3.5Mt／a催化裂化蒸汽過熱爐熱效率分析

鄒 衡，田文君，張 磊，程 宏

（中國石油廣西石化分公司，廣西 欽州 535008）

催化裂化裝置的蒸汽過熱爐為油氣混燒爐，爐型結構設計為輻射-對流圓筒型立式加熱爐，蒸汽分12管程從對流室上部進入加熱爐 （入口溫度254℃），進對流室加熱后進入輻射室，從輻射室頂部出加熱爐（出口溫度421℃）。催化蒸汽過熱爐設計熱負荷為40.9MW，設計熱效率可達到90.5%，為了提高加熱爐的效率，在地面設置一套空氣預熱系統，換熱后的煙氣通過爐頂煙囪向大氣排放。

在催化裂化裝置中，蒸汽過熱爐是主要能耗設備之一，其熱效率的高低直接影響裝置的總能耗，也是評判整個裝置運行情況好壞的指標之一。通過計算、分析過熱爐的熱效率，查找出影響其熱效率的因素，進而優化操作，提高過熱爐的熱效率，對催化裂化裝置有著極其重要的意義，也為其他同類型裝置的操作提供參考。

1 催化裂化蒸汽過熱爐熱效率分析

廣西石化催化裂化裝置于2010年8月28日一次開車成功后，經過近半年的運行，裝置已基本穩定，現以催化裝置2011年3月的實際生產數據計算蒸汽過熱爐的熱效率，以此來分析蒸汽過熱爐的熱效率及影響其熱效率的因素。

1.1 正算蒸汽過熱爐熱效率

催化裂化裝置蒸汽過熱爐3月份平均產汽為 235.2t·h－1，消耗燃料油量為 1.81t·h－1，燃料氣為 1600Nm3·h－1，月過熱蒸汽量為 169408.6t，消耗燃料氣 1152000Nm3·h－1，燃料油 1303.2t。 過熱爐熱效率計算如下：

（1）過熱爐輸入熱量：

（2）過熱爐輸出的熱量：

空氣吸熱：

入口空氣焓值＝1.01×入口空氣溫度＋空氣含濕量×（2500＋1.84×入口空氣溫度）＝1.01×20＋0.013×（2500＋1.84×20）＝53.1784kJ·kg－1

出口煙氣焓值＝1.01×出口煙氣溫度＋煙氣含濕量×（2500＋1.84×出口空氣溫度）＝1.01×200＋0.013×（2500＋1.84×200）＝236.416kJ·kg－1

空氣吸熱＝空氣量×空氣焓差＝1980×（236.416－53.1784）＝350344.08kJ·h－1

（3）熱效率：

1.2 反算蒸汽過熱爐熱效率

以下是蒸汽過熱爐熱效率反平衡計算公式，表1是熱效率反算數據及結果。

式中：α－空氣系數；

tg－排煙溫度，℃；

O2－排煙中氧含量百分數；

to－基準溫度，推薦 to＝15.6℃；

△t－溫差，當燃燒空氣不預熱或利用爐子自身煙氣預熱空氣時，△t＝0；當外界熱源預熱空氣時，△t為熱空氣溫度與基準溫度之差；

CO－排煙中一氧化碳含量，10－6。

散熱損失取3%。

表1 熱效率反算數據及結果

1.3 影響蒸汽過熱爐熱效率因素

（1）過剩空氣系數偏大，導致過熱爐效率下降，若控制排煙溫度不變，調整氧含量至4%時，過剩空氣系數為1.22，熱效率可達90.12%。

（2）過熱爐實際負荷較設計偏大。

（3）過熱爐吹灰系統故障，爐內積灰導致加熱效果變差，影響其熱效率。

2 提高過熱爐熱效率措施

廣西石化催化裂化蒸汽過熱爐設置了空氣預熱系統，利用過熱爐自產熱煙氣對冷空氣進行預熱，充分利用煙氣余熱，因此討論如何提高過熱爐效率的前提是空氣預熱系統必須能正常工作，在此前提下提出以下幾點提高過熱爐效率的措施。

2.1 控制適當的過剩空氣量

在工業生產中，燃料在化學平衡中所需空氣量即理論空氣量下是不可能完全燃燒的，因此需要多供應一些空氣即過剩空氣，以保證燃料的完全燃燒。實際供給的空氣量與理論空氣量之比即為過剩空氣系數。在過熱爐的設計和操作中，過剩空氣系數是一個非常重要的參數，它對過熱爐的影響是多方面的，它直接影響蒸汽過熱爐的熱效率，過剩空氣系數太小會造成不完全燃燒，增加不完全燃燒熱損失，降低熱效率；過剩空氣系數太大，多余的空氣在排煙溫度下排入大氣將帶走大量的熱量，直接增加排煙熱損失而使熱效率降低。

其次過剩空氣系數太大，煙氣氧含量高會增加爐內構件的氧化，在爐管表面形成一層脆性的金屬氧化物。由于這層金屬氧化物和母體的熱膨脹系數不同，很容易脫落，氧化層脫落后，爐管母體金屬露出，會被氧化、脫落，最終導致爐管減薄直至失效。

另外，燃料油完全燃燒生成的煙氣中有CO2、SO2、O2、氮氧化物及水蒸汽等，其中一部分 SO2和O2會反應生成SO3，和煙氣中的水蒸汽進一步結合生成硫酸蒸氣，硫酸蒸氣遇到低溫冷表面時就會在其上面冷凝成液體，即所謂結露現象。凝結在爐管表面的液態硫酸不僅使爐管金屬表面遭受嚴重的腐蝕，而且還會粘附煙灰，使煙氣流通通道面積減少，加大煙氣流動阻力，直接影響生產的正常操作；同時也使得爐管外的結垢熱阻增大，煙氣和被加熱介質的換熱受到影響，過熱爐熱效率下降。硫酸露點的高低與燃料油的含硫量、過剩空氣系數、煙氣中水蒸汽含量等有關，在其他條件一定時，過剩空氣系數越大，即煙氣中含氧量越大，生成的SO3就越多，相應硫酸露點就越高，對爐管金屬腐蝕的影響就越大。

從以上分析可知，在其他條件一定和燃料油能完全燃燒的前提下，過剩空氣系數越小，對提高過熱爐熱效率和降低爐管腐蝕就越有利。從操作上來看，當加熱爐熱負荷變化或其他條件改變時，可以根據檢測得到的爐膛壓力和煙氣含氧量的變化，人工調節油門、風門、氣門等，使爐膛負壓和煙氣含氧量維持在設定值的范圍內，在燃料完全燃燒的前提下盡量控制較低的含氧量。

2.2 提高吹灰器效率

根據燃料性質、積灰類型及積灰部位，催化裂化蒸汽過熱爐積灰可以分為以下幾類：

2.2.1 高溫型積灰

高溫積灰發生在高溫對流段等煙氣溫度較高區域的受熱面上，這種積灰很牢固，高溫受熱面上積灰的形成過程大體如下：煙氣中的堿金屬和釩的氧化物在爐膛的高溫下升華成氣，形成低熔點的共晶體，例如 V2O5·Na2SO4（熔點只有 550～580℃）并隨后在較冷的受熱面上凝結，而高溫對流區域的煙氣溫度又很高，它附著在受熱面上后呈熔渣狀態，粘性很大，煙氣中的其它固態（如燃料中的固態顆粒）和液態粒子都很容易粘附在這種熔渣上，形成牢固的積灰。積灰中的各種成分又相互進行化學作用，同時還將吸收煙氣中的氧化硫形成硫酸鹽。

2.2.2 低溫受熱面牢固性積灰

在低溫受熱面上，可以發生牢固性積灰，這種積灰進展的速度很快。這種低溫受熱面牢固性積灰的形成過程如下：受熱面上最初沉積的是小顆粒的飛灰。因煙氣中含有三氧化硫，它們和三氧化硫化合，形成白色松散的硫酸鹽沉積物，再和氧化鐵作用，形成堅固的沉積物。沉積物的厚度逐漸增加，以致堵塞了受熱面。

2.2.3 粘性積灰

當過熱爐燃燒不正常時，煙囪冒黑煙，煙氣中帶有大量的炭粒子，它的數量可以遠遠超過燃料產生的灰分，煙氣中的炭粒子可以吸附煙氣中的二氧化硫、三氧化硫、水蒸汽。在炭粒子上的二氧化硫和水蒸汽化合成亞硫酸，而亞硫酸又是很強的還原劑，會再氧化成硫酸。炭粒子吸附的三氧化硫和水蒸汽也會直接生成硫酸，腐蝕性很強，它和受熱面作用，生成硫酸亞鐵，更增加了這種積灰的牢固性。

蒸汽過熱爐中形成的以上種種積灰，會增加熱阻，降低傳熱效果，影響爐管的換熱效率，所以定期除灰，對過熱爐尤為重要。催化裝置蒸汽過熱爐采用QMF-JB-R5818-50型激波吹灰器，使用過程中由于燃料氣壓力波動，部分吹灰器出現不閃爆的現象。為了提高吹灰器的使用效果，需采取以下措施以保證吹灰器的正常運行：

（1）定期化驗分析燃料氣組分，檢測燃料氣壓力，保證燃氣和空氣的混合比控制在1∶10，當燃氣組分、壓力變化時，檢查工藝流程是否暢通，及時調整燃氣比，確保吹灰器正常運行。

（2）監控分析燃料油中的灰分、硫、釩、鈉的含量，發現分析異常后及時調整，盡量減少過熱爐積灰結垢。

2.3 優化燃燒噴嘴

對于油氣混燒型噴嘴，一次風門和二次風門的開度，霧化蒸汽的品質和用量，燃料油和燃料氣的使用量都直接影響過熱爐的熱效率。催化裝置燃燒噴嘴在使用過程中，也出現過不同程度的堵塞、火焰長、飄、爐膛冒黑煙等異常現象，為了優化燃燒噴嘴的使用，在此提出以下幾點建議：

（1）加強風門的調節，尤其是二次風門的調節，根據燃料油輕、重情況關小、開大二次風門。

（2）油氣混燒時，根據生產實際工況可以在某些噴嘴單獨燒油，某些噴嘴單獨燒瓦斯。油氣混燒時，應維持一種燃料用量的恒定，以另一種燃料控制過熱爐內溫度；當長時間單獨燒瓦斯時，應向油槍內通入少量蒸汽，以防止噴嘴燒壞。

（3）催化蒸汽過熱爐設計為圓筒形，燃料氣、燃料油、霧化汽是通過環管分布的，為了使各個噴嘴燃燒均勻，在正常工況下應當將各噴嘴燃料氣、油器壁手閥全開，使燃料壓力維持恒定，調節霧化汽壓力，使其高于燃料油壓力0.1MPa即可，這樣燃料油霧化效果好，燃燒完全。

3 結語

根據催化裂化裝置正常生產狀態下蒸汽過熱爐的運行情況及生產數據，計算了蒸汽過熱爐的熱效率，分析了影響過熱爐熱效率的主要因素，并根據實際生產情況提出了系列提高過熱爐熱效率的建議，為同類型生產裝置的操作提供參考。另外，根據催化裂化裝置的特點，今后還需要在以下幾方面加強過熱爐節能效果的研究：

（1）加強過熱爐燃料的監控，催化蒸汽過熱爐燃料油性質偏重，對燃料油霧化效果有較大影響，且其中產品含有油漿，而油漿中又有催化劑細粉，這會造成過熱爐積灰嚴重，因此，必須加強燃料監控，優化燃料性質。

（2）加強對吹灰器的監控，優化瓦斯組分，穩定燃料氣壓力，提高激波吹灰器的吹灰效率，從而提高過熱爐熱效率。