乙苯裝置循環(huán)苯加熱爐存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施

宋 濤

(海南實(shí)華嘉盛化工有限公司，海南 洋浦 578101)

1 裝置概述

海南實(shí)華嘉盛化工有限公司(下文稱SHJS)8.5萬(wàn)t/a乙苯裝置采用中科院化學(xué)物理研究所的第三代催化干氣制乙苯技術(shù)，利用催化裝置副產(chǎn)干氣和芳烴歧化裝置所產(chǎn)苯為原料，通過(guò)脫丙烯、烴化及反烴化反應(yīng)、吸收及苯回收、乙苯分離四個(gè)工藝過(guò)程，最終生產(chǎn)乙苯的稀乙烯制乙苯裝置。該裝置烴化反應(yīng)是生成乙苯的關(guān)鍵性過(guò)程，所用催化劑為中國(guó)石化上海石化研究院開(kāi)發(fā)的SEB-12型烷基化催化劑，烴化反應(yīng)為氣相烷基化反應(yīng)，烴化反應(yīng)需要的熱量主要由循環(huán)苯加熱爐提供，因此控制合適的循環(huán)苯加熱爐出口溫度對(duì)烴化反應(yīng)至關(guān)重要。裝置投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)循環(huán)苯加熱爐進(jìn)行過(guò)多次優(yōu)化調(diào)整，但自身存在諸多問(wèn)題仍然制約著加熱爐下個(gè)周期的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

2 循環(huán)苯加熱爐運(yùn)行中存在的問(wèn)題及原因分析

2.1 加熱爐排煙溫度高，熱效率偏低

循環(huán)苯加熱爐設(shè)計(jì)排煙溫度為160℃，熱效率為89%，設(shè)計(jì)排煙溫度高，熱效率遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)的平均水平。分析原因主要是：1)乙苯裝置烷基化反應(yīng)原設(shè)計(jì)苯與乙烯物質(zhì)的量比為6～7，高苯烯比可以提高干氣中的乙烯收率，并且有利于減少副產(chǎn)物的生成，但是提高循環(huán)苯量會(huì)加大循環(huán)苯加熱爐熱負(fù)荷，燃料氣用量增大，爐膛溫度升高，致使排煙溫度高；2)沒(méi)能有效利用煙氣余熱，導(dǎo)致排煙溫度高，有資料顯示排煙溫度每升高12～15℃，煙氣熱損失就增加1%；3)加熱爐進(jìn)風(fēng)采用鼓風(fēng)機(jī)直接向爐膛通風(fēng)，煙囪則采用自然排煙的形式，采用這種操作工況會(huì)造成加熱爐燃燒用的空氣和爐膛負(fù)壓受天氣情況影響比較大，為了保障燃燒器的燃燒效果，必然加大燃料氣量，導(dǎo)致排煙溫度過(guò)高。

2.2 燒嘴工藝落后，煙氣中氮氧化物排放超標(biāo)

根據(jù)國(guó)家發(fā)布的最新鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)，爐膛溫度低于800℃的燃?xì)饧訜釥t，其煙氣中氮氧化物排放不高于150 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)控制更加嚴(yán)格。在正常生產(chǎn)時(shí)，循環(huán)苯加熱爐煙氣在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)顯示加熱爐排放煙氣中SO2含量、煙塵含量符合環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，但氮氧化合物排放經(jīng)常性超標(biāo)，這將會(huì)導(dǎo)致排污費(fèi)用大幅增加，必須進(jìn)行相應(yīng)的整改。

表1 循環(huán)苯加熱爐煙氣在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

氮氧化物生成機(jī)理主要包含三種：1)熱力型NOX，它是空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸桑?)快速型NOX，它是燃燒時(shí)空氣中的氮?dú)馀c燃料氣中的碳?xì)潆x子團(tuán)反應(yīng)生成，接觸時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)生反應(yīng)的概率越高；3)燃料型NOX，它是燃料中含有的氮氧化物在燃燒過(guò)程中分解氧化而成[1]。由此分析循環(huán)苯加熱爐氮氧化物排放高的主要原因有三點(diǎn)：一是加熱爐燒嘴工藝落后，燒嘴平行布置導(dǎo)致加熱爐爐膛中心區(qū)域溫度高，沿爐膛高度方向釋熱不均，中心高溫區(qū)域有利于氮氧化物的生成；二是加熱爐靠煙囪抽力自然排煙，爐膛負(fù)壓小且不穩(wěn)定，延長(zhǎng)了氮?dú)馀c氧氣、碳?xì)潆x子團(tuán)在高溫條件下的停留時(shí)間，加大了氮氧化物生成的概率；三是加熱爐燃料氣為烴化尾氣，烴化尾氣組分中還有大量的H2和N2，氫氣含量高造成火焰表面溫度升高，在高溫的火焰表面氮?dú)馀c空氣中的氧氣接觸為氮氧化物的生成創(chuàng)造了必要的條件。

2.3 加熱爐燃料氣雜質(zhì)較多，燃料氣用量偏大

SHJS乙苯裝置正常運(yùn)行時(shí)的能源消耗主要是3.5 MPa蒸汽、燃料氣、循環(huán)水、電，其中蒸汽與燃料氣耗能占總能耗的80%以上，燃料氣的用量對(duì)裝置能耗有著重要影響。循環(huán)苯加熱爐在正常生產(chǎn)過(guò)程中燃料氣用量經(jīng)常都是在750 Nm3/h以上，還會(huì)出現(xiàn)燃料氣量突然波動(dòng)的情況，燃料氣用量偏大，并且需要經(jīng)常清理燃料氣調(diào)節(jié)閥和阻火器，這嚴(yán)重制約著乙苯裝置的綜合能耗和穩(wěn)定運(yùn)行。

分析主要原因有四點(diǎn)：1)循環(huán)苯加熱爐燃料氣是來(lái)自于乙苯裝置的烴化尾氣，其組分比較復(fù)雜，熱值較低，為了保證加熱爐的熱負(fù)荷必然得加大燃料氣的用量；2)加熱爐煙氣余熱沒(méi)能有效利用，熱損失大；3)爐子進(jìn)風(fēng)沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)熱，進(jìn)風(fēng)溫度低，而且易受氣溫和天氣影響，冷風(fēng)加大了燃料氣消耗量；4)烴化尾氣含有少量焦粉等顆粒雜質(zhì)，這些雜質(zhì)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥或者燃料氣阻火器時(shí)可能會(huì)發(fā)生堵塞，從而造成燃料氣量波動(dòng)。

3 改進(jìn)措施及效果

3.1 使用新型烷基化催化劑，降低加熱爐熱負(fù)荷

稀乙烯制乙苯裝置在保證干氣進(jìn)料量和乙烯收率的前提下，使用低苯烯比烷基化催化劑是實(shí)際生產(chǎn)中降低循環(huán)苯量最高效可行的方法。2014年SHJS使用新型低苯烯比烷基化催化劑SEB-12替換了原催化劑SEB-08，在相同操作條件下兩種催化劑對(duì)應(yīng)的苯烯比、循環(huán)苯量、加熱爐燃料氣量、爐膛溫度、乙苯產(chǎn)量見(jiàn)表2。

表2 催化劑對(duì)應(yīng)的苯烯比及燃料氣用量

使用新型低苯烯比催化劑SEB-12可以大幅降低烷基化反應(yīng)所需循環(huán)苯量，直接降低了加熱爐所需的加熱負(fù)荷，循環(huán)苯加熱爐的爐膛溫度從590℃左右降低到了550℃左右，排煙溫度從190℃降低到160℃，燃料氣用量由900 Nm3/h降至700 Nm3/h，噸乙苯的綜合能耗大幅降低。

3.2 增設(shè)空氣預(yù)熱器及鼓引風(fēng)機(jī)，充分回收利用煙氣余熱

SHJS利用大檢修的時(shí)機(jī)對(duì)循環(huán)苯加熱爐進(jìn)行技術(shù)改造，在加熱爐附近空地增設(shè)板式空氣預(yù)熱器，并相應(yīng)配套一臺(tái)引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)。增設(shè)空氣預(yù)熱器可以將高溫?zé)煔庥靡灶A(yù)熱進(jìn)爐的空氣，把煙氣攜帶的廢熱重新帶回爐膛，直接提高了加熱爐的熱效率，循環(huán)苯加熱爐增設(shè)空氣預(yù)熱器前后的排煙溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、燃料氣用量對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 循環(huán)苯加熱爐增設(shè)空氣預(yù)熱器前后對(duì)比

增設(shè)空氣預(yù)熱器后循環(huán)苯加熱爐熱效率從設(shè)計(jì)的89%提高到了93%，燃料氣用量大幅減少，但加熱爐排煙溫度過(guò)低，甚至達(dá)到55℃左右，大大低于煙氣酸露點(diǎn)臨界溫度，如果空氣預(yù)熱器長(zhǎng)期在此排煙溫度下運(yùn)行就會(huì)產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器及配件結(jié)垢生銹和腐蝕穿孔。

空氣預(yù)熱器投用半年后對(duì)空氣側(cè)主通道進(jìn)行了封堵改造，總計(jì)封堵了三分之一的主通道面積，封堵完成后重新投用空氣預(yù)熱器，空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、封堵改造后參數(shù)如表4所示。空氣預(yù)熱器的封堵改造達(dá)到了預(yù)期效果，煙氣側(cè)出口溫度穩(wěn)定在100℃左右，高于煙氣酸露點(diǎn)臨界溫度，預(yù)熱器空氣側(cè)主通道壓降增大到了150 Pa，進(jìn)入預(yù)熱器的空氣量可以通過(guò)空氣側(cè)旁路控制閥調(diào)節(jié)，進(jìn)入加熱爐的空氣溫度受環(huán)境影響變小。

表4 空氣預(yù)熱器改造前后參數(shù)對(duì)比

3.3 更換低氮氧化合物燒嘴

循環(huán)苯加熱爐有三臺(tái)燃燒器，大檢修期間全部更換為超低NOX氣體燃燒器，燃燒器的燒嘴交錯(cuò)布置。新燃燒器采用了燃料分級(jí)的分段燃燒技術(shù)，其特征是在火盆中心設(shè)一個(gè)澆注料制作成的圓柱形的冷卻柱，冷卻外層火焰，從而使整個(gè)火焰中心溫度降低，破壞了N2與O2反應(yīng)生成NOX的溫度條件，抑制了NOX生成。燃燒器配合火盆磚結(jié)構(gòu)將內(nèi)外燃?xì)鈽寚娮炜追殖啥喾N噴射角度，在火盆磚內(nèi)外緣形成雙層圓柱形火焰減少了NOX生成。外燃?xì)鈽寚娮靽娍组g又成一定夾角，燒嘴交錯(cuò)布置，形成鄰角錯(cuò)位，燃?xì)馀c空氣都被分成細(xì)流，增大了兩股氣流的接觸面積，改善燃?xì)馀c空氣的相遇條件，使內(nèi)外燃?xì)庑纬呻p層火焰，既強(qiáng)化了燃燒過(guò)程，又降低了風(fēng)道中內(nèi)層火焰溫度，使?fàn)t內(nèi)溫度分布相對(duì)均勻，同時(shí)內(nèi)燃?xì)鈽専煔庹凵浠亓骱簏c(diǎn)燃二級(jí)燃料，起到穩(wěn)定火焰的作用。折射回流后的煙氣與二級(jí)燃?xì)鈽?gòu)成撞擊混合，強(qiáng)化了二級(jí)燃?xì)馀c煙氣的混合，使燃燒的煙氣在燃燒區(qū)域內(nèi)停留時(shí)間縮短，進(jìn)一步抑制NOX的生成。循環(huán)苯加熱爐更換超低氮氧化物燃燒器前后氮氧化合物排放趨勢(shì)對(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1 燃燒器更換前后氮氧化物排放趨勢(shì)圖

圖1數(shù)據(jù)顯示更換超低NOX燃燒器后，氮氧化合物排放量可以降至50 mg/m3以內(nèi)，達(dá)到了國(guó)家最新鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 燃料氣更換為天然氣

加熱爐燃料氣的組成不僅決定著燃料氣本身的熱值，而且與煙氣中氮氧化物的含量有直接的關(guān)系。天然氣作為一種清潔能源，與烴化尾氣相比，組份簡(jiǎn)單，雜質(zhì)較少，天然氣與烴化尾氣組份(體積百分?jǐn)?shù))對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 天然氣與烴化尾氣組份對(duì)比

根據(jù)燃料氣組成計(jì)算烴化尾氣熱值為25.85 MJ/m3，天然氣熱值為39.225 MJ/m3，天然氣熱值明顯高于烴化尾氣。將循環(huán)苯加熱爐的燃料氣由烴化尾氣更換為天然氣后，了燃料氣用量減少，而且從源頭上降低了煙氣排放中的氮氧化物含量，減少了燃料氣雜質(zhì)對(duì)燃料氣量的影響，燃料氣調(diào)節(jié)閥和阻火器清理頻次明顯較少。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)循環(huán)苯加熱爐的技術(shù)改造，加熱爐熱效率明顯提高，燃料氣用量減少，煙氣中氮氧化物的排放減少，改造達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的。化工生產(chǎn)企業(yè)面臨的環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)，積極利用新材料、新工藝、新技術(shù)、設(shè)備是化工企業(yè)持續(xù)發(fā)展的必由之路。