甲醇裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)助燃空氣預(yù)熱器更新改造分析

杜 倫，康英英

(陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工股份有限公司，陜西 榆林 718500)

0 引 言

陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工股份有限公司(簡(jiǎn)稱榆林能化)甲醇(聯(lián)合)裝置(以天然氣、煤為原料)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)采用莊信萬(wàn)豐一段蒸汽轉(zhuǎn)化工藝，其特點(diǎn)主要是流程短、甲烷轉(zhuǎn)化率高、操作彈性大。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化爐于2013年建成，是當(dāng)時(shí)亞洲最大的轉(zhuǎn)化爐，其燃燒器發(fā)熱量高達(dá)419 MW。助燃空氣預(yù)熱器是轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)提高轉(zhuǎn)化爐的熱效率至關(guān)重要，直接影響著轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的熱量平衡、能耗，對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行尤為重要。設(shè)計(jì)上，空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)加壓后與轉(zhuǎn)化爐煙氣在助燃空氣預(yù)熱器中完成熱量交換，煙氣溫度由413 ℃降至161 ℃，助燃空氣吸收的顯熱送入轉(zhuǎn)化爐輻射段利用，達(dá)到余熱回收利用的目的——助燃空氣預(yù)熱器回收熱量49.4 MW，轉(zhuǎn)化爐熱效率約90%。

榆林能化甲醇裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)助燃空氣預(yù)熱器自開(kāi)車后就沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效能，其出口煙氣溫度不僅嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)參數(shù)，而且增大了引風(fēng)機(jī)的負(fù)荷和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，成為轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷提升的瓶頸。2015年助燃空氣預(yù)熱器新增了4個(gè)換熱模塊(原設(shè)有12個(gè)換熱模塊)，同時(shí)對(duì)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行擴(kuò)能改造，改造后引風(fēng)機(jī)出力大幅提升，但助燃空氣預(yù)熱器的換熱效果仍欠佳；2016年對(duì)轉(zhuǎn)化爐余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行第二次改造，在轉(zhuǎn)化爐煙氣進(jìn)入助燃空氣預(yù)熱器之前的過(guò)渡段上增設(shè)預(yù)轉(zhuǎn)化原料氣預(yù)熱器(E06)和燃料氣預(yù)熱器(E26)兩組換熱盤管，改造后，進(jìn)入助燃空氣預(yù)熱器的轉(zhuǎn)化爐煙氣溫度降低70～80 ℃，但助燃空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度仍較高，設(shè)置在助燃空氣預(yù)熱器出口煙道頂部的溫度計(jì)顯示為250 ℃、設(shè)置在煙道底部的溫度計(jì)顯示為230 ℃，轉(zhuǎn)化爐整體熱效率僅約87%，未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前，榆林能化正在分析與論證助燃空氣預(yù)熱器更新改造的必要性，更新改造的難點(diǎn)與解決方法，以及預(yù)期的改造效果。以下對(duì)有關(guān)情況作一簡(jiǎn)介。

1 空氣預(yù)熱器系統(tǒng)工藝流程及設(shè)計(jì)參數(shù)簡(jiǎn)述

轉(zhuǎn)化爐煙氣與空氣在助燃空氣預(yù)熱器中進(jìn)行熱量交換，將空氣加熱至設(shè)計(jì)溫度后送入轉(zhuǎn)化爐燒嘴處作為助燃空氣；轉(zhuǎn)化爐煙氣進(jìn)入煙氣熱回收煙道，所用換熱盤管分成6個(gè)獨(dú)立的單元來(lái)回收熱量，分別為高壓蒸汽過(guò)熱器(E04，2組盤管組成)、轉(zhuǎn)化爐進(jìn)料預(yù)熱器(E05，2組盤管組成)、預(yù)轉(zhuǎn)化爐進(jìn)料加熱器(E06，3組盤管組成)、原料天然氣預(yù)熱器(E07，1組盤管組成)、燃料氣預(yù)熱器(E26，1組盤管組成)、助燃空氣預(yù)熱器(E08，1組16個(gè)換熱模塊組成)。煙氣通過(guò)對(duì)流段的各組換熱模塊完成熱量交換，回收熱量后的煙氣由引風(fēng)機(jī)送至煙囪排入大氣。

助燃空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：轉(zhuǎn)化爐煙氣組分(摩爾分?jǐn)?shù)，下同)N270.43%、H2O 18.44%、CO29.32%、O21.68%、Ar 0.12%、He 0.01%；煙氣流量599 000 kg/h，入口溫度413.2 ℃、出口溫度161.8 ℃；換熱量49 400 kW，熱交換過(guò)程中散失到環(huán)境中的熱量占比0.5%，污垢熱阻0.000 172 m2·K/W；外殼腐蝕裕量3.0 mm。

助燃空氣預(yù)熱器空氣側(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：空氣成分N278.48%、O220.86%、H2O 0.66%，空氣流量540 800 kg/h，入口溫度15.8 ℃、出口溫度330.0 ℃；換熱量49 400 kW。

2 助燃空氣預(yù)熱器運(yùn)行問(wèn)題及其影響

2.1 運(yùn)行問(wèn)題

(1)助燃空氣預(yù)熱器效能不足。助燃空氣預(yù)熱器空氣側(cè)設(shè)計(jì)入口溫度15.8 ℃、出口溫度330.0 ℃，實(shí)際生產(chǎn)中空氣側(cè)入口溫度8.5 ℃、出口溫度280 ℃；空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)設(shè)計(jì)入口溫度413.2 ℃、出口溫度161.8 ℃，實(shí)際生產(chǎn)中煙氣側(cè)入口溫度415 ℃、出口溫度約250 ℃。可以看到，預(yù)熱后的空氣溫度低于設(shè)計(jì)值約50 ℃，煙氣側(cè)出口溫度較設(shè)計(jì)值高約88 ℃，顯然助燃空氣預(yù)熱器效能不足。

(2)熱量后移。由于助燃空氣預(yù)熱溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)值，造成熱量后移，致使原料天然氣換熱器(E07)煙氣側(cè)入口操作溫度高達(dá)494 ℃，較其設(shè)計(jì)操作溫度424 ℃高70 ℃。

(3)制約系統(tǒng)負(fù)荷提升。熱量后移致引風(fēng)機(jī)入口煙氣溫度達(dá)250 ℃，超過(guò)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械設(shè)計(jì)溫度190 ℃，會(huì)造成引風(fēng)機(jī)前后軸振動(dòng)劇增，油封損壞，設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大；為了不影響引風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，轉(zhuǎn)化爐只能維持80%左右的負(fù)荷運(yùn)行。

2.2 對(duì)系統(tǒng)的影響

(1)由于助燃空氣預(yù)熱器效能不足，煙氣熱量后移、逃逸，形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐熱效率降低，轉(zhuǎn)化爐燃料的使用量明顯增加——據(jù)測(cè)算，空氣預(yù)熱后溫度未達(dá)到設(shè)計(jì)值，造成燃料天然氣消耗增加約6 300 km3/a(標(biāo)態(tài)，下同)；同時(shí)，由于存在設(shè)計(jì)缺陷，實(shí)際生產(chǎn)中轉(zhuǎn)化爐換熱模塊的熱平衡與設(shè)計(jì)存在偏差，造成一定的熱量損失，也使得燃料天然氣用量有所增加，能量損失大[1]。

(2)熱量后移致使原料天然氣換熱器(E07)煙氣側(cè)入口操作溫度高達(dá)494 ℃，而E07中間支架設(shè)計(jì)工作溫度為500 ℃，中間支架及管束有變形、位移風(fēng)險(xiǎn)，E07管束使用壽命會(huì)縮短。

(3)為將轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷提升至設(shè)計(jì)值，在引風(fēng)機(jī)入口煙氣中噴入約5 m3/h脫鹽水進(jìn)行降溫，確保了引風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行，但此舉進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的能耗，且長(zhǎng)期噴脫鹽水造成引風(fēng)機(jī)負(fù)荷增加、煙道及葉輪的結(jié)垢腐蝕嚴(yán)重、空氣預(yù)熱器底部腐蝕泄漏、引風(fēng)機(jī)前后軸承振值偏高、操作難度增加等，繼而導(dǎo)致運(yùn)行成本增高——2020年由于引風(fēng)機(jī)葉輪腐蝕嚴(yán)重而提前報(bào)廢，更換了新葉輪，2022年再次更換了葉輪，增加運(yùn)行成本約100萬(wàn)元/次；另外，對(duì)助燃空氣預(yù)熱器底部7個(gè)腐蝕泄漏模塊進(jìn)行了注膠堵漏，增加運(yùn)行成本約20萬(wàn)元/次[2]。

3 改造的必要性

(1)甲醇(聯(lián)合)裝置天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化爐于2014年投用，至今已運(yùn)行9 a，運(yùn)行過(guò)程中助燃空氣預(yù)熱器效率較設(shè)計(jì)值低，同時(shí)，2次的堵漏經(jīng)歷使得其煙道截面積減小，換熱效率進(jìn)一步下降，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的熱效率與引風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行，不能滿足轉(zhuǎn)化系統(tǒng)長(zhǎng)周期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行需求。

(2)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，燃料氣含硫量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)有進(jìn)一步降低排煙溫度、提高熱效率的空間：以年均助燃空氣預(yù)熱器空氣側(cè)入口溫度8.5 ℃(氣溫)、轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷105%、空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)出口溫度230 ℃為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，需補(bǔ)充燃料氣7 668 kg/h(10 198 m3/h)，發(fā)熱量511.11 MW，助燃空氣預(yù)熱器回收熱量43.64 MW，回收燃料氣顯熱10.08 MW，熱效率為86.4%；助燃空氣預(yù)熱器更新改造后，排煙溫度降至145 ℃，需補(bǔ)充燃料氣5 184 kg/h(6 895 m3/h)，發(fā)熱量491.88 MW，助燃空氣預(yù)熱器回收熱量54.25 MW，回收燃料氣顯熱9.38 MW，熱效率為90.3%。更新改造后，可節(jié)省燃料天然氣10198-6895=3 303 m3/h，折合發(fā)熱量3303×34.07=112 533.2 MJ/h=31.26 MW；按照發(fā)熱量扣除裝置自產(chǎn)的燃料氣發(fā)熱量再加上燃料氣和空氣回收的顯熱計(jì)算，可節(jié)省燃料氣發(fā)熱量(511.11-491.88)+(54.25+9.38-43.64-10.08)=29.14 MW，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)節(jié)能降耗效果顯著。

(3)轉(zhuǎn)化爐投產(chǎn)至今已有9 a，尤其是在轉(zhuǎn)化催化劑使用末期操作工況下，由于各組盤管內(nèi)外存在結(jié)焦、結(jié)垢，清理困難，其換熱效率下降，熱負(fù)荷后移嚴(yán)重，有必要通過(guò)助燃空氣預(yù)熱器的更新改造提高轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

(4)有必要通過(guò)助燃空氣預(yù)熱器的更新改造充分回收煙氣的熱量，以減少轉(zhuǎn)化系統(tǒng)燃料氣用量及CO2排放量。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)之設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

由于現(xiàn)場(chǎng)空間受限，新設(shè)計(jì)的助燃空氣預(yù)熱器(包括優(yōu)化后的煙道、風(fēng)道及其進(jìn)出口)必須布置在原有設(shè)備空間內(nèi)。而轉(zhuǎn)化催化劑使用初期與使用末期操作參數(shù)存在差異，且轉(zhuǎn)化爐的操作參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)存在偏差，加之現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)因儀表、計(jì)量誤差而存在偏差，同時(shí)還得考慮環(huán)境溫度(氣溫)變化，提出準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)難度較大[3]。

為滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的布置(尺寸)要求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，并對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)化爐(輻射段和對(duì)流段)做3組工藝參數(shù)的傳熱計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果并綜合評(píng)估，提出助燃空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)參數(shù)(轉(zhuǎn)化系統(tǒng)傳熱計(jì)算采用國(guó)際通用的美國(guó)石油協(xié)會(huì)計(jì)算程序Reform-3PC、FRNC-5PC)：① 第一組數(shù)據(jù)——原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證計(jì)算程序的適用性，與原計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較；② 第二組數(shù)據(jù)——操作數(shù)據(jù)，跟蹤實(shí)際操作工況，模擬得出轉(zhuǎn)化催化劑使用末期轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段熱量后移后助燃空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)，得出助燃空氣預(yù)熱器最大熱負(fù)荷下的設(shè)計(jì)參數(shù)；③ 第三組數(shù)據(jù)，利用第二組數(shù)據(jù)模型，計(jì)算得出助燃空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)參數(shù)，包括年平均溫度(氣溫)、極端低溫(氣溫)、極端高溫(氣溫)、轉(zhuǎn)化爐最小運(yùn)行負(fù)荷(50%)下助燃空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)。

據(jù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況確定如下設(shè)計(jì)參數(shù)作為設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)：① 空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度按145 ℃設(shè)計(jì)，盡量低，但不得低于130 ℃；② 設(shè)置冷空氣旁路作為助燃空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，旁路擋板開(kāi)啟條件為出口煙氣溫度140 ℃；③ 轉(zhuǎn)化爐最大運(yùn)行負(fù)荷為105%，采集實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷103%下的操作數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)；④ 轉(zhuǎn)化爐最小負(fù)荷按額定負(fù)荷的50%考慮；⑤ 入口空氣溫度按年平均溫度(氣溫)計(jì)；⑥ 以年平均溫度下負(fù)荷105%為基準(zhǔn)，以轉(zhuǎn)化催化劑使用末期操作數(shù)據(jù)作為主設(shè)計(jì)參數(shù)、轉(zhuǎn)化催化劑使用初期操作數(shù)據(jù)作為兼顧設(shè)計(jì)參數(shù)，并考慮極端工況下的操作數(shù)據(jù)，判斷極端工況下設(shè)備運(yùn)行的安全性[4]。

5 預(yù)期改造效果

(1)利用原有設(shè)備的空間，助燃空氣預(yù)熱器更新改造后煙氣溫度降至145 ℃排放，可大大提高轉(zhuǎn)化系統(tǒng)熱效率——以年平均氣溫8.5 ℃、轉(zhuǎn)化爐105%負(fù)荷、現(xiàn)有操作工況作為計(jì)算基準(zhǔn)，估算轉(zhuǎn)化爐熱效率在91%以上。

(2)設(shè)置冷空氣旁路和煙氣出口溫度(煙氣排放溫度)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，設(shè)備操作負(fù)荷可變可調(diào)，且能自動(dòng)調(diào)節(jié)避開(kāi)煙氣露點(diǎn)腐蝕溫度，設(shè)備操作更安全、使用壽命更長(zhǎng)。

(3)助燃空氣預(yù)熱器更新改造后，在轉(zhuǎn)化爐100%負(fù)荷、年平均氣溫(8.5 ℃)條件下，經(jīng)推算，新操作參數(shù)下可節(jié)能29.14 MW(系統(tǒng)自產(chǎn)燃料氣發(fā)熱量以346.3 MW計(jì))；煙氣無(wú)需噴水降溫，年可節(jié)省脫鹽水40 kt，年節(jié)約脫鹽水成本約10萬(wàn)元；年可減少CO2排放約30 kt。

(4)助燃空氣預(yù)熱器更新改造后，經(jīng)測(cè)算，可減少燃料天然氣用量約3 079 m3/h，年運(yùn)行時(shí)間以8 000 h計(jì)，年可節(jié)省燃料氣約24 632 km3，節(jié)約天然氣成本4 000萬(wàn)元以上；引風(fēng)機(jī)入口煙氣溫度處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，引風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性得以提升，可減少葉輪等部件更換頻次，降低維修成本約50萬(wàn)元/a。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，由于榆林能化甲醇(聯(lián)合)裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)助燃空氣預(yù)熱器效能不足，預(yù)熱后空氣溫度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，使得煙氣熱量后移、逃逸，降低了轉(zhuǎn)化爐的熱效率，增加了引風(fēng)機(jī)等的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)負(fù)荷也不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)分析與測(cè)算，空氣預(yù)熱器進(jìn)行更新改造后，可進(jìn)一步降低煙氣排放溫度，明顯提升熱量回收率，節(jié)省燃料天然氣與脫鹽水用量，減少設(shè)備腐蝕，節(jié)省設(shè)備維修成本，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高引風(fēng)機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的節(jié)能降耗與減排，助力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行。