環己酮裝置脫氫工序導熱油加熱系統技術改造

劉元元

(中國石化集團資產經營管理有限公司巴陵石化分公司己內酰胺部,湖南 岳陽 414007)

環己酮是生產尼龍6、尼龍 66 等酰胺類產品的重要中間原料。目前國內普遍使用的環己酮生產工藝有環己烷氧化法和環己烯水合法工藝[1]。近幾年因國內環己酮產能擴張較快，為了在市場競爭中贏得較為有利的地位，提高產品質量及降低生產運行成本已成為企業在同行業競爭中立于不敗的關鍵[2]。中國石油化工股份有限公司巴陵分公司環己酮裝置采用環己烷氧化法工藝，經歷多次擴能改造，生產能力達130 kt/a。裝置脫氫工序現有2套并聯的脫氫反應系統，采用液化氣作燃料在加熱爐中加熱循環導熱油，為環己醇加熱及脫氫反應提供所需熱量，液化氣燃燒產生的高溫煙氣則通過煙囪高點排放，但系統存在一些問題：煙氣中氮氧化物(NOx)含量不能滿足GB 31571—2015《石油化學工業污染物排放標準》特別排放限值小于100 mg/Nm3的要求(湖南省2019年10月31日起按此標準執行)[3]；醇塔再沸器、脫氫進料蒸發器均使用過熱態蒸汽做熱源，蒸汽梯級利用不合理[4]。

作者分析了環己酮裝置生產運行中存在的問題，比較了不同導熱油加熱方式的優劣，并介紹了脫氫工序以蒸汽加熱器加熱導熱油的改造措施和效果。采取停用工藝加熱爐，改用4.0 MPa蒸汽顯熱加熱導熱油，蒸汽經利用后再繼續作為醇塔再沸器、脫氫進料蒸發器的熱源，實現了4.0 MPa蒸汽的梯級利用，徹底解決了煙氣排放無法達到新執行標準的問題，同時降低了生產運行成本。

1 環己酮裝置生產運行中存在的問題

1.1 蒸汽梯級利用不合理

環己酮裝置醇塔再沸器、脫氫進料蒸發器均設計使用過熱態(400 ℃、4.0 MPa)蒸汽做熱源，蒸汽進加熱器前，通過減壓閥進行壓力調節，使壓力控制在1.0～1.5 MPa后與物料進行換熱。但該過程會造成蒸汽熱焓的損失；同時因蒸汽能級較高，也會加劇再沸器和蒸發器中醇酮的縮合，造成物耗損失[5]；此外，裝置4.0 MPa蒸汽經減溫減壓器降至1.0 MPa(蒸汽發生量為20～25 t/h),作為醇酮精餾系統的熱源，在蒸汽梯級利用上也不合理。目前國內環己烯水合法、環己烷氧化法環己酮裝置醇塔再沸器多使用2.2 MPa等級的蒸汽。

1.2 脫氫系統導熱油加熱爐煙氣排放不達標

環己酮裝置2套脫氫系統配套的加熱爐(F5901、F59012)均以液化氣為燃料氣，燃燒后煙氣通過煙囪高點對空排放。2018年F5901、F59012外排煙氣中NOx含量監測數據見表1。從表1可以看出，外排煙氣中NOx含量達到GB 3157—2015排放限值小于150 mg/Nm3的要求，但沒有達到小于100 mg/Nm3的特別排放限值要求(2019年10月31日起湖南省按此標準執行)。

表1 2018年環己酮裝置工藝加熱爐排放煙氣的NOx監測結果Tab.1 NOx monitoring results of flue gas discharged from process heater of cyclohexanone plant in 2018

1.3 導熱油加熱系統工作流程及運行現況

導熱油加熱系統主要包括工藝加熱爐、導熱油循環泵、膨脹槽和導熱油貯槽，其工作流程見圖1所示。

圖1 脫氫工序導熱油加熱系統工作流程示意Fig.1 Working flow diagram of thermo oil heating system in dehydrogenation process1—脫氫反應器；2—熱油循環泵；3—工藝加熱爐；4—煙囪

導熱油加熱工藝過程包括液化氣燃燒加熱、尾氣余熱回收、導熱油循環、導熱油儲存等工序。導熱油通過熱油循環泵經過脫氫反應器殼程換熱后送至工藝加熱爐，導熱油流量維持在80～200 t/h；在工藝加熱爐內，燃燒器控制系統通過調節液化氣和空氣的比例，控制循環導熱油出口溫度在220～260 ℃，將環己醇脫氫反應溫度維持在210～245 ℃。

目前，行業內環己醇脫氫工序的導熱油加熱系統主要采用以天然氣或液化氣為燃料的燃燒爐加熱循環導熱油，雖然這種加熱工藝很成熟，但是燃燒爐產生的尾氣余熱能級低，回收利用價值小，大多直接排放，造成能源浪費，而即使國內部分裝置將燃燒爐燃燒后的尾氣與燃燒爐入口空氣換熱以回收一部分余熱，效果也有限。

2 技術改造方案比選

針對工藝加熱爐煙氣排放不能達到新執行標準的問題，主要有3種技術改造方案：一是對燃燒器系統進行低氮燃燒改造；二是將高溫煙氣引入廢液焚燒鍋爐爐膛進行脫硝處理；三是停用工藝加熱爐，改用其他加熱方式如蒸汽加熱器加熱。因加熱爐和廢液焚燒鍋爐距離很遠，實施第二種方案難度極大，現對另2種方案進行比選。

2.1 低氮燃燒改造方案

根據NOx生成機理分析和所用燃料特性可知，加熱爐內的NOx的生成基本以熱力型為主[6]。降低NOx生成的措施主要是通過控制燃燒區溫度、氧氣量和高溫區停留時間。基于此，考察基于分級著火原理的低氮燃燒器的性能，其結構見圖2。

圖2 熱油爐低氮燃燒器結構示意Fig.2 Structure of low-nitrogen burner for hot oil furnace

低氮燃燒器主要通過分級燃燒方式，控制燃燒區溫度、氧氣量和高溫區停留時間而實現低氮效果，其技術特點有下述幾個方面。

數據中有一個值得提及的問題，即一些課程內容相似度較高，只是課程名稱不同而已。比如“英美社會與文化”和“英美概況”，“西方文化入門”與“歐洲文化入門”及“歐洲文化史”，“西方文明史”和“西方文明簡介”等。分析時，均按照課程內容進行歸類分析以保證數據結果的準確。

(1)分級燃燒。助燃空氣分為一次風和二次風，燃氣通過從中心到外圍的三圈孔進入燃燒器。燃氣和一次風混合后燃燒，在著火區形成貧氧富燃料區，并推遲二次風的進入，形成局部還原性氣氛，有效抑制NOx(尤其是燃料型NOx)的生成，而后在第二階段通過二次風使燃氣充分燃燒。

(2)進風控制。一次風和二次風的比例可根據需要進行調整，二次風通過可調導流片旋流噴射，既有利于形成理想的火焰形狀，使其與爐膛尺寸相匹配，更可以通過這種調整滿足不同爐膛尺寸下的排放要求。

(3)火焰分割。獨特的燃料噴孔可以把一個火焰分成數個小火焰，由于小火焰散熱面積大，火焰溫度較低，使熱力型NOx有所下降。此外，火焰小縮短了氧、氮等氣體在火焰中的停留時間，對熱力型和燃料型NOx都有明顯的抑制作用。

(4)內部煙氣再循環。特殊設計的燃燒頭利用燃氣和空氣的噴射作用產生旋流，在中心產生回流區，將煙氣吸入，使煙氣在燃燒器內循環。由于煙氣混入，降低燃燒過程氧的濃度，降低燃燒溫度，防止局部高溫產生和縮短了煙氣在高溫區的停留時間。

(5)精密控制。采用全電子比例調節控制系統，可以精確控制空氣和燃料的混合比例。

以F5901為例，在煙氣氧質量分數為3%、爐膛容積熱負荷為1 250 kW/m3的條件下，NOx排放指標如下：(1)不使用外部煙氣再循環技術，排放煙氣中NOx含量為60～80 mg/Nm3；(2)使用外部煙氣再循環技術，排放煙氣中NOx含量小于30 mg/Nm3。風險性在于不同的爐膛尺寸對NOx排放值有較大影響。

2.2 蒸汽加熱器加熱改造方案

以蒸汽加熱器加熱導熱油，工作流程見圖3。系統中熱油循環泵將經過脫氫反應器殼層換熱后的熱油送至蒸汽加熱器的殼層，高壓蒸汽進入蒸汽加熱器的管層對殼層的導熱油進行加熱，加熱后的熱油循環回到醇脫氫反應器，建立一個熱油循環系統。通過在蒸汽側設置溫度調節閥，提高了熱油溫控的穩定性、提高能源利用率、省去了液化氣加熱爐的使用。4.0 MPa、400 ℃的蒸汽通過顯熱加熱導熱油，副產的4.0 MPa、300 ℃的蒸汽可逐級使用。

通過上述對比分析可知：低氮燃燒改造方案技術控制較復雜，不便于操作人員掌握，無法保證煙氣排放指標達到標準要求；蒸汽加熱器加熱改造方案實施較為便捷，雖然一次性投資較高，但運行平穩、技術控制簡單，同時可實現蒸汽的梯級利用。因此，技術改造中選擇停用工藝加熱爐、采用蒸汽加熱器加熱導熱油的改造方案。

3 蒸汽加熱器加熱改造措施及效果

3.1 改造措施

3.2 改造效果

2019年4月7日完成了蒸汽加熱器加熱導熱油的技術改造，4月19日2套蒸汽加熱器均順利切入系統，通過運行數據考核，改造效果較好，且具有較好的經濟效益。

(1)4.0 MPa蒸汽先用于加熱導熱油，再用于醇塔再沸器、脫氫蒸發器的熱源，熱量足夠。實際運行數據如下：蒸汽加熱器E5908蒸汽用量7.4 t/h、E5909蒸汽用量9.6 t/h，合計蒸汽用量17 t/h，兩股蒸汽合并進入環己酮裝置界區4.0 MPa蒸汽總管，總管蒸汽流量計平均指示為19 t/h。與改造前相比，4.0 MPa蒸汽用量增加2 t/h。但新增減溫減壓器有27%閥位開度，估算蒸汽用量為2～3 t/h(因無流量計)。因此，改造后整個裝置的蒸汽消耗沒有增加，而液化氣的運行成本完全節省下來。

(2)省去了2個煙氣排放口，節省相應環保檢測費用1.6萬元/年；同時，解決了原加熱系統煙氣排放不能達到新執行標準的環保問題。

(3)停用液化氣，節約了罐區液化氣汽化及伴熱使用0.5 MPa蒸汽，按年用量1 160 t、單價135元/ t計，節省成本15.66萬元/年。

(4)按裝置產能130 kt/a計算，改造前液化氣單耗13.53 kg/t，消耗液化氣1 758.9 t /年，液化氣單價4 461元/ t，可節約液化氣燃料費用784.6萬元/年(不含稅)。綜合環保檢測費用、液化氣罐區蒸汽費用，改造后可節省費用總計約800萬元/年。

4 結論

a. 針對環己酮裝置蒸汽能級利用不合理、脫氫工序導熱油加熱爐煙氣排放不能達到新執行標準的問題，選擇停用液化氣加熱爐、改用蒸汽加熱器加熱導熱油的改造方案具有可行性和技術優勢。

b. 在蒸汽加熱技術改造中，新增2臺蒸汽加熱器(E-5908、E-5909)，分別對應2套脫氫反應系統，利用4.0 MPa、400 ℃的蒸汽顯熱加熱導熱油，副產的4.0 MPa、300 ℃蒸汽部分用于環己酮裝置醇塔再沸器和醇脫氫進料蒸發器，其余部分通過減溫減壓送入1.0 MPa、210 ℃蒸汽管網。改造后，加熱系統運行平穩，實現了4.0 MPa蒸汽的梯級利用，解決了加熱系統煙氣排放達不到新執行標準的環保問題。

c. 脫氫工序導熱油加熱系統改用蒸汽加熱器加熱，可省去液化氣燃料、環保檢測費用等，每年可節省費用約800萬元。