天然氣凈化裝置尾氣焚燒余熱鍋爐改造節能效果評估

孫亞琴 李桂青 江 一

（1.四川省達州生態環境監測中心站，四川 達州 635000；2.中國石油化工股份有限公司中原油田分公司天然氣產銷廠，河南 濮陽 457001；3.達州市特種設備監督檢驗所，四川 達州 635000）

0 引言

某高含硫天然氣凈化廠尾氣處理單元的尾氣焚燒余熱鍋爐為煙道式余熱鍋爐，采用煙道式自然循環水管鍋爐，主要由過熱器、蒸發器、汽包、液包、煙道等部分組成。來自吸收塔頂經處理后的尾氣流入焚燒爐，在焚燒爐中通過與過剩的氧及天然氣（閃蒸汽）燃燒，剩余的硫化物被氧化為SO2，焚燒爐產生的高溫煙氣通過余熱鍋爐系統產生過熱蒸汽，從燃燒過程回收有用的能量，降溫后的低溫煙氣直接通過煙囪排放大氣[1]，如圖1所示。

裝置自2008年運行以來，不斷發生腐蝕泄漏現象，且存在排煙溫度過高，出現裝置能耗大幅度升高的現象，造成裝置環保不達標，能源浪費等問題。

針對上述問題通過技術攻關，完成了余熱回收系統改造，通過優化過熱器系統流程（由原來的一、二級并聯結構改為串聯結構）、增加省煤器及給水預熱器，最大限度的利用高溫煙氣余熱，降低排煙恩度，實現節能環保的目的，詳細工藝流程如圖2所示。

為進一步對國產化改造后余熱回收系統進行工藝性能評估，運用Aspen plus對國產化改造流程及進口流程進行理論仿真模擬，對比分析相同工況下進口設備與國產化設備運行數據，驗證系統改造可行性。

1 基于Aspen plus建模與仿真計算

Aspen plus是基于穩態化工模擬、優化、靈敏度分析和經濟評價的大型化工流程模擬軟件。在生產裝置調優以及故障診斷的問題上，過程模擬起著不可替代的作用，通過流程模擬可尋求最佳工藝條件，從而達到節能、降耗、增效的目的；通過全系統的總體調優，以經濟效益為目標函數，可求得關鍵工藝參數的最佳匹配，革新了傳統觀念。

本文利用Aspen plus對克勞斯尾氣焚燒爐余熱鍋爐國產化改造系統流程進行建模，采用RYield和RStoic模擬燃燒器，Heater模擬給水預熱器、省煤器和一、二、三級過熱器，Mixer模擬多股物流的混合，并結合裝置DCS顯示數據實施模擬。同時做出如下假設：（1）裝置DCS數據準確可靠；（2）煙氣中可能存在微量CxHy，忽略不計[3]。

模型中涉及的主要參數包括：天然氣組分（閃蒸汽組分）、燃料溫度、燃料流量、進爐空氣溫度、進爐空氣流量、煙氣入余熱鍋爐溫度、煙氣出余熱鍋爐溫度、給水溫度、三級過熱器出口蒸汽溫度及各換熱器進出口壓力等。模擬系統流程如圖3所示。

通過對進口設備與國產化設備進行模擬分析，模擬結果如表1所示。通過對比，國產化設備較進口設備排煙溫度降低30℃，多產過熱蒸汽1765kg/h。

表1 模擬分析結果對比表

表2 尾氣余熱鍋爐實測煙氣組分數據

2 熱工性能測試

2.1 測試依據

依據GB/T 10863-2011《煙道式余熱鍋爐熱測試方法》[2]，采用反平衡方法計算余熱鍋爐熱效率。

2.2 測試參數

（1）煙氣成分測量：余熱鍋爐入口煙氣成分采用DCS數據或工藝數據，出口煙氣成分直接用煙氣分析儀測出；

（2）煙氣側溫度：通過DCS采集數據；

（3）水汽側溫度：部分通過DCS采集數據，部分通過熱量核算。

綜上所述，對比表3～表6可以發現，國產余熱鍋爐蒸發段、三級過熱器的換熱量相比于進口余熱鍋爐要大，且其它參數差異不大；國產余熱鍋爐一級過熱器+二級過熱器在有效傳熱溫差、總傳熱系數、熱負荷等方面均明顯優于進口余熱鍋爐，故克勞斯尾氣焚燒爐余熱鍋爐在國產化后的熱力性能要優于進口余熱鍋爐。由表7可知，對比進口余熱鍋爐熱效率，國產化后余熱鍋爐熱效率顯著提高了，高出2.84%。根據設計資料及實際運行經驗，一般排煙溫度需高于酸露點溫度30℃，而國產/進口余熱鍋爐排煙溫度分別為235.1℃、257.8℃，故在此排煙溫度下國產/進口余熱鍋爐產生酸露點腐蝕的可能性不大。

表3 余熱鍋爐運行DCS數據

表3 （續）

表4 尾氣余熱鍋爐滿負荷工況蒸發段換熱性能

表5 尾氣余熱鍋爐滿負荷工況一級過熱器+二級過熱器換熱性能

表6 尾氣余熱鍋爐滿負荷工況三級過熱器換熱性能

表7 尾氣余熱鍋爐計算結果匯總表

3 結語

通過對國產余熱鍋爐和進口余熱鍋爐進行熱工性能測試、仿真模擬，可以發現，國產余熱鍋爐在經濟性上明顯優于進口余熱鍋爐，改造效果顯著，熱效率提升了2%以上，充分利用了高溫煙氣余熱熱量，實現了節能環保的目的，具有很好的推廣應用價值。