遼河石化焚燒式CO余熱鍋爐的改造設計

【摘 要】目前，在煉油企業中催化裝置的能耗約占全廠總能耗的30%～40%，降低催化裝置的能耗對全廠節能降耗具有十分重要的意義。余熱鍋爐的應用對提高工業企業熱能有效利用，節約燃料，降低生產成本，促進企業內部動力熱平衡，完善工藝生產技術操作水平，提高產品質量，減少大氣污染等方面起著十分重要的作用。本文通過研究遼河石化焚燒式CO余熱鍋爐的改造設計，以期提高效率，降低成本。

【關鍵詞】遼河石化 余熱鍋爐 改造設計

我國“十二五”規劃綱要提出：單位國內生產總值能源消耗降低16%，單位國內生產總值二氧化碳排放降低17%。SO2排放減少8%，氮氧化物排放減少10%；國家環境保護部最新制定的《石油煉制工業污染物排放標準》中規定煉油企業大氣污染物排放限值，有機廢氣收集處理排放口的SO2、氮氧化物和顆粒物含量，分別不能大于100mg/m3、100mg/m3和50mg/m3。余熱鍋爐是利用高溫的煙氣、工藝氣、產品的余熱以產生蒸汽的熱交換設備。催化裝置余熱鍋爐一般與裝置外取熱器和油漿蒸發器一起構成裝置中壓蒸汽發生、過熱系統。余熱鍋爐除過熱自產飽和蒸汽外，還需過熱外取熱器和油漿蒸發器產生的飽和蒸汽，同時預熱外取熱器和油漿蒸發器汽包上水。

中國石油遼河石化分公司80萬噸/年催化裂化裝置配套有一臺焚燒式CO余熱鍋爐。該CO余熱鍋爐建于2009年，采用自然循環、單汽包布置，該鍋爐配有完整的燃燒設備，可以適應煉廠瓦斯、重油等多種燃料的燃燒。爐膛為光管水冷壁結構，補燃燃料和CO再生煙氣從爐底火嘴進入爐膛，爐膛底部布置六臺油氣聯合燃燒器，高溫受熱面采用光管，低溫受熱面采用翅片管，未設空氣預熱器，爐膛設計壓力2.5KPa。該CO余熱鍋爐過熱蒸汽溫度435℃，排煙溫度220℃左右。

1 CO余熱鍋爐設計存在的缺陷

（1）CO余熱鍋爐的爐體強度偏低；重催裝置擬新增煙氣脫硫脫氮系統，新增煙氣脫硫脫氮系統的煙氣阻力約4.0KPa，CO余熱鍋爐爐膛壓力將達到7.5KPa，受原CO余熱鍋爐結構限制，CO余熱鍋爐的爐體強度和煙氣密封結構均難以滿足要求。（2）爐膛底部存在煙氣泄露現象；爐膛底部存在煙氣泄露現象，爐膛底部結構和燃燒器布置復雜，操作和維護均存在一定困難。（3）過熱器存在尾燃現象；該余熱鍋爐設計負荷為80t/h，由于全廠蒸汽平衡需要，運行時負荷基本維持在48t/h左右，屬于低負荷運行，導致爐膛溫度偏低，過熱器存在尾燃現象。（4）省煤器腐蝕泄漏；余熱鍋爐存在省煤器腐蝕泄漏問題，經常發生因省煤器腐蝕穿孔導致停爐的情況，嚴重影響余熱鍋爐長周期運行。（5）受熱面積灰嚴重；重催裝置余熱鍋爐的再生煙氣中夾帶著催化劑粉塵，這些微小的催化劑粉塵流經受熱面管子時，因靜電吸附在受熱面管子上，加上過熱器和省煤器錯排布置，催化劑粉塵很容易搭橋，堵塞煙道，給吹灰帶來很大困難。（6）排煙溫度偏高；余熱鍋爐受熱面積灰嚴重后，受熱面吸熱量大大下降，導致余熱鍋爐排煙溫度偏高。余熱鍋爐在每次檢修清灰后運行不到三個月，排煙溫度即從開工初期的180℃上升至220℃左右，鍋爐效率下降。

2 改造目的及改造內容

2.1 改造目的

（1）提高余熱鍋爐煙風系統的設計壓力，確保新增脫硫脫氮裝置后CO鍋爐安全運行。（2）重新設計爐底結構，確保爐底密封和長周期安全運行。（3）提高衛燃帶高度，避免尾燃現象發生。（4）采用水熱媒技術，設置給水預熱器，利用低溫省煤器出口高溫水加熱省煤器進口低溫水，防止省煤器露點腐蝕，確保余熱鍋爐長周期、安全、高效運行。（5）完善吹灰措施，有效防止CO鍋爐受熱面積灰。

2.2 改造內容

本次改造在CO余熱鍋爐主體受熱面（水冷壁、對流蒸發器）不變和主體鋼結構基本不變的條件下進行，改造后的CO余熱鍋爐既要適應增設煙氣脫硫脫氮后爐體煙氣密封要求，同時又要確保CO鍋爐安全可靠、安裝周期短、操作和檢修方便等要求。改造后的余熱鍋爐結構詳見 圖1。

（1）改造后的CO鍋爐爐膛設計壓力提高至10kPa，確保新增脫硫脫氮裝置后CO鍋爐安全運行。（2）對CO鍋爐爐膛底部進行改造，燃燒器與CO煙氣進口分開布置，便于對燃燒器進行操作與維護，改造后燃燒器為六個高背壓瓦斯燃燒器，沿CO煙氣噴口四周布置。（3）爐膛衛燃帶高度由2m提高至3m左右，提高爐膛底部再生煙氣燃燒溫度，確保CO煙氣快速著火燃燒，避免尾燃現象發生，確保CO鍋爐安全運行。（4）拆除原CO鍋爐過熱器受熱面，在原位置布置新設計的高溫過熱器、低溫過熱器及噴水減溫器，對高、低溫過熱器進、出口集箱增設專門的煙氣密封結構。（5）加固水冷壁和對流蒸發器穿墻管煙氣密封和爐墻護板，確保爐膛升壓后煙氣密封和安全運行。（6）拆除原三組省煤器管束和爐墻護板，在該位置布置新設計的高溫、中溫、低溫省煤器模塊，新設計的省煤器模塊采用外保溫，熱壁結構，確保煙氣密封。（7）采用水熱媒技術，設置給水預熱器，利用低溫省煤器出口高溫水加熱省煤器進口低溫水，防止省煤器露點腐蝕，確保余熱鍋爐長周期、安全、高效運行。（8）采用水熱媒技術，增設空氣換熱器，利用中溫省煤器出口高溫水加熱CO鍋爐助燃空氣，提高助燃空氣溫度，穩定和改善CO燃燒狀況，降低燃料消耗。（9）完善吹灰措施，改造后過熱器、對流蒸發器利舊原聲波吹灰器，三組省煤器采用脈沖激波吹灰器，吹灰器采用就地PLC控制，定期吹灰。有效防止CO鍋爐受熱面積灰，確保余熱鍋爐長周期高效運行。（10）將原重力式防爆門改為水封式防爆門，改造后防爆門水封壓力提高至11.0kPa，避免煙氣泄露。

圖1 改造后的余熱鍋爐結構

2.3 改造后CO余熱鍋爐熱力計算匯總表

表一、改造后CO余熱鍋爐熱力計算匯總表

序號 名稱 單位 水冷壁

（利舊） 過熱器

（改造） 對流

蒸發器

（利舊） 高溫

省煤器

（改造） 中溫

省煤器

（改造） 低溫

省煤器

（改造）

1 煙氣流量 Nm3/h 117700 117700 117700 117700 117700 117700

2 煙氣入口溫度 ℃ 810 675 448 370 240

3 煙氣出口溫度 ℃ 810 675 448 370 240 175

4 介質流量 t/h ～ 51 ～ 46.9 71.9 71.9

5 介質出口壓力 MPa 4.2 3.82 4.2 4.3 6.4 6.4

6 介質入口溫度 ℃ 255 255 255 180 138 135

7 介質出口溫度 ℃ 255 435 255 243 208 169

8 煙氣平均流速 m/s 11.5 12.9 9.2 7.9 6.5

9 換熱面積 m2

490 1620 1380 2590 2960

10 換熱量 kw

10148 7013 11323 3746 6066 2959

11 換熱量 kw

41255

（1）再生煙氣進口流量：90000 Nm3/h；瓦斯消耗量：1598Nm3/h。（2）自產飽和蒸汽量為46.0t/h，外來飽和蒸汽量為5t/h，外送熱水流量為25t/h，外送熱水溫度為208℃。

表二、改造后空氣換熱器和給水預熱器設計性能參數匯總表

序號 名稱 單位 空氣換熱器

（新增） 給水預熱器

（利舊）

1 高溫給水流量 t/h 46.9 71.9

2 高溫給水入口溫度 ℃ 208 169

3 高溫給水出口溫度 ℃ 180 138

4 介質流量 28120 Nm3/h 71.9 t/h

5 介質入口溫度 ℃ 20 104

6 介質出口溫度 ℃ 170 135

7 換熱量 kw 1560 3220

8 換熱面積 m2 1360 120

2.4 CO余熱鍋爐主要改造設備結構說明

（1）焚燒爐爐底及燃燒器改造；為了便于操作，將CO煙氣噴口與燃燒器分開布置。CO煙氣依舊分成兩路從爐底經條形噴口進入爐膛，在爐底CO噴口四周布置6臺高背壓瓦斯燃燒器，為了確保引燃CO再生煙氣，瓦斯燃燒器與爐底呈45°角。瓦斯燃燒器采用高能點火器點火，為了確保CO煙氣完全燃燒，避免煙氣尾燃，將衛燃帶高度由2m提高至3m。（2）過熱器和噴水減溫器；改造后的過熱器分為高溫過熱器和低溫過熱器，受熱面均以光管為換熱元件，垂直懸吊布置，材質均為12Cr1MoVG，規格為Ф32×4mm，管夾材質為1Cr20Ni14Si2，管束順排布置。高溫過熱器受熱面與煙氣采用順流布置，低溫過熱器逆流布置，確保過熱器安全運行。過熱器管束及集箱的全部組焊在鍋爐廠完成，整體出廠。在過熱器側墻預留8個聲波吹灰器接口。為了控制過熱器出口蒸汽溫度，在低溫過熱器和高溫過熱器之間設噴水減溫器。噴水減溫器由筒體（DN300）、多孔噴管和保護套管組成，材質為12Cr1MoVG。（3）省煤器；在余熱鍋爐尾部布置一個高溫省煤器、一個中溫省煤器和一個低溫省煤器模塊。省煤器均采用外保溫模塊式箱體結構。高溫省煤器箱體采用12Cr1MoV制作，中溫省煤器和低溫省煤器箱體均采用Q235-B制作。省煤器的受熱面均采用螺旋翅片管，管束順排布置。翅片管基管材質均為20G/GB5310，規格為Φ42×4mm，翅片材料為ST12，管夾材質為12Cr1MoV。全部省煤器受壓元件的組焊在鍋爐廠完成，整體出廠。每個省煤器模塊預留6個脈沖激波吹灰器接口。（4）空氣換熱器；為了平衡余熱鍋爐尾部熱量，降低瓦斯消耗，改善CO煙氣燃燒狀況，本次改造增設空氣換熱器，利用省煤器出口的高溫水加熱助燃空氣，使助燃空氣溫度升至170℃左右?？諝鈸Q熱器采用外保溫模塊化箱體結構，箱體采用Q235-B制作。空氣換熱器采用蛇形螺旋翅片管結構，基管Ф38×4，材質為20G/GB5310，翅片材質為ST12，集箱材質為20G/GB5310，規格為Ф159×12。（5）給水預熱器；給水預熱器為標準U型管換熱器，型號為：BIU700-6.4/6.4-120-6/25-2 I。換熱管材質為：10/GB9948，殼體材質為Q345R。（6）吹灰器系統設計；過熱器和對流蒸發器仍采用聲波吹灰器，其中過熱器布置8臺聲波吹灰器（移位利舊），原對流蒸發器聲波吹灰器利舊，聲波吹灰器采用就地PLC控制（利舊），定期吹灰。新設計的三組省煤器采用脈沖激波吹灰器，每組省煤器布置6臺并聯式脈沖激波吹灰器，同時增設反吹風系統，在脈沖吹灰器停用時，通過反吹風防止煙氣在吹灰器脈沖罐內冷凝成酸液，確保吹灰器正常使用和延長壽命。激波吹灰器采用就地PLC控制，定期吹灰。

2.5 CO余熱鍋爐改造前后數據比較

表三、CO余熱鍋爐改造前后數據比較

序號 項目 單位 改造前 改造后

1 給水溫度 t/h 104 104

2 低溫省煤器入口水溫 ℃ 104 135

3 助燃空氣溫度 ℃ 20 170

4 爐膛耐壓 KPa 2.5 10

5 蒸發量 t/h 48 51

6 過熱蒸汽出口溫度 ℃ 435 435

7 排煙溫度 ℃ 220 175

2.6 改造后余熱鍋爐的特點

（1）余熱鍋爐采用模塊設計，現場安裝方便，節約安裝工期，降低安裝費用。（2）余熱鍋爐省煤器及空氣換熱器采用優化設計的螺旋翅片管為換熱元件，增加了受熱面積，降低了流動阻力，同時配以特制的小R彎頭，減少了余熱鍋爐各段體積，使余熱鍋爐具有結構緊湊、重量輕、換熱效果好的特點。（3）采用水熱媒技術，通過設置給水預熱器，提高省煤器進口低溫水，徹底防止省煤器露點腐蝕，確保余熱鍋爐長周期、安全、高效運行。（4）采用水熱媒空氣換熱器，提高助燃空氣溫度，穩定和改善CO燃燒狀況，降低燃料消耗。（5）省煤器受熱面采用高效脈沖激波吹灰器，吹灰效果明顯。

3 結語

重催裝置CO余熱鍋爐通過技術改造后，從2013年6月30日運行至今，一切正常，運行效果良好，節能效果明顯，有效地降低了裝置能耗。達到以下改造目的：（1）提高余熱鍋爐耐壓能力，消除煙氣泄露。（2）消除余熱鍋爐露點腐蝕，確保余熱鍋爐長周期安全運行。（3）降低排煙溫度，提高余熱鍋爐效率。

作者簡介：孫進斌（1976—），男，陜西西安人，本科，畢業于西安交通大學，中級工程師，研究方向：余熱鍋爐的設計及改造。