連續重整裝置四合一加熱爐節能改造

紀傳佳

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

某公司200 萬t/年連續重整裝置采用UOP公司第三代超低壓連續重整技術。重整裝置設計規模為2.0 Mt/a,該裝置由0.8 Mt/a預處理部分、2.0 Mt/a重整反應部分及2 043 kg/h催化劑連續再生部分組成，為芳烴型重整裝置[1]。由于重整反應為強吸熱反應，四合一加熱爐熱負荷較大，一般設計為自然通風，煙氣從輻射室爐膛排出后經過對流室與水和蒸汽換熱后排入煙囪，加熱爐熱效率一般在89%～90%[2]。

2.0 Mt/a重整裝置四合一爐采用U型管端墻對燒爐型，由一臺二合一加熱爐和一臺三合一加熱爐組成。其中1號中間加熱爐F-202 為一臺二合一加熱爐，兩個爐膛由中間火墻；重整進料加熱爐F-201/2號中間加熱爐F203/3號中間加熱爐204 為一臺三合一箱式爐，三個爐膛由中間火墻隔開。工藝介質僅在輻射室加熱，每個爐膛根據工藝熱負荷需要分別布置多排U 型管，各個爐膛U 型管排分別在輻射爐頂通過集合管與工藝管線相連。由于管內被加熱介質為氫氣和烴類，操作溫度較高, 所以輻射爐管材質采用ASTM A335 P9。燃燒器采用側燒氣體燃燒器，多排布置，二合一加熱爐為48 臺，三合一加熱爐為54 臺。二合一加熱爐對流段為余熱鍋爐B-251,三合一加熱爐對流段為余熱鍋爐B-252,均用于發生蒸汽，對流段余熱鍋爐分為蒸發段(水保護段+上部蒸發段)及蒸汽過熱段和省煤段，其中蒸汽過熱段爐管材質采用GB531012Cr1MoVG，蒸發段和省煤段爐管材質采用20G。兩臺加熱爐出對流余熱鍋爐的煙氣混合后通過混凝土煙囪排入大氣。重整進料反應加熱爐兩臺余熱鍋爐產生的過熱蒸汽通過減溫減壓器降至390～420 ℃，進入3.5 MPa 蒸汽管網。裝置于2009 年投產至今，F-202 排煙溫度由設計的180 ℃升高至194 ℃，F-201/203/204 排煙溫度由設計的168 ℃升高至187 ℃，加熱爐熱效率只有89.83%。為進一步降低排煙溫度，決定對四合一爐余熱回收系統進行改造，將排煙溫度降至130 ℃以下，燃燒效率提高至93%左右。

1 改造方案選擇

1.1 方案技術對比

項目主要有四種可改造的方案：增補對流段預留管排、增加省煤器模塊、增設空氣預熱器余熱回收系統、增設落地式省煤器余熱回收系統。改造方案對比見表1，改造工程量對比見表2。

表1 重整余熱回收系統改造方案對比

表2 重整余熱回收系統改造工程量對比

1.2 方案比選結果

(1)方案一在原余熱鍋爐省煤段頂部預留位置增補一排管排，雖然改造工程量最小，但由于增加傳熱面積較小，煙氣溫度僅會降低約3～4 ℃，加熱爐熱效率提高很小。本方案由于節能效果有限，不推薦采用。

(2)方案二在原余熱鍋爐省煤段頂部新增省煤器模塊，并對原余熱鍋爐排管進行改造，排煙溫度可以降至約147 ℃，加熱爐熱效率可由89.83%提高至91.5%。由于余熱鍋爐煙氣質量流速較低，管外傳熱系數較小，且末端傳熱溫差已達25℃，進一步降低排煙溫度需要增加更大的傳熱面積，現有空間位置無法滿足要求。同時由于加熱爐熱效率提高不大，并且新增省煤段模塊需對原對流頂鋼結構、對流頂水平煙道進行拆除后才可安裝，工程量極大，無法在裝置修期內完成全部改造工程，不推薦采用。

(3)方案三增加空氣預熱器余熱回收系統，可將排煙溫度降至約122 ℃，加熱爐熱效率可由89.83%提高至93%。本方案燃料氣消耗量可降低5.5%，蒸汽產量下降約7%，新增及更換設備過多，投資較大，且加熱爐風道布置難度較大，和原現場管線、土建基礎均存在相碰的情況，考慮到施工難度及施工周期的影響，無法在裝置檢修期內完成全部改造工程，不推薦采用。

(4)方案四增加落地式省煤器余熱回收系統，排煙溫度降至約 122 ℃，加熱爐熱效率可由89.83%提高至93%。中壓蒸汽產量增加約8%。新增落地式省煤器后，煙氣通過煙氣引風機強制通風操作，落地式省煤器內煙氣質量流速可以按6 kg/(m2·s)進行設計，與對流室省煤段相比，管外傳熱系數可增大到3 倍以上，大大減小了所需要傳熱面積并減輕了設備質量。由于方案中新增設備數量相對較少，對原重整反應進料加熱爐爐體結構、現場管線及設備基礎影響較小。同增設空氣預熱器余熱回收系統相比，加熱爐可以達到相同的熱效率，且一次投資少，施工難度低，可在裝置檢修期內完成全部改造工程。

根據綜合對比，決定選擇增加落地式省煤器余熱回收系統作為加熱爐的改造方案，余熱回收系統落地省煤器設置在地面，可以在不停爐的情況下預制余熱回收部分，甩頭待停爐檢修時對接即可，對原爐改造較少，要求的停爐施工周期相對較短[3]，改造在2019年4月份大檢修完成施工并投入使用。

2 設備改造方案

2.1 增設余熱回收系統

本次改造新增一臺落地式省煤器、一臺引風機、冷熱煙道及相應煙道擋板，將對流出口熱煙氣引入落地式省煤器來預熱鍋爐給水(104 ℃)，降低加熱爐排煙溫度，提高加熱爐熱效率。改造后煙氣進落地式省煤器溫度約為 219.6 ℃，與除氧水換熱后溫度降至130 ℃以下，由煙氣引風機送入煙囪，通過煙囪排入大氣。鍋爐給水經落地式省煤器加熱后溫度由104 ℃提高到約190 ℃，再進入余熱鍋爐B-251/B-252 省煤段換熱。由于新增了引風機，新增落地省煤器可以采取更高的煙氣流速,強化換熱;另外落地省煤器煙氣自上而下流動,汽水自下而上流動,即使省煤器沸騰,不會形成“汽阻”和“水擊”[4]。改造后的工藝流程圖見圖1。

圖1 余熱回收系統改造后流程圖

隨著節能工作的不斷開展，要求管式爐的排煙溫度越來越低。但是落地省煤器換熱面上強烈的低溫露點腐蝕，會造成換熱面的嚴重腐蝕穿孔。提高落地省煤器入口的空氣溫度可以提高冷端換熱面的壁溫，防止結露腐蝕。為了防止露點腐蝕，本項目要求控制排煙溫度不低于120 ℃。

在煙道設置直排煙囪擋板，在引風機故障停運時，擋板自動打開，煙氣改直排煙囪，加熱爐維持操作，保證加熱爐不停爐、裝置繼續運行[5]。

2.2 對流段余熱鍋爐(B-251)

由于新增落地式省煤器后，原余熱鍋爐省煤段入口除氧水溫度提升至210 ℃，煙氣出對流室溫度提升至約220 ℃。為避免原余熱鍋爐省煤段出口出現汽化及維持鍋爐系統產汽平衡，不影響鍋爐產汽系統的正常運行，對原B-251 進行盤管改造：將原省煤段下部兩排盤管改為蒸發段盤管，改造后蒸發段盤管為8排，共128根省煤段盤管為4排，共64根。

2.3 對流段余熱鍋爐(B-252)

由于新增落地式省煤器后，原余熱鍋爐省煤段入口除氧水溫度提升至210 ℃，煙氣出對流室溫度提升至約220 ℃。為避免原余熱鍋爐省煤段出口出現汽化及維持鍋爐系統產汽平衡，不影響鍋爐產汽系統的正常運行，對原B-252 進行盤管改造：將原省煤段下部兩排盤管改為蒸發段盤管，改造后蒸發段盤管為9排，共162 根；省煤段盤管為5排，共90根。

3 改造后出現的問題及解決對策

3.1 鍋爐給水閥FV22802經常性故障內漏

項目投用后，鍋爐給水閥FV22802經常出現故障，閥門過一段時間后內漏比較嚴重，在給水流量基本不變的情況下，控制閥閥位從40%下降至10%以下，導致控制閥FV22802無法投自動，鍋爐三沖量系統也無法投用，控制閥下線維修后再次投用還是經常出現同樣問題。

經分析主要是增設落地省煤器后，除氧水經落地省煤器與煙氣換熱后，除氧水由原來的120 ℃提高至210 ℃，除氧水密度由956 kg/m3降至 850 kg/m3，同時由于給水流量由30 t/h提高至33 t/h，導致進入控制閥的液體體積流速過快，接近要求的上限，液體對閥體沖刷嚴重，導致閥門經常出現故障性內漏問題。改造前后除氧水的體積流速變化見表3。

表3 改造前后除氧水體積流量變化

項目改造后由于除氧水溫度提高導致密度下降，同時由于除氧水流量提高，導致液體體積流速達到5.5 m/s,超過要求的2～5 m/s。為此對閥門進行重新選型，將控制閥原來的變徑取消，閥門直徑由50 mm提高至80 mm，經計算，液體流速降至2.15 m/s,滿足控制要求，解決控制閥FV22802經常出現故障的問題。

3.2 除氧器D251壓力上漲，壓控閥PV23101閥位偏小問題

改造后除氧水經省煤段換熱后，達到245 ℃，比原來的210 ℃提高了30 ℃，在鍋爐連排量基本不變的情況下，導致鍋爐連排擴容器D252頂部產的低壓蒸汽產量變多。而除氧器加熱蒸汽主要2個來源：一個是鍋爐連排擴容器D252頂部產的低壓蒸汽；另外一個是1.0 MPa低壓蒸汽管網來的蒸汽，日常除氧器D251的壓力控制閥PV23101直接控制1.0 MPa低壓蒸汽管網來的蒸汽，而鍋爐連排擴容器D252頂部產的低壓蒸汽直接進入除氧器頂部，不受控制閥PV23101控制。改造前除氧器D251壓力控制在0.03 MPa,控制閥PV23101閥位在30%～50%。改造后D251壓力提高至0.035 MPa，而控制閥PV23101閥位只有1%～5%，閥位不穩壓力很難控穩。

為了解決閥位過小問題，在保證除氧器效果和爐水品質的情況下，將除氧器設定壓力提高至0.04 MPa,適當降低鍋爐水連排量，同時關小控制閥前手閥，將控制閥PV23101閥位提高至30%～50%控制，最終解決除氧器壓力控制不穩的問題。

4 節能效果

四合一爐改造項目于2018年6月開始施工，2019年4月份檢修期間完成施工，重整裝置開工后正常投用。投用后3個月對改造項目的效果進行標定，改造前、后四合一爐工況變化和能耗變化如表4所示。

表4 改造前后四合一爐工況數據

項目投用后具有良好的經濟效益，本項目投用后主要的效益點在于3.5 MPa蒸汽產量增加了5.5 t/h，同時引風機消耗用電180 kW/h，按照3.5 MPa蒸汽單價217.59 元/t，除鹽水單價9.38元/t，電單價0.62元/(kW·h)計算，重整裝置經濟效益提升=5.5×(217.59-9.38)×8 400-180×0.62×8 400=868萬元/年,該項目投資1 649.2 萬元，23個月即可收回成本。

5 結 論

新增落地省煤器系統的余熱回收系統，是首次在國內200萬t/年以上加工規模的連續重整裝置四合一加熱爐中使用。通過四合一爐煙氣和除氧水的換熱，將排煙溫度由190 ℃降至120 ℃，降低70 ℃。相同條件下加熱爐燃燒效率提高3.18%，多產3.5 MPa蒸汽5.5 t/h，年增加經濟效益868萬元。該項技術改造節能效果明顯，施工難度適中，具有很大的推廣意義。