提高催化裂化裝置蒸汽過(guò)熱爐熱效率的措施

魯維軒

（中國(guó)石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

1 蒸汽過(guò)熱爐簡(jiǎn)介

某重油催化裂化裝置，設(shè)計(jì)處理能力為350萬(wàn)t·a-1，年開(kāi)工時(shí)數(shù)為8400h。該裝置由反應(yīng)再生部分、分餾部分、吸收穩(wěn)定部分、干氣脫硫部分、液化氣脫硫脫硫醇部分、富氣壓縮機(jī)組、煙氣能量回收機(jī)組部分及煙氣鍋爐部分等組成。

350萬(wàn)t·a-1重油催化裂化裝置工藝路線(xiàn)采用高溫短接觸時(shí)間的提升管反應(yīng)，將反應(yīng)時(shí)間控制在3.5s左右。再生器采用重疊式兩段再生工藝，2個(gè)再生器重疊布置，分為一段再生器和二段再生器，一段再生器位于二段再生器之上。一再為貧氧再生環(huán)境，CO在內(nèi)部部分燃燒；二再為富氧再生環(huán)境。來(lái)自主風(fēng)機(jī)的主風(fēng)一部分通過(guò)輔助燃燒室進(jìn)入二段再生器，與一段再生器來(lái)的含碳量較低的不完全再生催化劑充分接觸，完全燒焦，生成含有一定過(guò)剩氧氣的再生煙氣，這部分再生煙氣通過(guò)主風(fēng)分布帽進(jìn)入一段再生器。主風(fēng)機(jī)出口的另一部分新鮮主風(fēng)直接進(jìn)入一段再生器，和二段煙氣中的過(guò)剩氧一起，供一段再生器與高含碳量的待生催化劑接觸并進(jìn)行燒焦。從燒焦動(dòng)力學(xué)來(lái)看，富含氧氣的空氣先與低含碳催化劑接觸，再與高含碳催化劑接觸，有利于燒焦。高溫?zé)煔膺M(jìn)入三旋，除去微粒催化劑后，進(jìn)入煙氣輪機(jī)進(jìn)行煙氣壓力能的回收，煙機(jī)排出的煙氣進(jìn)入CO焚燒爐回收煙氣熱能。該催化裂化裝置為了有效控制再生溫度，設(shè)置了2臺(tái)外取熱器（采用UOP專(zhuān)利技術(shù)），外取熱器的汽水系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)，每臺(tái)外取熱器設(shè)3臺(tái)強(qiáng)制循環(huán)水泵，其中2臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)（1開(kāi)1備），1臺(tái)由中壓蒸汽透平驅(qū)動(dòng)。外取熱器的汽水分離器產(chǎn)中壓飽和蒸汽（4.22MPa、255℃）151.4t·h-1，循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器產(chǎn)中壓飽和蒸汽（4.22MPa、255℃）72.84t·h-1，重循環(huán)油蒸汽發(fā)生器產(chǎn)中壓飽和蒸汽（4.22MPa、255℃）3.74t·h-1，混合后共有227.98 t·h-1的中壓飽和蒸汽送入蒸汽過(guò)熱爐過(guò)熱至421℃。

蒸汽過(guò)熱爐設(shè)計(jì)為油氣混燒爐，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為40.9MW，結(jié)構(gòu)為輻射-對(duì)流圓筒型立式加熱爐。催化裂化裝置正常運(yùn)行時(shí)，重循環(huán)油蒸汽發(fā)生器不投用，裝置通過(guò)外取熱器和油漿蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的飽和蒸汽（設(shè)計(jì)入口溫度為255℃）分為12路管程，先徑向進(jìn)入加熱爐的對(duì)流室，加熱后，再軸向進(jìn)入輻射室，從輻射室頂部出加熱爐（設(shè)計(jì)出口溫度421℃）。蒸汽過(guò)熱爐的設(shè)計(jì)熱效率可達(dá)到90.5%，為了提高其熱效率，在地面還設(shè)置了一套空氣預(yù)熱系統(tǒng)，利用爐子出口的高溫?zé)煔鈦?lái)預(yù)熱燃燒空氣，換熱后的煙氣通過(guò)爐頂煙囪向大氣排放。實(shí)際運(yùn)行中，蒸汽過(guò)熱爐只采用燃料氣作為熱源輸入熱量，通過(guò)調(diào)節(jié)燃料量來(lái)保證蒸汽過(guò)熱爐的出口蒸汽溫度。

2 蒸汽過(guò)熱爐的熱效率分析

對(duì)管式加熱爐來(lái)說(shuō)，燃料燃燒放出的熱量，爐管內(nèi)的介質(zhì)只能吸收一部分，煙道煙氣外排和爐體散熱會(huì)損失一部分熱量，同時(shí)燃料的不完全燃燒也會(huì)損失一部分熱量。管式加熱爐的熱效率，指的是參與熱交換過(guò)程的熱量利用程度，是判定管式加熱爐運(yùn)行情況優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。分析加熱爐熱效率的影響因素，對(duì)提高加熱爐的熱效率、提高加熱爐的管理水平有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

蒸汽過(guò)熱爐是催化裂化裝置中的主要用能設(shè)備之一，其熱效率反映了運(yùn)行情況的好壞。采用正反算法計(jì)算過(guò)熱爐的熱效率，從計(jì)算公式中的變量分析影響其熱效率的因素，可提高蒸汽過(guò)熱爐的熱效率，降低催化裂化裝置的燃料氣消耗[2]。

2.1 正算蒸汽過(guò)熱爐的熱效率

蒸汽過(guò)熱爐的熱效率，即飽和蒸汽被加熱至過(guò)熱蒸汽所吸收的有效熱量，與燃料氣燃燒放出的總熱量之比，公式如下：

式中，η為加熱爐熱效率，%；Q為飽和蒸汽吸收的熱量，MJ·h-1；B為燃料氣用量，Nm3·h-1；QL為燃料氣熱值，MJ·Nm-3。

從式中可以看出，爐子的有效熱負(fù)荷越高，蒸汽吸熱量越大，熱效率越高；燃料氣的用量越少，熱效率越高。

催化裂化裝置的蒸汽過(guò)熱爐2017年5月份的平均產(chǎn)汽量為181.8t·h-1，消耗燃料氣量為2630Nm3·h-1，按照上述公式，計(jì)算蒸汽過(guò)熱爐的熱效率如下：

1）輸入蒸汽過(guò)熱爐的熱量：

輸入過(guò)熱爐的熱量=燃料氣完全燃燒放熱 =燃料氣消耗量×燃料氣燃燒熱值=2630Nm3·h-1×38MJ·Nm-3=99940MJ·h-1

2）蒸汽過(guò)熱爐的外輸熱量：

飽和蒸汽吸收熱量=過(guò)熱爐入口飽和蒸汽流量×過(guò)熱蒸汽和飽和蒸汽焓值差值=181.8t·h-1×(3263.5-2805)kJ·kg-1= 83355.3MJ·h-1

空氣吸熱：

入口空氣焓值=1.01×入口空氣溫度+空氣濕度×(2500+1.84×入口空氣溫度)=1.01×25+0.013×(2500+1.84×25)=58.348kJ·kg-1

出口煙氣焓值=1.02×出口煙氣溫度+煙氣濕度×(2500+1.84×出口煙氣溫度)=1.01×300+0.013×(2500+1.84×300)=342.676kJ·kg-1

空氣吸熱=空氣量×(出口煙氣焓值-入口空氣焓值)=1980×(342.676-58.348)kJ·kg-1=562969.44kJ·h-1

3)熱效率：

2.2 反算蒸汽過(guò)熱爐的熱效率[1]

用反算法計(jì)算蒸汽過(guò)熱爐熱效率的公式如下：

式中，α為過(guò)?？諝庀禂?shù)；tg為排煙溫度，℃；O2為排煙中氧的含量百分?jǐn)?shù)；t0為基準(zhǔn)溫度，取15.6℃；Δt為溫差，當(dāng)燃燒空氣未預(yù)熱或利用加熱爐自身煙氣預(yù)熱空氣時(shí)，Δt=0，當(dāng)外界熱源預(yù)熱空氣時(shí)，Δt為熱空氣溫度與基準(zhǔn)溫度之差；CO為排煙中一氧化碳含量，×10-6；散熱損失取3%。

計(jì)算需要的操作參數(shù)如表1所示。

表1 反算蒸汽過(guò)熱爐熱效率時(shí)的操作參數(shù)

通過(guò)反算法計(jì)算得到的蒸汽過(guò)熱爐的熱效率為88.76%。

采用2種方法計(jì)算蒸汽過(guò)熱爐的熱效率后發(fā)現(xiàn)，用正算法計(jì)算時(shí)，當(dāng)各種原因?qū)е聽(tīng)t子的熱負(fù)荷和燃料的發(fā)熱量出現(xiàn)偏差時(shí)，熱效率結(jié)果也會(huì)有同樣程度的偏差（假定燃料的發(fā)熱量是準(zhǔn)確的）。但用反算法計(jì)算時(shí)，由于各種熱量損失只占熱量總損失的一定比例，即使測(cè)定存在一定偏差，在計(jì)算過(guò)程中對(duì)熱效率結(jié)果的影響會(huì)有所減小，可見(jiàn)采用反算法更為準(zhǔn)確。同時(shí)，反算法中各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)定均比較方便，因此采用得較多。

2.3 影響過(guò)熱爐熱效率的因素

經(jīng)過(guò)分析，影響蒸汽過(guò)熱爐熱效率的因素主要有以下幾個(gè)：1）過(guò)熱爐的排煙溫度越低，煙氣帶走的熱量越少，蒸汽過(guò)熱爐的熱效率越高；2）過(guò)剩空氣系數(shù)ɑ越大，過(guò)剩的燃燒空氣帶走的熱量越多，熱效率越低；3）爐壁的散熱損失越大，熱效率越低。

3 提高蒸汽過(guò)熱爐熱效率的措施

3.1 降低排煙溫度

排氣溫度一般是指燃燒煙氣離開(kāi)加熱爐系統(tǒng)并排放到周?chē)髿庵械臏囟取＜訜釥t的熱損失包括煙氣損失、燃燒不完全損失、爐體散熱等。其中，煙熱損失在總熱損失中的占比最大，達(dá)到總熱損失的一半以上，最高的甚至可以占到熱損失的90%，所以抑制煙熱損失，是減少加熱爐整體熱損失的關(guān)鍵方向，也是提高加熱爐熱效率的重要途徑。

目前，降低加熱爐的排煙熱損失常用的技術(shù)手段之一，是采用空氣預(yù)熱系統(tǒng)。預(yù)熱系統(tǒng)不僅可以充分利用煙氣中的余熱，還可以將燃燒所需的空氣加熱到設(shè)定的溫度，減少空氣預(yù)熱燃料用量的同時(shí)，降低了煙氣的排放溫度，從而降低了煙氣排放熱損失，提高了熱效率。但預(yù)熱器的低溫段是硫化物腐蝕的易發(fā)區(qū)域之一，當(dāng)外表面溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)發(fā)生區(qū)域低溫腐蝕問(wèn)題。

在裝置的日常運(yùn)行中，排氣溫度是判斷煙氣-空氣預(yù)熱器運(yùn)行狀況的標(biāo)準(zhǔn)之一。排氣溫度越高，爐膛的熱效率越低，反之，加熱爐的熱效率越高。但排煙溫度受到露點(diǎn)溫度的限制，排煙溫度過(guò)低會(huì)造成低溫露點(diǎn)腐蝕。通常加熱爐的安全排煙溫度高于煙氣露點(diǎn)5～10℃，以避免爐管、預(yù)熱束、爐殼等發(fā)生腐蝕[3-6]。

燃料氣體中含有少量硫，硫燃燒后全部生成SO2。燃燒室的空氣過(guò)量，存在過(guò)量氧氣，SO2進(jìn)一步與氧氣結(jié)合形成SO3。高溫?zé)煔庵械腟O3氣體不會(huì)腐蝕金屬，一旦煙氣溫度降低到一定程度，SO3就會(huì)與環(huán)境中的水蒸氣結(jié)合，形成硫酸蒸氣。當(dāng)煙氣或受熱面壁溫度低于硫酸蒸氣露點(diǎn)時(shí)，硫酸蒸氣就會(huì)在受熱面凝結(jié)成液體。爐管表面凝結(jié)的液體硫酸會(huì)對(duì)金屬爐管表面造成嚴(yán)重腐蝕，縮短設(shè)備和管道的使用壽命。煙氣露點(diǎn)溫度與過(guò)?？諝庀禂?shù)和燃料含硫量有關(guān)，并隨煙氣含水量的增加而升高。

催化裂化裝置的蒸汽過(guò)熱爐也設(shè)置了空氣預(yù)熱系統(tǒng)，利用過(guò)熱爐燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，加熱冷空氣，將進(jìn)入爐膛的空氣從環(huán)境溫度（25℃）提高至130℃，同時(shí)將過(guò)熱爐的排煙溫度從290℃降低至90℃。此方法的流程簡(jiǎn)單，操作控制方便靈活，一方面降低了空氣進(jìn)入爐膛升溫所吸收的熱量，另一方面減少了高溫?zé)煔馔馀潘鶐ё叩臒崃繐p失，大大提高了蒸汽過(guò)熱爐的熱效率，有效降低燃料氣的使用量。

3.2 提高燃料氣進(jìn)入爐膛的溫度

為了最大限度降低煙囪的排煙溫度，可以采用預(yù)熱燃料氣的方案，以增加顯熱，節(jié)省燃料。催化裂化裝置內(nèi)設(shè)有燃料氣加熱器，設(shè)計(jì)采用0.4MPa的蒸汽，將裝置的外來(lái)燃料氣（40℃）加熱至135℃。用HYSYS流程模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，燃料氣預(yù)熱后，可減少升溫所吸收的熱量278.54MJ·h-1。在目前的工況下，燃料氣加熱器只將燃料氣從40℃加熱至87.5℃，燃料氣升溫所吸收的熱量較設(shè)計(jì)工況有所減少。由于燃料氣升溫所吸收的熱量只占燃料氣燃燒放出熱量的0.3%，因此提高燃料氣進(jìn)入爐膛的溫度，以提高蒸汽過(guò)熱爐的熱效率這一措施的效果并不明顯。

3.3 降低過(guò)?？諝庀禂?shù)

在加熱爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，過(guò)?？諝庀禂?shù)是一個(gè)非常重要的參數(shù)，對(duì)加熱爐的性能有很大的影響。為保證爐膛的正常燃燒，過(guò)?？諝庀禂?shù)一般在1.05～1.15之間。過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)大，進(jìn)入爐膛的風(fēng)量過(guò)多，大量的空氣熱量會(huì)被煙氣帶走，降低了爐膛溫度和煙氣黑度，影響換熱效果，同時(shí)還增加了煙氣排放量，使排煙溫度升高，增加了排煙熱損失。同時(shí)，過(guò)大的過(guò)?？諝庀禂?shù)會(huì)加劇爐膛和爐膛部件氧化，在爐膛管表面形成一層金屬氧化物的脆性層。這層金屬氧化物與母體的膨脹系數(shù)不同，很容易脫落，氧化層脫落后，暴露的爐膛管母體金屬會(huì)被氧化、脫落，最終導(dǎo)致?tīng)t膛管變薄直至失效，并增大對(duì)流室的熱量。此外，過(guò)量的空氣系數(shù)會(huì)提高SO2和SO3的轉(zhuǎn)化率，加重露點(diǎn)腐蝕。過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)小，則進(jìn)入爐膛的風(fēng)量不足，造成燃?xì)馊紵怀浞郑黾硬煌耆紵臒釗p失，熱效率在一定程度上有所降低，造成燃料的浪費(fèi)。

在排風(fēng)溫度不變的情況下，過(guò)?？諝庀禂?shù)在1.05～1.25范圍內(nèi)與熱效率基本呈線(xiàn)性關(guān)系。過(guò)?？諝庀禂?shù)每增加0.1，加熱爐的熱效率會(huì)降低0.38%。加熱爐的排煙溫度越高，過(guò)熱空氣系數(shù)的變化對(duì)加熱爐熱效率的影響越大[7]。

在蒸汽過(guò)熱器的設(shè)計(jì)階段，采用高效燃燒器，可保證燃料充分混合，實(shí)現(xiàn)燃料的完全燃燒。采用氧化鋯氧儀檢測(cè)煙氣中的氧含量，了解過(guò)熱爐火焰的燃燒情況，以便及時(shí)調(diào)整處理。在蒸汽過(guò)熱爐的運(yùn)行過(guò)程中，加強(qiáng)“三門(mén)一板”調(diào)節(jié)，控制合理的爐膛負(fù)壓，可保證風(fēng)量不過(guò)高，從而滿(mǎn)足燃燒需要。

4 結(jié)論

本文依據(jù)催化裂化裝置正常生產(chǎn)時(shí)蒸汽過(guò)熱器的運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，采用正算法和反算法計(jì)算了蒸汽過(guò)熱器的熱效率，分析了影響蒸汽過(guò)熱器熱效率的主要因素，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，提出了提高蒸汽過(guò)熱爐熱效率的措施，可為同類(lèi)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行提供參考。

1）將排煙溫度降低至90℃，將過(guò)熱空氣系數(shù)控制在1.10，將燃?xì)忸A(yù)熱至87.5℃，將助燃空氣預(yù)熱至130℃，采用反算法計(jì)算出的催化裂化裝置蒸汽過(guò)熱爐的熱效率為90.72%。與優(yōu)化前相比，蒸汽過(guò)熱器的熱效率提高了2%。

2）研究成果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，影響蒸汽過(guò)熱器熱效率最重要的參數(shù)，是過(guò)?？諝庀禂?shù)(含氧量)和排煙溫度。排煙溫度每降低4℃，加熱爐的熱效率會(huì)提高1%，但降低排煙溫度時(shí)要考慮到煙氣露點(diǎn)溫度的限制。

3）通過(guò)“三門(mén)一板”的調(diào)整，可保證適當(dāng)?shù)倪^(guò)?？諝庀禂?shù)和最低的排煙溫度，從而提高蒸汽過(guò)熱器的熱效率，降低爐膛的燃?xì)庀摹?/p>