甲醇制烯烴裝置余熱鍋爐及再生煙氣除塵改造效果評價

茍榮恒

（國能新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831404）

隨著社會發展，全球對低碳烯烴的需求日漸攀升，到2025年，我國將形成3 400萬t/a烯烴產能[1]，同時，市場需求加速了甲醇制烯烴（MTO）技術的發展[2-3]，目前工業化運行的MTO裝置主要技術來源分別為大連化物所開發的DMTO技術、中石化開發的SMTO技術、UOP公司開發的MTO技術以及國家能源集團的SHMTO技術。甲醇制烯烴裝置采用流化床工藝，催化劑需實時再生；而催化劑在再生過程中會產生大量的再生煙氣；再生煙氣中含有一定濃度的CO和催化劑粉塵。為了充分回收利用再生煙氣熱能和CO的化學能，并確保排放物中顆粒物濃度符合國家相關排放標準，位于新疆烏魯木齊市甘泉堡經濟技術開發區的某MTO裝置對余熱鍋爐進行了改造，同時增加了再生煙氣除塵系統，以進一步降低MTO裝置能耗，確保裝置安全、穩定、清潔運行。

1 甲醇制烯烴工藝再生煙氣流程

甲醇制烯烴是以純度95%左右的MTO級甲醇為原料，在密閉的反應器內與流化狀態的催化劑接觸發生強放熱反應，制備以乙烯和丙烯為主要組成的輕烯烴混合物的工藝[4]。根據烴池機理，MTO反應的過程也是催化劑逐漸積碳失活的過程。為確保催化劑有充足的活性，MTO裝置需要將積碳失活的催化劑送至再生器進行貧氧再生以恢復活性，再生后的催化劑再返回反應器繼續參與反應。

催化劑再生過程中會產生大量再生煙氣，再生煙氣流程示意圖如圖1所示。

圖1 MTO裝置再生煙氣流程示意圖

經貧氧再生產生的煙氣含有CO、CO2及催化劑粉塵。該煙氣經過再生器三級旋風分離器進行氣固分離，再經再生煙氣過濾器回收所夾帶的催化劑，除去大部分催化劑的再生煙氣通過爐前水封罐進入余熱鍋爐。煙氣中攜帶的CO在余熱鍋爐中充分燃燒，同時對裝置內副產的4.1 MPa蒸汽進行過熱，回收CO的化學能和煙氣的熱能。經燃燒除去CO的再生煙氣攜帶少量催化劑粉塵排入大氣。

2 改造原因

該MTO裝置投產后，因實際運行產生的再生煙氣中CO含量與設計值有一定的偏差（大于設計值），與原配套余熱鍋爐不完全匹配，致使無法完全回收再生煙氣的熱能及CO的化學能，造成了一定的能源浪費。另外，為改善環境，促進可持續發展，國家出臺了一系列法律法規以降低污染物排放濃度。根據MTO工藝特點，由于其工藝與煉油工業中的催化裂化裝置相似，因此該MTO裝置再生煙氣污染物排放要求可參考GB 31571—2015《石油化學工業污染物排放標準》和GB 31570—2015《石油煉制工業污染物排放標準》兩個標準。本文中，該MTO裝置產生的再生煙氣經余熱鍋爐后從煙囪排放，煙氣中攜帶的催化劑粉塵直接進入大氣，粉塵排放質量濃度70 mg/m3～120 mg/m3（年粉塵排放量約為50 t），大于GB 31571—2015規定的質量濃度20 mg/m3大氣污染物顆粒物排放限值，也大于GB 31570—2015規定的質量濃度30 mg/m3催化裂化再生煙氣顆粒物排放限值。雖然甲醇制烯烴工藝的再生煙氣與催化裂化工藝的再生煙氣基本相同，但考慮到新疆烏魯木齊市屬于執行大氣污染物特別排放限值的重點控制地區，綜合兩個標準，該裝置再生煙氣中顆粒物排放限值控制在質量濃度20 mg/m3以下。

綜上所述，該MTO裝置擬對余熱鍋爐及再生煙氣排放進行升級改造，以降低能耗及排入大氣中的再生煙氣顆粒物濃度。

3 改造方案

3.1 余熱鍋爐改造方案

為充分利用再生煙氣的余熱及煙氣中CO的化學能，實施切實可靠的改造方案，經過對原余熱鍋爐進行評估，確定新增一臺余熱鍋爐，相比于原余熱鍋爐，新增的余熱鍋爐負荷更大，同時新增前置蒸發段，用于產生4.1 MPa飽和蒸汽。改造后的余熱鍋爐流程為：進入余熱鍋爐區的高溫再生煙氣經爐前水封罐進入余熱鍋爐燃燒室充分燃燒，燃燒產生的高溫煙氣進入前置蒸發段，產生4.1 MPa飽和蒸汽，降溫后先進入過熱段，過熱約100 t/h（含裝置自產的4.1 MPa飽和蒸汽85 t/h）的4.1 MPa蒸汽量，再進入省煤段，將中壓鍋爐給水預熱后進入各產汽汽包，煙氣經省煤段降溫至約160℃再進入新增的煙氣除塵系統。

由于煙氣中不含硫元素，無需考慮排煙溫度降低造成的露點腐蝕，但余熱鍋爐改造后爐膛溫度升高，應考慮由此造成的排放煙氣中NOx含量增加。在CO燃燒過程中，NOx主要為空氣中的氮分子在高溫下與氧氣反應生成的。可通過采取降低燃燒溫度、減少氧氣濃度、縮短反應時間、改善燃氣與空氣的混合條件等低氮燃燒措施降低燃燒過程中NOx的生成量。改造后裝置燃燒器示意圖見圖2，采用燃料分級技術，同時通過降低焚燒爐膛內部溫度（低于1 050℃），實現低NOx排放的目標。

圖2 燃燒器示意圖

3.2 煙氣除塵方案

目前的主流除塵技術有袋式除塵、電除塵和文丘里濕法除塵[5]。結合MTO裝置再生煙氣中催化劑粒徑分布、比電阻等的特點，對比三種除塵技術在除塵效率、設備投資、運行維護等方面的優缺點，認為文丘里濕法除塵具有除塵效率高、設備投資低、運行維護簡單方便等特點，故該MTO裝置選用了文丘里濕法除塵技術。文丘里濕法再生煙氣除塵流程示意圖如圖3所示。

圖3 文丘里濕法再生煙氣除塵流程示意圖

文丘里濕法除塵使用除鹽水對煙氣中的顆粒物進行捕捉。自系統來的除鹽水分為三路，一路進入洗滌塔激冷段噴嘴，在事故狀態下對煙氣進行降溫，正常不使用；一路進入文丘里管過濾模塊，作為除塵系統的補充水；另一路進入葉片分離器，定期對葉片分離器進行沖洗。含塵煙氣進入煙氣除塵系統后，在激冷段和噴淋段與噴嘴噴出的高密度水流接觸，冷卻并達到飽和狀態，此時一些較大顆粒被除去。除去大顆粒粉塵的漿液由塔底循環泵升壓后，分別送到激冷段和噴淋段的噴嘴循環使用。噴淋段正上方設置文丘里管過濾模塊，飽和煙氣在文丘里管內經加速（壓縮）并減速（膨脹）引起水的聚集；水聚集到管壁上，清洗管壁的同時聚集包裹到細顆粒物上形成霧珠。在該過程中，霧珠的尺寸和質量不斷增長，直至被文丘里管尾端的高密度噴水濾膜捕捉并清洗下來。含有粉塵的漿液經漿液循環泵升壓后循環使用。除去粉塵后的煙氣分別進入文丘里管上部的葉片分離器和煙囪內的液滴分離器，除去剩余液滴后排入大氣。

4 改造效果評價

余熱鍋爐改造及新增再生煙氣除塵系統完成后，經過試運行及標定，各項指標均在設計范圍內。

4.1 余熱鍋爐運行情況

余熱鍋爐改造并投用后，該MTO裝置對余熱鍋爐的運行進行了標定，標定期間相關參數見表1。

表1 余熱鍋爐改造前后數據對比

由表1可知，改造后的余熱鍋爐整體運行指標更接近設計值，說明改造后余熱鍋爐的能力更符合裝置實際需求，運行更合理，能量回收效率和物料利用率更高。排煙溫度由改造前的353.6℃大幅降至141.6℃；過熱蒸汽流量、壓力、溫度均有所提高，提高后的數值更加接近設計指標，說明余熱鍋爐改造后效率更高。煙氣NOx質量濃度由改造前的9.68 mg/m3進一步降至4.61 mg/m3，說明改造后的余熱鍋爐氧氣有效利用率更高。由于中壓鍋爐給水溫度升高，過熱飽和蒸汽增加15.8 t/h，使MTO裝置蒸汽產量達到100.8 t/h，降低了裝置總能耗。值得一提的是，改造后的余熱鍋爐尚處于運行初期，后期在不影響裝置運行的情況下，可通過調節激波吹灰效果進一步降低再生煙氣排放溫度，進一步提高裝置的整體效率，降低裝置能耗及運行成本。

綜上，改造后再生煙氣全部并入余熱鍋爐，多產飽和蒸汽15.8 t/h，使裝置總蒸汽產量達到100.8 t/h，同時排煙溫度從投用前的353.6℃降低至141.6℃，且NOx排放量同時降低，說明該改造的實施有效回收了裝置煙氣中富含的熱能及化學能，進一步降低了裝置能耗及運行成本。

4.2 煙氣除塵系統運行情況

煙氣除塵系統改造完成、正常投用后能夠穩定運行。約90 000 m3/h的煙氣以160℃以下的溫度進入煙氣除塵系統，經洗滌除塵后排入大氣，在線分析儀顯示排放的顆粒物質量濃度在3 mg/m3以下，遠低于設計質量濃度30 mg/m3，也低于GB 31571—2015中特定區域執行大氣污染物特別排放質量濃度20 mg/m3的排放限值。為確保激冷塔/噴淋塔洗滌效果，系統正常期間補入除鹽水15 t/h，洗滌后的含催化劑顆粒污水以約15 t/h的流量排入污水系統。煙氣除塵系統投用后，煙氣排放顆粒物質量濃度在線儀表顯示由98.44 mg/m3降低至1.98 mg/m3。

4.3 裝置操作變化情況

余熱鍋爐改造完成投用后，再生煙氣全部并入余熱鍋爐，煙氣旁路閥門關閉。裝置其他系統原有產汽量不變，余熱鍋爐新增加的中壓汽水分離器消耗中壓除氧水16 t/h，裝置產汽量增加15.8 t/h，裝置總產汽量由85 t/h增加至100.8 t/h，蒸汽外送溫度、壓力均達標，其他操作與原余熱鍋爐一致。

煙氣除塵系統投用后，裝置水耗方面增加除鹽水15 t/h，即污水排放增加15 t/h。排放的污水通過重力流匯入裝置污水收集池，經由污水升壓泵升壓后送至下游污水裝置進行處置。

4.4 裝置能耗變化情況

余熱鍋爐及煙氣除塵系統改造前后的能耗比較見表2。

表2 余熱鍋爐及煙氣除塵改造前后裝置能耗比較

由表2可見，改造前2021年6月裝置綜合能耗值為203 kgce/t，2021年7月改造完成系統正式投用，2021年8月裝置標定期間綜合能耗值為171 kgce/t。雖然余熱鍋爐改造及新增煙氣除塵系統后，裝置循環水、除鹽水等消耗量增加，但4.1 MPa蒸汽產量增加15.8 t/h，多產4.1 MPa蒸汽對降低裝置能耗的貢獻較大，綜合考慮冬季、夏季運行工況，裝置綜合能耗從余熱鍋爐投用前的200 kgce/t～220 kgce/t降低至170 kgce/t～180 kgce/t，總能耗下降15%～20%。

5 結論及建議

余熱鍋爐改造后，實現了再生煙氣的完全燃燒，熱能利用更充分，增產中壓蒸汽15.8 t/h，裝置總能耗下降15%～20%，同時煙氣中NOx質量濃度由改造前的9.68 mg/m3降至4.61 mg/m3。

新增再生煙氣除塵系統后，再生煙氣的粉塵排放質量濃度由70 mg/m3～120 mg/m3降低至3 mg/m3以下，排放指標完全符合相關的國家標準。

此次技改煙氣除塵所產生的含固廢水直接排入污水系統，增加了污水系統的壓力，需進一步優化。