芳烴聯(lián)合裝置加熱爐節(jié)能改造

韓文華

(中海油惠州石化有限公司,廣東 惠州 516086)

芳烴聯(lián)合裝置是煉油化工企業(yè)最大的耗能裝置,某石化企業(yè)940 kt/a芳烴聯(lián)合裝置燃料氣消耗約占裝置總能耗的70%,其中二甲苯單元4臺加熱爐能耗約占裝置總?cè)剂蠚庀牡?5%。為進(jìn)一步降低裝置運(yùn)行能耗,該企業(yè)針對二甲苯分餾單元加熱爐熱效率低的問題,決定采用“95+高效超凈工業(yè)爐余熱回收技術(shù)”對加熱爐系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 改造前加熱爐余熱回收系統(tǒng)

某石化企業(yè)940 kt/a芳烴聯(lián)合裝置包括二甲苯分餾、苯/甲苯分離及歧化烷基轉(zhuǎn)移、吸附分離、二甲苯異構(gòu)化、芳烴抽提和公用工程等部分[1]。二甲苯分餾單元的二甲苯塔均采用加壓操作模式回收二甲苯塔頂冷凝熱量,為重整油分離塔、抽余液塔、抽出液塔、鄰二甲苯塔提供再沸加熱熱源[2]。二甲苯再蒸餾塔重沸爐(F-401A/B)和二甲苯塔重沸爐(F-402A/B)各設(shè)置有一套余熱回收系統(tǒng),F-401A/B設(shè)計(jì)負(fù)荷為126.39 MW,改造前排煙溫度為140.8 ℃,熱效率為92.76%;F-402A/B設(shè)計(jì)負(fù)荷為75.11 MW,改造前排煙溫度為140 ℃,熱效率為92.70%,兩爐共用一獨(dú)立煙囪排煙。改造前加熱爐余熱回收系統(tǒng)的簡要流程見圖1。

圖1 改造前加熱爐余熱回收系統(tǒng)簡要流程

由于芳烴二甲苯單元各加熱爐的余熱回收系統(tǒng)流程相同,因此文章以二甲苯再蒸餾塔的加熱爐余熱回收系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。

燃料氣經(jīng)分液罐脫除液體后至加熱爐燃燒,空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)升壓送至空氣預(yù)熱器,通過高頻焊螺旋翅片管與加熱爐爐頂250 ℃的高溫?zé)煔鈱?shí)現(xiàn)換熱,將空氣由環(huán)境溫度提高至入爐前的155 ℃,高溫?zé)煔饨禍刂?40 ℃后經(jīng)引風(fēng)機(jī)抽出送至煙囪排放。改造前加熱爐余熱回收系統(tǒng)存在以下問題:(1)排煙溫度高,熱效率較低,維持在92.0%～92.8%,運(yùn)行成本高;(2)燃料氣中總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)時(shí),空氣預(yù)熱器存在短期內(nèi)腐蝕泄露、堵塞等風(fēng)險(xiǎn);(3)引風(fēng)機(jī)存在結(jié)垢、腐蝕、振動(dòng)等問題;(4)無二氧化硫減排手段,二氧化硫排放存在波動(dòng)。

2 改造方案的技術(shù)特點(diǎn)

常規(guī)加熱爐僅采用預(yù)熱空氣的方式來回收利用煙氣余熱,設(shè)計(jì)熱效率一般低于93%,而且中間過程未能采取有效措施減少燃料氣和煙氣自身攜帶的污染物和雜質(zhì)含量,不能有效地實(shí)現(xiàn)SO2、NOx、氯化物和顆粒物等污染物和雜質(zhì)近零排放的目的。同時(shí)因?yàn)闆]有從根源上減少煙氣中的露點(diǎn)腐蝕污染物和雜質(zhì),爐管及預(yù)熱器的低溫段表面在運(yùn)行過程中會不斷吸附黏性污染物和雜質(zhì),造成低溫區(qū)域結(jié)垢嚴(yán)重,不利于加熱爐的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。受以上因素影響,一般加熱爐的排煙溫度在120 ℃以上,以避免低溫?zé)煔庵械睦淠c煙氣中的含硫物質(zhì)結(jié)合,對設(shè)備產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕。煙氣排煙溫度無法進(jìn)一步降低,限制了加熱爐熱效率提升至95%的可能。不同于常規(guī)加熱爐余熱回收技術(shù),“95+高效超凈工業(yè)爐余熱回收技術(shù)”的獨(dú)特之處在于采用了燃料氣預(yù)處理系統(tǒng),有助于防止低排煙溫度導(dǎo)致露點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生,并通過燃料氣介質(zhì)加熱的手段實(shí)現(xiàn)兩種介質(zhì)的預(yù)熱,從而使得加熱爐熱效率可以提高到95%以上。

為了進(jìn)一步提升芳烴二甲苯單元加熱爐的運(yùn)行效率,減少能源消耗并降低SO2、NOx、氯化物和顆粒物等污染物排放,某石化企業(yè)利用2023年全廠停工大檢修的機(jī)會,對二甲苯加熱爐的余熱回收系統(tǒng)實(shí)施了改造。此次的改造方案主要有8項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)。

(1)突破常規(guī),設(shè)置燃料氣復(fù)合阻蝕系統(tǒng),從前端解決問題,對燃料氣進(jìn)行精制處理,將燃料氣中的硫化物、含氮化合物、氰化物、氯化物等污染雜質(zhì)進(jìn)行去除和吸附,將露點(diǎn)腐蝕和污染物解決在燃燒之前。

(2)燃料氣在燃燒器金屬軟管處不會產(chǎn)生銨鹽結(jié)晶體堵塞管道,進(jìn)入加熱爐后可以實(shí)現(xiàn)潔凈燃燒,另外也杜絕了C5以上常溫液態(tài)組分和燃料氣帶液燃燒的問題,為長期穩(wěn)定地提高加熱爐熱效率創(chuàng)造了有利條件[3]。

(3)由于燃料氣經(jīng)過精制處理,SO2和顆粒物零排放,空氣預(yù)熱器低溫段產(chǎn)生的水凝液酸堿度為中性,可直接排放,不會造成二次污染源,無需增加堿液系統(tǒng)來中和。

(4)采用燃料氣空氣雙預(yù)熱技術(shù),最大限度降低冷介質(zhì)煙氣的溫度,提高熱效率,降低燃料氣使用量和煙氣排放量。

(5)采用兩段式預(yù)熱技術(shù),一方面可以避免冷介質(zhì)來源單一、受設(shè)備兩端傳熱溫差的限制;另一方面盡可能地保證風(fēng)機(jī)始終處在理想的運(yùn)行溫度工況,有利于維持動(dòng)力系統(tǒng)的長周期持續(xù)運(yùn)行。

(6)優(yōu)化工藝流程,通過將引風(fēng)機(jī)布置在低溫空氣預(yù)熱器前,解決引風(fēng)機(jī)的腐蝕、結(jié)垢問題[4]。

(7)高溫段預(yù)熱器和低溫段預(yù)熱器均使用壓槽液膜板式結(jié)構(gòu),此種結(jié)構(gòu)能使煙氣冷凝潛熱快速傳遞又可以保證冷凝水不存留,而換熱板采用耐蝕鋼及表面金屬滲透技術(shù),提高了設(shè)備的耐腐蝕能力。

(8)應(yīng)用超低氮燃燒器,燃燒器采用了燃料分級、分段燃燒和爐內(nèi)煙氣循環(huán)相結(jié)合的低NOx燃燒技術(shù),以最大限度限制熱力型NOx的生成,盡可能在較低過剩空氣因子下進(jìn)行有效完全燃燒,進(jìn)一步降低NOx及顆粒物的生成。

3 改造后的加熱爐余熱回收系統(tǒng)

改造后加熱爐余熱回收系統(tǒng)的簡要流程見圖2。

圖2 改造后加熱爐余熱回收系統(tǒng)簡要流程

3.1 二甲苯再蒸餾塔重沸爐空氣煙氣換熱部分

F401加熱爐煙氣從對流段頂端出來,先后經(jīng)過高溫空氣預(yù)熱器(HC401)、引風(fēng)機(jī)(F401Y)和低溫空氣預(yù)熱器(HC402),與空氣換熱后煙氣溫度從250 ℃降低至85 ℃,再通入煙囪排放到大氣。經(jīng)過鼓風(fēng)機(jī)(F401G)加載后,冷空氣經(jīng)由低溫和高溫預(yù)熱器與煙氣進(jìn)行換熱,使得空氣從常溫上升至215 ℃,最后被引入到加熱爐燃燒器中進(jìn)行燃燒。

3.2 二甲苯塔重沸爐空氣煙氣換熱部分

F402加熱爐煙氣從對流段頂端出來,先后經(jīng)過高溫空氣預(yù)熱器(HC403)、引風(fēng)機(jī)(F402Y)和低溫空氣預(yù)熱器(HC404),與空氣換熱后煙氣溫度從305 ℃降低至85 ℃,再通入煙囪排放到大氣。經(jīng)過鼓風(fēng)機(jī)(F402G)加載后,冷空氣經(jīng)低溫和高溫預(yù)熱器與煙氣進(jìn)行換熱,使得空氣從常溫上升至185 ℃,最后被引入到加熱爐燃燒器中進(jìn)行燃燒。

3.3 燃料氣煙氣換熱部分

燃料氣自分液罐(D951)引到F401的燃料氣煙氣換熱器(HC951),與F401煙氣換熱后,再到F402的燃料氣煙氣換熱器(HC952)進(jìn)行二次加熱,燃料氣溫度由30 ℃加熱到210 ℃左右,然后去復(fù)合阻蝕劑系統(tǒng)進(jìn)行精制處理,處理干凈的燃料氣再回到F401/F402爐膛燃燒。

3.4 主要新增設(shè)備

本次改造在確保改造效果的前提下,以盡量利舊現(xiàn)有設(shè)備和基礎(chǔ)為設(shè)計(jì)原則,主要新增設(shè)備見表1。

表1 主要新增設(shè)備

4 改造效果

2023年5月對復(fù)合阻蝕劑系統(tǒng)進(jìn)行了活化,最終逐步完成二甲苯單元加熱爐余熱回收系統(tǒng)的投用。2023年6月委托第三方進(jìn)行技術(shù)標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果顯示加熱爐F401A、F401B、F402A、F402B的熱效率分別為95.88%、95.83%、95.71%、95.69%,均達(dá)到熱效率高于95%的改造要求,具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 加熱爐改造前后數(shù)據(jù)對比

實(shí)施95+高效節(jié)能升級改造后,加熱爐系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),操作時(shí)波動(dòng)小,抗沖擊能力強(qiáng),滿足長周期運(yùn)行的操作要求,各指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

(1)F-401和F-402系統(tǒng)熱效率提升明顯。與改造前相比,在F-401燃料總發(fā)熱量提升21.3%的情況下,排煙溫度下降了61 K,F-401加熱爐熱效率由原來的92.76%提升至95.86%;在燃料總發(fā)熱量變化不大,且F402高、低溫空氣預(yù)熱器冷風(fēng)旁路開度均超過50%的前提下,F402排煙溫度下降了60 K,加熱爐熱效率由原來的92.70%提升至95.70%。經(jīng)測算,兩爐每年節(jié)約燃料氣5 048.4 t,節(jié)省燃料氣費(fèi)用達(dá)1 716萬元。

(2)加熱爐95+技術(shù)投用后,F401/F402的CO和SO2排放值均為0,F401的氮氧化物排放質(zhì)量濃度為49 mg/m3,F402的氮氧化物排放質(zhì)量濃度為70 mg/m3,符合《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。經(jīng)測算,每年CO2減少排放11 721 t,氮氧化物排放減少4 181 kg。

5 結(jié)語

940 kt/a芳烴聯(lián)合裝置二甲苯單元加熱爐采用95+高效節(jié)能升級改造后,節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益顯著,排煙溫度下降了60 K,加熱爐熱效率均提高到95%以上,每年節(jié)省燃料氣費(fèi)用1 716萬元,同時(shí)CO2排放減少11 721 t,氮氧化物排放減少4 181 kg。應(yīng)用加熱爐95+技術(shù)是有效節(jié)能減排的方式,在“雙碳”背景下有良好的市場推廣價(jià)值,同時(shí)給同類裝置加熱爐節(jié)能改造提供了參考。