MTO余熱鍋爐系統項目改造研究

林 偉

（國能包頭煤化工有限責任公司，內蒙古包頭 014010）

甲醇制烯烴裝置作為煤制烯烴系統核心裝置，承擔著整個公司50%以上的生產任務，而MTO裝置又是整個公司的能源消耗大戶。因此為了既滿足節能降耗的要求，而又不影響MTO生產負荷情況下，同時也延長余熱鍋爐使用壽命，在MTO生產工藝過程中設置余熱鍋爐，對再生器的熱量和再生煙氣的焚燒釋放的顯熱進行有效的回收和利用，通過爐管壁的熱傳導將4.0MPa除氧水氣化成4.0MPa的中壓蒸汽，并入到全廠的中壓蒸汽管網，供下游裝置使用。通常情況下，MTO余熱鍋爐設置形式為臥式和立式兩種形式。在MTO生產技術中，臥式余熱鍋爐設置較多。臥式余熱鍋爐在運行過程中，出現過諸多生產問題。同時設計新建一套MTO煙氣除塵裝置，使得煙氣排放固體顆粒物的濃度達到國家允許的排放標準。

1 余熱鍋爐（臥式）

1.1 余熱鍋爐的工作原理（臥式）

MTO余熱鍋爐熱源全部來自CO焚燒爐燃燒高溫煙氣所產生的。1 280℃高溫煙氣分別經過鍋爐前置蒸發段，二級過熱器、一級過熱器、蒸發段、二級省煤段和一級省煤段，最終從煙囪排放至大氣中，排煙溫度降至約為220℃。余熱鍋爐的除氧水給水依次經過一級省煤段和二級省煤段，除氧水通過爐管管壁的熱傳導效應，換熱后的除氧水溫度接近所處生產環境的飽和溫度后進入汽包。進入汽包的飽和水從汽包底部的下降管進入到蒸發段，來吸收煙氣顯熱開始發生蒸汽。通常情況下，在蒸發段內的是汽水混合物。吸收熱量后的汽水混合物離開蒸發段后進入汽包，經過汽包頂部的中壓汽水分離器。通過汽水分離器的離心旋流作用，水相返回汽包繼續吸收熱量產汽，而飽和蒸汽從汽包上部依次進入前置蒸發段、一級過熱器和二級過熱器，最終產生滿足工藝要求的中壓過熱蒸汽，送至外管網供下游用戶使用。為控制所供蒸汽的過熱溫度，在一級過熱器和二級過熱器之間設置了噴水減溫器利于除氧水對過熱蒸汽進行冷以滿足管網中壓蒸汽溫度的要求。

1.2 原臥式余熱鍋爐在運行中存在的問題和原因

1.2.1 余熱鍋爐蒸發段取熱管泄漏的原因

（1）上游裝置運行不穩定，除氧水中鈉濃度、溶解氧含量、鐵含量、硬度、pH、磷酸根等指標不合格。MTO余熱鍋爐汽包除氧水主要來自甲醇裝置，溫度約為（106±2）℃，壓力（5.6±0.2）MPa左右。除氧水中含有大量酸性氣體。溶解在水中容易造成管束的腐蝕，污染除氧水水體。

（2）生產波動，取熱管內蒸汽短路。當裝置工況出現異常情況時，余熱鍋爐液位會出現大幅變化，緊急排污次數就會變多。汽包液位的不穩定，容易造成取熱管中的蒸汽短路，會造成取熱管的干燒。

（3）催化劑粉塵積累，激波吹灰頻次高。在正常生產過程中，MTO再生煙氣中含有大量的催化劑粉塵。催化劑粉塵經過長時間的運行積累在余熱鍋爐取熱管管束上形成熱阻。取熱管的效率下降。為了保證余熱鍋爐系統的正常運行，會在日常生產中定期余鍋激波吹灰。但是在余熱鍋爐激波吹灰過程中會產生過大的瞬時氣流沖擊余熱鍋爐管束，時間久后會造成取熱管束減薄，最終導致取熱管泄漏。

（4）余熱鍋爐中的受熱面管長期受煙氣沖刷、汽水腐蝕和熱偏差，取熱管外壁的磨損和取熱管干燒。在1280℃煙氣工況下，余熱鍋爐取熱管外壁會出現超溫和碳化現象，最終會導致取熱管的泄漏。

1.2.2 激波吹灰器吹灰效果差的原因

（1）在運行中取熱管取熱效果變差，導致后路省煤段溫度過高，排煙溫度超出設計值。為了滿足余熱鍋爐系統正常運行，在日常生產中需要頻繁進行激波吹灰，每天中班和夜班吹灰導致激波吹灰，電磁閥每天動作約120次，較高的運行頻率會導致電磁閥故障，閥芯、膜片的損壞，關不嚴打不開等問題，吹灰效果變差。

（2）燃料氣和工廠風配比控制不當。MTO裝置用的燃料氣為乙烷氣體，爆炸極限為3.2%~15.6%，范圍比較窄。燃料氣與工廠分配比不易控制，目前是通過現場安裝的轉子流量計和現場的壓力表控制，加大配比調整難度。燃料氣組分變化較大。需要經常對配比度調節。一旦組分變化調節不當就達不到好的吹灰效果。

1.2.3 余熱鍋爐排煙溫度過高、產汽量偏低的原因

由于原余熱鍋爐的受熱面積不足，余熱鍋爐取熱管受熱面會嚴重積灰。MTO余熱鍋爐排煙溫度長時間達到230℃。由于MTO原余熱鍋爐采用臥式結構布置。煙氣沖刷鍋爐管束。長時間地生產運行，煙氣會堆積在余熱鍋爐底部會影響鍋爐的取熱效果，取熱效率下降，導致余熱鍋爐產汽量較設計值明顯偏低。

綜上所述，原有的臥式鍋爐存在取熱管泄漏、排煙溫度過高和產汽量偏低等缺陷，為了消除運行風險以及提高余熱鍋爐產汽效率，達到節能減排的目的。通過不斷調研和對比，將原有的臥式鍋爐改造成立式鍋爐，不僅消除了運行風險同時有效提高了能源的利用率。

2 改造后的立式余熱鍋爐優點

1）水容量大，蒸汽保有量大。余熱鍋爐汽包規格型號DN1500×40較上一代水容量大，蒸汽保有量大。此改造極大減少了余熱鍋爐滿水、干鍋事故的風險，當除氧水中斷或者中壓蒸汽壓力大幅波動時，也可以維持一定時間的生產操作，減少了風險事故的 發生。

2）立式余熱鍋爐占地面積較臥式余熱鍋爐小。新余熱鍋爐為立式對稱結構布置，鍋爐露天布置，鋼構架支撐，輕型爐墻及金屬護板結構。立式余熱鍋爐采用8根立柱支撐鍋爐模塊，而8根新增立柱則支撐在底部整體框架上。立式余熱鍋爐的進口煙道長度較短，煙氣的擴散可在鍋爐下部的轉彎煙道中完成，而臥式余熱鍋爐的煙氣與地面平行，需要布置較長的進口擴散煙道以保證受熱面進口處煙氣均勻。所以滿足同樣生產條件時，立式余熱鍋爐占地面積較臥式余熱鍋爐小，有效地解決了鍋爐不好布置擺放鍋爐的麻煩。同時也很縮短了煙氣管道長度，使得阻力減小。臥式余熱鍋爐占地面積較大，而鍋爐進出口煙氣管道也相對較長，不僅占用面積大，而且進一步增加了余熱鍋爐尾部系統的阻力。

3）立式余熱鍋爐積灰比臥式余熱鍋爐更少。MTO再生器中的催化劑粉塵被再生煙氣帶出至余熱鍋爐，不斷在取熱管外管壁上黏附，并越積越厚。在外管壁形成熱阻，阻礙傳熱，使得中壓蒸汽產氣量較低，排煙溫度較高。嚴重時會危及鍋爐的正常運行。立式余熱鍋爐中的催化劑細粉會由于重力沉積在底部，減少取熱管催化劑附著情況，取熱管積灰相對臥式較少。

4）立式余熱鍋爐使用壽命更長。因為立式余熱鍋爐的煙氣氣流，它的流向是鍋爐受熱面自下而上垂直的，會使上一層管道附著的催化劑消除后沉積在余熱鍋爐底部。會減少在取熱管上附著的催化劑，裝置經過長時間運行，原MTO臥式余熱鍋爐取熱管上會附著大量催化劑，換熱面積極大減少。為了保持原臥式鍋爐的取熱效果，通常會選擇對管束進行激波吹灰，頻繁的激波吹灰會造成余熱鍋爐隔熱層的損壞，襯里層的脫落，時間久后會造成余熱鍋爐系統出現較多的局部熱點，在日常生產中也增加了安全事故隱患。而且在每次大檢修過程中也會耗費大量的人力和財力。所以當使用新的立式余熱鍋爐后，可以取得良好的換熱效率，同時取熱管相對較多，取熱面積較大，也極大減少了余熱鍋爐吹灰系統的吹灰頻率。新立式余熱鍋爐既可以延長系統的使用壽命，又減少了檢修的頻率，為今后生產中節能降耗取得了良好的成果。

5）熱效率更高。新余熱鍋爐為立式π型結構布置，鍋爐露天布置，鋼構架支撐，輕型爐墻及金屬護板結構。新鍋爐型式為：立式、正壓、中壓蒸汽鍋爐。進氣氣流是自下而上，且垂直于受熱面而流動。在同一受熱面溫度分布均勻。換熱效果較臥式更好，其受熱效率更高。臥式余熱鍋爐的煙氣氣流是水平流動的，熱氣流向上，在同一斷面煙氣溫度上高下低。相比立式余熱鍋爐來說，換熱性不是特別好，所以受熱利用率也比較差。經過一段時間生產運行可以看出，在負荷260t/h，同樣再生主風量的情況下，煙氣溫度明顯立式余熱鍋爐更低，自產中壓蒸汽量更大，熱利用率更好。

6）余熱鍋爐材料設計較上代好。余熱鍋爐高溫部分的襯里結構采用耐火澆注料和陶瓷纖維的復合結構，耐火溫度達到1 400℃以上。保證余熱鍋爐設備在環境溫度27℃、無風狀態下余熱鍋爐本體任何部位（省煤器模塊除外）外壁溫度≯60℃。選用具有成熟經驗的鋼材品種作為制造汽包的材料。汽包內部結構采取合理措施，避免進入汽包的給水與溫度較高的汽包壁直接接觸，以降低汽包壁溫差和熱應力。汽包內部采用先進成熟的鍋內分離裝置，確保汽水水質合格。汽包內部裝置應嚴密、固定可靠，汽水分離器的出力應有足夠的裕度。汽包水室壁面的下降管孔、進水管孔以及其他有可能出現溫差的管孔，采取合理的結構型式和配水方式，防止管孔附近的熱疲勞裂紋。水保護段為模塊化、光管、內襯里結構，水保護段管子材質為不銹鋼，蒸發段為模塊化內襯里結構，布置在鍋爐尾部豎井煙道內。為了減小汽水混合物流動阻力，同時避免汽水分層，管束傾斜布置。保證蒸發器內的水流分配和受熱應均勻，保證蒸發器管中有足夠的質量流速。蒸發器上設計必要的門、孔，以便檢修人員進出，門、孔最大部件能防止在運行中受熱輻射而變形；正常運行時，門、孔關閉嚴密，避免自行開啟。省煤器為模塊化結構，管束、集箱的材料采用20G，換熱管子壁厚≮4mm，只允許正偏差。省煤器設計中特別考慮灰粒磨損保護措施：如省煤器管束與四周墻壁間裝設防止煙氣偏流的阻流板，管束上還要設置可靠的防磨裝置等；在吹灰器有效范圍內設置防磨護板；省煤器設有再循環管，在鍋爐啟動過程中使用；省煤器等受熱面管組之間，留有足夠高度的空間，供人員檢修、清掃。

7）新增煙氣除塵系統與余熱鍋爐及煙囪緊鄰。布袋除塵器按照最大工況65 000Nm3/h煙氣量設計。除塵器設計的最大壓降2kPa、殼體設計的壓力±5kPa，布袋除塵系統現場設置控制柜，采用自動化控制，無需人員值守，定期巡檢即可。煙氣經除塵器過濾后，粉塵暫時會收集在灰斗內，通過輸灰系統來定期輸送至現場灰倉，現場的灰倉底部設置卸灰閥，操作人員根據實際的運行情況，定期卸灰即可。該項目目的是有效去除MTO 煙氣中的顆粒物，以便滿足新的大氣污染物排放限值：即非重點地區顆粒物含量≤50mg/m3，重點地區顆粒物≤30mg/m3。本次改造按照滿足排放標準，改造后鍋爐煙氣最終排放指標為煙氣粉塵含量＜20mg/m3（干基），且排煙溫度≤150℃，裝置可長期在滿負荷下平穩運行。

3 臥室與立式余熱鍋爐主要指標參數對比

通過臥室與立式余熱鍋爐對比可知，同樣進料負荷260t/h情況，在主風量26 045Nm3/h條件，二級過熱段和省煤段取熱效果更好（表1）。產氣量相比原臥室余熱鍋爐更大，余熱鍋爐排煙溫度更低，說明立式余熱鍋爐比臥室余熱鍋爐取熱效果更佳，充分提高余熱鍋爐煙氣利用率。

表1 臥室與立式余熱鍋爐主要指標參數對比表

4 結束語

MTO余熱鍋爐是一項重要的節能降耗設施。排煙溫度的降低、取熱管積灰量的減少和產氣量的增大即可說明現有的立式余熱鍋爐更優于原來的臥式余熱鍋爐。同時，會減少取熱管泄漏的事故。通過有效的改造，保證了余熱鍋爐的安全穩定運行同時也提高了能源的利用率，達到了節能減排的作用。新增煙氣除塵系統滿足新的大氣污染物排放限值，達到了＜20mg/m3（干基），且排煙溫度≤150℃，滿足了裝置可長期在滿負荷下平穩運行。