汽段與煙氣余熱回收系統(tǒng)的回收熱量比例。在方案的設(shè)計(jì)階段,設(shè)計(jì)方可以與業(yè)主進(jìn)行溝通,了解業(yè)主對(duì)于蒸汽的實(shí)際需求量,在蒸汽發(fā)生量和燃料耗量之間進(jìn)行權(quán)衡,確定一個(gè)最適合業(yè)主的對(duì)流室排煙溫度。

基于此,提出“經(jīng)濟(jì)煙氣中段溫度”的概念。所謂“經(jīng)濟(jì)煙氣中段溫度”即對(duì)煉化企業(yè)實(shí)際操作而言最為合適的對(duì)流室的排煙溫度,該溫度需要綜合考量煉化企業(yè)的一次性投資、實(shí)際蒸汽需求量、煙氣排放指標(biāo)等多種因素。

下面將基于一個(gè)實(shí)際的設(shè)計(jì)案例,通過對(duì)比不同的“煙氣中段溫度”條件下能耗和煙氣排放的差異,提出確定“經(jīng)濟(jì)煙氣中段溫度”的方法。

3 “經(jīng)濟(jì)煙氣中段溫度”的選取

3.1 影響因素

選取不同的煙氣中段溫度將對(duì)幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)產(chǎn)生影響:

1)蒸汽發(fā)生量;2)燃料耗量;3)風(fēng)機(jī)電耗;4)對(duì)流爐管工程量;5)空氣預(yù)熱器工程量;6)煙風(fēng)道工程量;7)電氣工程量;8)自控儀表工程量;9)構(gòu)筑物工程量。

3.2 不同煙氣中段溫度下的經(jīng)濟(jì)效益分析

3.2.1 分析基準(zhǔn)

基于國(guó)內(nèi)在運(yùn)的一套連續(xù)重整裝置反應(yīng)加熱爐的設(shè)計(jì)參數(shù),通過對(duì)比4組不同的煙氣中段溫度條件下(140、214、260和320 ℃)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益給出煙氣中段溫度選取的理論依據(jù)。選取上述4個(gè)煙氣中段溫度,主要原因在于:

1)140 ℃作為采用單一的余熱鍋爐發(fā)生蒸汽的方案所能做到的排煙溫度下限,具有對(duì)比基準(zhǔn)的意義。

2)214 ℃是本文案例中260萬t/a連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐實(shí)際選取的煙氣中段溫度。

3)260 ℃作為一個(gè)中間溫度進(jìn)行對(duì)比分析。

4)320 ℃是煙氣中段溫度能夠選取的一個(gè)較高溫度,高于此溫度一方面會(huì)導(dǎo)致預(yù)熱空氣溫度過高,影響燃燒器的設(shè)計(jì)和燃燒狀態(tài);另一方面會(huì)導(dǎo)致對(duì)流段的蒸汽發(fā)生段傳熱動(dòng)力不足,不利于對(duì)流段的工藝設(shè)計(jì)和操作。

為便于定性分析,蒸汽、燃料氣、電以及設(shè)備單價(jià)直接采用了某煉廠的實(shí)際采購(gòu)價(jià)格。各煉化企業(yè)的實(shí)際采購(gòu)價(jià)格可能略有不同,但不影響本文的分析結(jié)論。裝置全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按8 400 h考慮。

該連續(xù)重整裝置反應(yīng)加熱爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 連續(xù)重整裝置反應(yīng)加熱爐設(shè)計(jì)參數(shù)匯總(一)

表2 連續(xù)重整裝置反應(yīng)加熱爐設(shè)計(jì)參數(shù)匯總(二)

3.2.2 各設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析

1)發(fā)生蒸汽經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

發(fā)生蒸汽為3.7 MPa 中壓蒸汽,過熱至415 ℃,余熱鍋爐給水溫度為104 ℃。其經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見表3。

表3 發(fā)生蒸汽經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

2)燃料氣經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

煉廠燃料氣熱值(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為43 720.3 kJ/m3。其經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見表4。

表4 燃料氣經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

3)風(fēng)機(jī)電耗經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

余熱回收系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)(1開1備),1臺(tái)引風(fēng)機(jī)。表5所列為1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)、1臺(tái)引風(fēng)機(jī)的總電耗。

表5 風(fēng)機(jī)總電耗經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4)對(duì)流段爐管用量對(duì)比

對(duì)流段爐管用量對(duì)比見表6。

表6 對(duì)流段爐管用量對(duì)比

5)預(yù)熱器工程量對(duì)比

預(yù)熱器工程量對(duì)比見表7。

表7 預(yù)熱器工程量對(duì)比

3.2.3 影響因素經(jīng)濟(jì)效益分析匯總

經(jīng)濟(jì)效益分析匯總見表8。

表8 經(jīng)濟(jì)效益分析匯總 萬元

3.2.4 投資回收期的計(jì)算

表9中的投資回收期(年)的計(jì)算方法如下:

式中:M——投資回收期,a;

A j——煙氣中段溫度j℃下的蒸汽總價(jià),萬元;

A140——煙氣中段溫度140℃時(shí)的蒸汽總價(jià),萬元;

B j——煙氣中段溫度j℃下的燃料氣總價(jià),萬元;

B140——煙氣中段溫度140 ℃時(shí)的燃料氣總價(jià),萬元;

C j——電耗總價(jià),萬元;

D j——煙氣中段溫度j℃下的對(duì)流爐管總價(jià),萬元;

D140——煙氣中段溫度140 ℃時(shí)的對(duì)流爐管總價(jià),萬元;

E j——預(yù)熱器總價(jià),萬元;

F j——風(fēng)機(jī)總價(jià),萬元;

G j——煙風(fēng)道總價(jià),萬元;

H j——電氣總價(jià),萬元;

K j——自控儀表總價(jià),萬元;

R j——構(gòu)筑物總價(jià),萬元。

3.3 不同煙氣中段溫度條件下的社會(huì)效應(yīng)影響分析

煙氣中段溫度的選取會(huì)對(duì)連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐的燃料用量產(chǎn)生顯著影響,從而影響碳排放。因此,此處社會(huì)效應(yīng)的分析主要考慮由于燃料用量的變化而導(dǎo)致的二氧化碳排放量的變化。

參照北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 1783—2020《二氧化碳排放核算和報(bào)告要求 石油化工生產(chǎn)業(yè)》的相關(guān)要求和計(jì)算方法,化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量E燃燒是核算和報(bào)告年度內(nèi)各種化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量之和(其中i是化石燃料類型代號(hào)):

式中:AD i——第i種化石燃料的活動(dòng)數(shù)據(jù),GJ;

EF i——第i種化石燃料的二氧化碳排放因子,tCO2/GJ。

其中

式中:CCi——第i種化石燃料的單位熱值含碳量,tC/GJ,取DB11/T 1783—2020附錄A 表A.1中煉化干氣的數(shù)值18.2×10－3t C/GJ;

OF i——第i種化石燃料的碳氧化率,以%表示,取DB11/T 1783—2020附錄A 表A.1中煉化干氣的數(shù)值98%。

式中的44/12表示二氧化碳與碳的相對(duì)分子量之比。

則有

又有

式中:NCV i——第i種化石燃料的平均低位發(fā)熱量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),GJ/104m3;

FC i——第i種化石燃料的消耗量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),104m3。

結(jié)合表4的相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算得到燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量,如表9所示。

從表9可以看出以下兩點(diǎn):

表9 燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量

1)采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽與空氣-煙氣換熱余熱加熱助燃空氣相結(jié)合的方案(即煙氣中段溫度分別為214、260和320℃)時(shí),全年的二氧化碳排放量較采用單一的余熱鍋爐發(fā)生蒸汽的方案(即煙氣中段溫度為140 ℃)時(shí)都有不同程度的減少;

2)根據(jù)表中數(shù)據(jù)粗略估計(jì),煙氣中段溫度每提高50～60℃,連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐的二氧化碳排放量可以減少2%～3%,在不考慮經(jīng)濟(jì)投資的前提下應(yīng)盡量提高煙氣中段溫度,減少燃料消耗,降低二氧化碳排放。

4 結(jié)論

綜上所述,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)根據(jù)表8可以得出,采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽＋煙氣加熱助燃空氣相結(jié)合的方案所節(jié)省下來的燃料費(fèi)用十分可觀。相較于單純采用發(fā)生蒸汽方案,該方案所增設(shè)的預(yù)熱器、風(fēng)機(jī)、煙風(fēng)道等一次費(fèi)用總投資僅需不到3 a即可回收,這對(duì)于煉化企業(yè)而言,投資利益見效快,方案合理。

2)根據(jù)表8可以得出,當(dāng)確定采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽＋煙氣加熱助燃空氣相結(jié)合的方案時(shí),其主要設(shè)備費(fèi)及爐管的一次性投資均可在3 a內(nèi)完成回收,特別是在煙氣中段溫度260℃(回收期2.273 a)和320 ℃(回收期2.502 a)條件下,其投資回收期的差別僅為0.229 a,對(duì)于煉化企業(yè)而言,該差別可以忽略不計(jì)。此時(shí),認(rèn)為應(yīng)該將“經(jīng)濟(jì)煙氣中段溫度”盡量取高值,一方面可以將余熱鍋爐的省煤段取消,簡(jiǎn)化余熱鍋爐部分的工藝流程;另一方面,增大預(yù)熱助燃空氣部分的熱負(fù)荷可以有效減少燃料消耗,對(duì)于減少碳排放更加有利。

3)根據(jù)表9可以得出,選取越高的煙氣中段溫度,其燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳排放量就越少,煙氣中段溫度每提高50～60℃,連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐的二氧化碳排放量可以減少2%～3%。企業(yè)在考慮利潤(rùn)的同時(shí)也應(yīng)兼顧減排降碳的影響,綜合考慮合理的煙氣中段溫度。