苯乙烯蒸汽過熱爐節能環保改造

付安軍

（中國石化巴陵分公司，湖南岳陽 414014）

巴陵石化12萬t/a苯乙烯蒸汽過熱爐F-6301為自然通風、雙輻射爐膛共用一個對流段的立式方箱爐，通過煙囪擋板調節爐膛負壓、控制燃燒。該爐主要作用是為第一反應器和第二反應器提供反應需要的熱量，低壓蒸汽進入蒸汽過熱爐經對流段預熱后進入輻射A室進一步加熱至工藝所需溫度后，再進入第二反應器供熱；由第二反應器返回的蒸汽進入輻射B室再次進行加熱，至工藝所需溫度后為第一反應器供熱；對流段頂部利用煙氣余熱加熱鍋爐給水。

蒸汽過熱爐原設計采用油漿和干氣聯合燃燒，為減少翅片管結垢對換熱效果的影響，對流段選用了低密度翅片管，但由于生產裝置整體布局優化，蒸汽過熱爐燃料全部改為干氣，文章分析了蒸汽過熱爐燃料改為干氣后的運行狀況以及改進措施。

1 蒸汽過熱爐運行現狀及分析

1.1 排煙溫度高且熱效率偏低

蒸汽過熱爐原設計有效熱負荷14.29 MW，根據《中國石化煉化企業加熱爐管理規定》，加熱爐熱負荷在10 MW及以上，通過技術改造后長期運行熱效率應在91%以上，新建加熱爐的熱效率應達到92%以上。熱效率可依照SY/T 6381—2008《加熱爐熱工測定》10.5條計算：

式中：η2為加熱爐反平衡熱效率，%；q2為排煙熱損失，%；q3為氣體未完全燃燒熱損失，%；q4為固體未完全燃燒熱損失，%；q5為散熱損失，%；q6為灰渣物理熱損失，%。

蒸汽過熱爐燃料改為干氣后，對蒸汽過熱爐排煙溫度進行監測，蒸汽過熱爐平均排煙溫度為183.58℃，由式（1）計算得到蒸汽過熱爐η2為89.02%，低于《中國石化煉化企業加熱爐管理規定》指標要求。另外，由式（1）還可知，在其余熱損失相對穩定的情況下，排煙溫度越高煙氣熱損失越大，熱效率越低，降低排排煙溫度有助于提高熱效率。

1.2 輻射段爐底超溫

蒸汽過熱爐輻射室襯里原設計為澆注料加硅酸鈣板的結構，見圖1。

圖1 輻射段爐底原襯里結構

通過對輻射爐底及輻射B室的溫度進行監測發現，輻射爐底溫度最高達150.48℃，輻射B室平均工作溫度為1 050℃，經測算，最上層硅酸鈣板的熱面溫度約990℃。同時，澆注料使用一段時間后有不同程度的裂紋，造成局部的硅酸鈣板熱面溫度更高。根據GB/T 10699—1998《硅酸鈣絕熱制品》規定，硅酸鈣制品的使用溫度應不高于1 000℃，這說明蒸汽過熱爐爐底硅酸鈣板長期在臨界使用溫度下工作，易導致材料失效。

1.3 NOx 排放面臨超標

2015年4月16日，國家環保部發布《石油化學工業污染物排放標準》（GB 31571—2015），自2017年7月1日起執行，大氣污染物排放濃度限值分別為SO2≤100 mg/m3，NOx≤150 mg/m3（爐膛溫度≥850℃時，加熱爐NOx排放濃度按照≤180 mg/m3執行），顆粒物≤20 mg/m3。蒸汽過熱爐A室爐膛溫度平均950℃，B室爐膛溫度平均1 050℃，因此NOx排放濃度按照≤180 mg/m3執行。

通過對蒸汽過熱爐煙氣排放監測數據進行統計，2016年蒸汽過熱爐SO2平均排放濃度為2.5 mg/m3，NOx為193.5 mg/m3，顆粒物為20 mg/m3，NOx排放濃度大于標準所要求的180 mg/m3，說明蒸汽過熱爐煙氣排放是否達標主要集中在NOx濃度的控制。

1.4 看火門外壁超溫

蒸汽過熱爐原設計采用的看火門為LHT-P1型，看火門結構示意見圖2。

由圖2可以看出，蒸汽過熱爐看火門為單軸連接，密封模塊是長方體結構，密封模塊與爐墻內的真空成形塊互相搭接，其優點看火門表面溫度低、熱量損失小，缺點是看火門關閉后，看火門的密封模塊和外框架之間存在約22 mm操作間隙，且密封模塊與爐墻內的真空成形塊搭接較少，使用一段時間后密封模塊或爐墻輕微的變形會造成密封不嚴而泄漏，而一旦出現泄漏，密封模塊老化會加速，導致看火門外壁出現超溫現象。

圖2 輻射段LHT-P1看火門結構

2 改造方案

2.1 增加余熱回收系統

原設計考慮到蒸汽過熱爐投用后采用部分油漿作為燃燒器的燃料，為減小對流室翅片管外表面的積灰對傳熱造成的影響，因此選用了翅片密度為118片/m的翅片管，但蒸汽過熱爐實際使用過程中采用催化干氣作為原料，因而煙氣換熱效果受到限制，與設計狀況存在一定的差距。

由式（1）可知，為提高蒸汽過熱爐熱效率可以從降低排煙溫度、減小排煙熱損失方面著手，主要方案有兩個：

方案A：更換對流段鍋爐給水段4排（40根）和對流段碳鋼部分蒸汽過熱爐管14排（140根）；將翅片密度提升為197片/m，鍋爐給水段凝液由10 t提升至21 t；爐底燃燒器的助燃風采用裝置多余的蒸汽凝液預熱，減少蒸汽過熱爐的燃料消耗。

方案B：增加高溫煙氣和常溫空氣換熱的余熱回收系統，原蒸汽過熱爐的翅片管均維持現狀，新增引風機、鼓風機、鑄鐵板式空氣預熱器和配套的煙道、風道等，將預熱后的空氣送至燃燒器作為助燃風。

2種方案的具體參數見表1。由表1可知，方案A最低管壁溫度接近露點溫度，按照SH 3036—2012《一般煉油裝置用火焰爐》要求，金屬最低管壁溫要高于露點溫度8～14℃，不滿足規范要求。而方案B由于增加了變頻控制的引風機，輻射爐頂的負壓可以根據操作需要采用變頻調節，且采用的鑄鐵板式空氣預熱器可以在露點溫度以下運行，提高了蒸汽過熱爐的熱效率，另外，余熱回收系統獨立設置，可以提前施工，縮短了爐本體改造的工期。綜合考慮，采用方案B對蒸汽過熱爐進行了改造，改造后的流程見圖3。

表1 蒸汽過熱爐改造方案

圖3 余熱回收系統流程

2.2 輻射段爐底襯里改造

考慮到蒸汽過熱爐輻射室爐底襯里硅酸鈣材料的使用溫度應不高于1 000℃，對爐底襯里進行了改造。改造目標是爐內襯里改造后應能夠長期穩定運行；結構設計和材料選用應在性能保證期內不發生脫落、鼓脹、裂紋和其他影響過熱爐正常運行的缺陷；便于施工。改造方案有2個：

方案一：澆注料加陶瓷纖維板平鋪結構。平鋪結構材料從熱面至冷面依次為：C級澆注料（厚度195 mm）、三層CBD-130-300陶瓷纖維板（厚度150 mm）、納米絕熱板（厚度50 mm）、CB-135-2陶瓷纖維毯（厚度20 mm壓制10 mm）。

方案二：耐火磚加陶瓷纖維板平鋪結構。平鋪結構材料從熱面至冷面依次為：28級耐火磚（厚度65 mm）、23級耐火磚（厚度65 mm）、CBD-140-300陶瓷纖維板（厚度20 mm）、CBD-140-300陶瓷纖維板（厚度50 mm）、CBD-130-300陶瓷纖維板（厚度200 mm）。

2種方案對比情況見表2。從表2可知，2種方案都能解決爐底超溫的問題，但考慮到操作風險、投資費用和施工時間，采用了方案二。爐底襯里改造后的結構如圖4所示。

表2 襯里改造方案

圖4 輻射段爐底襯里改造后結構

2.3 應用 GRFB-Ⅲ低 NOx 燃燒器

考慮到蒸汽過熱爐煙氣NOx濃度排放超標，選用了GRFB-Ⅲ 低NOx燃燒器。該燃燒器主要由調風蝶閥、風道、風筒、耐火磚、燃料噴槍、長明燈組成，其特征在于風道與風筒相連、耐火磚依靠托磚板固定在風筒上方，其三維結構模型和工作原理見圖5。

圖5 GRFB-Ⅲ燃燒器三維結構模型和工作原理

該燃燒器利用螺栓或焊接通過托磚板將燃燒器安裝在石化工藝加熱爐上，耐火磚下部埋在爐膛爐襯內，一級燃料噴槍位于耐火磚內部，起穩定火焰的作用，二級燃料噴槍位于矩形耐火磚兩側，噴頭露出爐襯，耐火磚上的煙氣回流面高于爐襯上表面；風道、風筒、耐火磚中心空腔為助燃空氣通道，助燃空氣通過調風蝶閥進入風道，風筒內部的分布板可使風筒水平截面上助燃空氣流均勻分布，有效避免助燃空氣分布不均引起燃燒火焰的偏斜、添爐管。

2.4 看火門

考慮到LHT-P1結構看火門密封模塊和外框架之間存在約22 mm操作間隙，且密封模塊與爐墻內的真空成形塊搭接較少，選取了密封性能較好的雙軸式看火門，見圖6。

圖6 新型雙軸看火門實物及結構

雙軸式看火門是一種新型結構的看火門，該看火門采用雙軸結構，實現了密封模塊相對于爐墻內的真空成形塊平行進出，不會留下死角，二者之間的縫隙也很小僅3 mm。密封模塊的外壁采用了榫槽結構和磁鐵相結合的形式，達到了全密封零泄漏的效果；運行過程中操作簡單易用，類似于抽屜開關，簡單省力。另外，該看火門配套的真空成形塊預留的觀察孔比其他傳統的看火門大，觀測爐況的覆蓋范圍廣，且真空成形塊與爐壁之間增加了一層厚度為30 mm的納米絕熱板，從而能有效控制看火門外壁溫度。

3 改造效果

蒸汽過熱爐余熱回收系統改造2017年5月與裝置大修同步完成，并投入生產運行。由表3可知，蒸汽過熱爐改造后，熱效率由改造前的89.02%提高至92.54%，NOx排放濃度由改造前的193.5 mg/m3降至147 mg/m3，爐底溫度由150.48℃降至78℃。

改造后裝置在相同負荷情況下，根據蒸汽過熱爐運行數據統計，燃料氣消耗減少了約50 kg/h，燃料氣單價為2 300元/t，年運行時間8 000 h，年可節約費用約為92萬元。新增余熱回收風機2臺，額定功率分別為75 kW和37 kW，電費為0.588元/（kW·h）。由于電機帶變頻，且開度約80%，風機按80%的用電負荷計，年消耗電費42萬元。余熱回收系統投資為150萬元，不考慮其他因素，投資的靜態回收周期為3年。

表3 蒸汽過熱爐改造前后效果對比

4 結論

苯乙烯蒸汽過熱爐是生產苯乙烯裝置的關鍵設備，其熱效率直接影響到能耗的高低，通過新增余熱回收系統可達到降低排煙溫度和提升熱效率的效果，具有很好的推廣價值。輻射段爐底襯里采用耐火磚加陶瓷纖維板平鋪結構代替澆注料加硅酸鈣結構，解決了輻射爐底及過渡段超溫的現象；以雙軸式看火門代替LHT-P1結構看火門，可解決看火門外壁超溫的現象；低NOx燃燒器的投用，實現了環保提質達標，創造了社會效益。