焦化工藝管式加熱爐的節(jié)能減排替代分析

唐文俊，高月霞，陳勝，王圣冬

(南京華電節(jié)能環(huán)保股份有限公司，南京 211162)

對(duì)焦?fàn)t煉焦產(chǎn)生的荒煤氣進(jìn)行脫苯處理的常用工藝基本有傳統(tǒng)的直接蒸汽常壓汽提脫苯、無(wú)蒸汽的負(fù)壓脫苯和直接蒸汽半負(fù)壓脫苯三種[1]。目前，獲得脫苯所需的高溫貧、富油和高溫低壓過(guò)熱蒸汽所采用的常規(guī)設(shè)備則是以焦?fàn)t煤氣為燃料的管式加熱爐。

焦化工藝中的管式加熱爐[2]屬于工藝加熱爐。被加熱物質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)，介質(zhì)通常為氣體或液體，并且都是易燃易爆的物質(zhì)，操作條件苛刻，直接受火加熱，長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)，不間斷操作。管式加熱爐的結(jié)構(gòu)型式有多種，包括立式爐、圓筒爐和大型方爐，管式加熱爐的結(jié)構(gòu)及爐管示意圖如圖1所示。

圖1 管式加熱爐結(jié)構(gòu)及爐管示意圖

二十世紀(jì)七十年代以前建造的管式加熱爐的熱效率均在60%～75%之間[3]，焦?fàn)t煤氣燃燒產(chǎn)生的廢氣，在熱量回收后的排放溫度達(dá)300 ℃以上。近些年來(lái)新建的管式加熱爐，熱效率可達(dá)到85%以上。而且，幾乎所有的管式加熱爐，煤氣燃燒后的廢氣未經(jīng)脫硫、脫硝和除塵的處理，直接排入大氣，對(duì)環(huán)境造成了極大的危害。本文對(duì)傳統(tǒng)的直接蒸汽常壓汽提脫苯工藝和負(fù)壓脫苯工藝所采用的早期建造的管式加熱爐進(jìn)行了能效計(jì)算和節(jié)能減排分析，指出了目前對(duì)管式加熱爐進(jìn)行工藝替代的必要性和迫切性，以及所帶來(lái)的巨大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益和意義。

1 化產(chǎn)工藝管式加熱爐的能效分析

1.1 直接蒸汽常壓汽提脫苯工藝的管式加熱爐

對(duì)于傳統(tǒng)的直接蒸汽常壓汽提脫苯工藝[1]，管式加熱爐的功能則是將約120 ℃的低溫富油和約0.5 MPa的低壓飽和蒸汽加熱，獲得脫苯所需的溫度約為185 ℃的富油及與之配合的溫度約為400 ℃的低壓過(guò)熱蒸汽。

以年產(chǎn)120 萬(wàn)t焦炭的某焦化廠2×60孔6 m頂裝焦?fàn)t為例，荒煤氣脫苯所需的富油流量為100 m3/h，低壓過(guò)熱蒸汽流量為2.1 t/h。管式加熱爐所消耗的焦?fàn)t煤氣量為1 200 m3/h，焦?fàn)t煤氣的壓力約為7 kPa。

(1)加熱富油所需的能量。考慮富油中約含有0.02%的含水率，平均溫度為152.5 ℃時(shí)富油熱物性參數(shù)[4]見(jiàn)表1。

表1 平均溫度152.5 ℃時(shí)富油的熱物性參數(shù)

加熱富油所需的能量可按公式(1)計(jì)算：

Q=VρC(To-Ti)+Vρwr

(1)

代入數(shù)據(jù)為：Q1=100×1 060×2.15×(185 - 120)/3 600+100×1 060×0.02%×2 103.7÷3 600=4 127.25 kW

(2)過(guò)熱蒸汽所需的能量。壓力為0.5 MPa過(guò)熱蒸汽的熱物性參數(shù)[5]見(jiàn)表2。

表2 壓力為0.5 MPa過(guò)熱蒸汽的熱物性參數(shù)

0.5 MPa飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽所需的能量可按公式(2)計(jì)算：

Q=mC(To-Ti)

(2)

代入數(shù)據(jù)為：Q2=2 100×2.084 9×(400-158)÷3 600=294.32 kW

(3)管式加熱爐的能耗。焦?fàn)t煤氣的成分[6]見(jiàn)表3。

表3 焦?fàn)t煤氣的成分 %

取焦?fàn)t煤氣燃燒的空氣過(guò)剩系數(shù)為1.2，則壓力為7 kPa、流量為1 200 m3/h，常溫焦?fàn)t煤氣燃燒產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)狀況條件下的煙氣量約為7 120 m3/h，所需的助燃空氣量約為6 200 m3/h，爐膛燃燒溫度約為1 250 ℃[7]。

每標(biāo)準(zhǔn)立方米焦?fàn)t煤氣的低位發(fā)熱值Qd可根據(jù)其成分進(jìn)行計(jì)算[7]，約為18 MJ，則對(duì)管式加熱爐的總輸入能量可按公式(3)計(jì)算：

Q=V(1+Pa)Qd

(3)

代入數(shù)據(jù)為：Q=1 200×(1+7/100)×18 000÷3 600 = 6 420 kW

管式加熱爐的熱效率η可按公式(4)計(jì)算：

η=(Q1+Q2)/Q

(4)

代入數(shù)據(jù)為：η=[(4 127.25+294.32)÷6 420]×100%=68.9%

管式加熱爐的散熱損失ηs約為5%，忽略焦?fàn)t煤氣的不完全燃燒損失，由此可估算出管式加熱爐的廢氣排放熱損失ηp可按公式(5)計(jì)算：

ηp=1-ηs-η

(5)

代入數(shù)據(jù)為：ηp=1-5%-68.9%=26.1%

如忽略廢氣比熱容的變化，則由此可估算出廢氣的排放溫度Tp可近似按公式(6)估算：

Tp=Tbηp

(6)

代入數(shù)據(jù)為：Tp=1 250×26.1%=326 ℃

排放廢氣的熱量Qp可按公式(7)計(jì)算：

Qp=VQd(1+Pa)ηp

(7)

代入數(shù)據(jù)為：

Qp=1 200×18 000×(1+7/100)×26.1%÷3 600=1 675.62 kW

相當(dāng)于年浪費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)煤(標(biāo)準(zhǔn)煤熱值按29 260 kJ/kg，一年按8 760 h計(jì))量M可按公式(8)計(jì)算：

M=8 760Qp/Qb

(8)

代入數(shù)據(jù)為：M=8 760×1 675.62×3 600÷(29 260×1 000)=1 806 t標(biāo)準(zhǔn)煤

1.2 無(wú)蒸汽的負(fù)壓脫苯工藝的管式加熱爐

無(wú)蒸汽的負(fù)壓脫苯工藝，管式加熱爐的功能則是加熱貧油和富油。

以年產(chǎn)300萬(wàn)t焦炭的某焦化廠4×60孔7 m頂裝焦?fàn)t為例，為荒煤氣脫苯所服務(wù)的管式加熱爐將流量為995 m3/h的貧油由215 ℃加熱至230 ℃、流量為345 m3/h的富油由170 ℃的富油加熱至190 ℃。管式加熱爐所消耗的焦?fàn)t煤氣消耗量為3 000 m3/h，焦?fàn)t煤氣壓力為7 kPa 。

(1)加熱貧油、富油所需的能量。 貧油和富油在其平均溫度條件下的相關(guān)熱物性參數(shù)[4]見(jiàn)如表4。

表4 貧油和富油在其平均溫度條件下的相關(guān)熱物性參數(shù)

貧、富油升溫所需的能量分別可按如下公式計(jì)算：

Q=VρC(To-Ti)

(9)

代入數(shù)據(jù)分別為：

Q1=995×865×2.15×(230 - 215)÷3 600=7 710.22 kW

Q2=345×875×2.1×(190-170)÷3 600=3 521.88 kW

(2)管式加熱爐的能耗。和1.1中的管式加熱爐能耗計(jì)算一樣，對(duì)管式加熱爐的焦?fàn)t煤氣總輸入能量Q3可按公式(3)計(jì)算。代入數(shù)據(jù)為：

Q3=3 000×18 000×(1+7/100)÷3 600=16 050 kW

管式加熱爐的熱效率η可按公式(4)計(jì)算。代入數(shù)據(jù)為：

η=(7 710.22+3 521.88)÷16 050=69.98%

廢氣排放損失ηp可按公式(5)計(jì)算。代入數(shù)據(jù)為：

ηp=1-5%-69.98%=25.02%

廢氣排放溫度可按公式(6)計(jì)算。代入數(shù)據(jù)為：

Tp=1 250×25.02%=312.8 ℃

排放廢氣的熱量Qp可按公式(7)計(jì)算。代入數(shù)據(jù)為：

Qp=3 000×18 000×(1+7/100)×25.02%÷3 600=4 015.71 kW

年浪費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)煤量M可按公式(8)計(jì)算。代入數(shù)據(jù)為：

M=4 015.71×3 600×8 760/(29 260×1 000)=4 328.1 t標(biāo)準(zhǔn)煤

由以上計(jì)算可知，上述兩種荒煤氣脫苯工藝實(shí)際案例中的管式加熱爐的能效均低于70%。

1.3 管式加熱爐的其它弊端

通常，管式加熱爐的廢氣直接排入大氣，在排放前未經(jīng)脫硫和脫硝處理，且高溫排放，對(duì)環(huán)境造成了極為惡劣的影響。如需增加脫硫和脫硝及除塵環(huán)節(jié)，則必須增加相應(yīng)的環(huán)保設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備及其它的附屬設(shè)備等，使得系統(tǒng)配置復(fù)雜，增加各種成本，因而變得不經(jīng)濟(jì)。

此外，貧油和富油在蛇形管換熱面的管內(nèi)流動(dòng)，為防止超溫和過(guò)燒引起的油品結(jié)焦分解，貧油和富油需要以較大的流速流動(dòng)，且由于存在結(jié)構(gòu)上的因素，一方面，貧油和富油的輸送能耗較大；另一方面，由于結(jié)焦分解，貧油和富油的消耗也較大，無(wú)疑增加了管式加熱爐的運(yùn)行成本及焦化工藝的生產(chǎn)成本。

在化產(chǎn)工藝中，還有其它較多的環(huán)節(jié)，如蒸氨、甲醇制造等的工藝需求，也存在以焦?fàn)t煤氣為燃料的管式加熱爐，其運(yùn)行效率也是十分低下，既不經(jīng)濟(jì)，也不環(huán)保。

由此可見(jiàn)，燃用焦?fàn)t煤氣的管式加熱爐，效率低下，污染嚴(yán)重，已成為焦化工藝節(jié)能減排及焦化行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重障礙。

2 焦化工藝中替代管式加熱爐的建議

目前，常規(guī)的替代管式加熱爐的途徑[7]有兩個(gè)：(1)目前，幾乎所有的焦?fàn)t都配備了干熄焦廢氣的余熱鍋爐，可利用干熄焦廢氣余熱鍋爐所產(chǎn)的過(guò)熱蒸汽。對(duì)于常壓脫苯工藝，對(duì)該過(guò)熱蒸汽進(jìn)行減溫減壓，一方面可獲得約2.0 MPa的中壓蒸汽去加熱富油，另一方面可獲得低壓過(guò)熱蒸汽。對(duì)于負(fù)壓脫苯工藝，可對(duì)干熄焦廢氣余熱鍋爐所產(chǎn)的過(guò)熱蒸汽進(jìn)行減溫減壓后直接加熱貧油和富油。(2)利用焦?fàn)t上升管荒煤氣余熱回收所產(chǎn)的蒸汽，目前，焦?fàn)t上升管荒煤氣的余熱回收技術(shù)也日趨成熟，此回收工藝產(chǎn)生蒸汽的壓力最高可達(dá)5.0 MPa[8]，具體可根據(jù)脫苯工藝的參數(shù)需要而確定，且余熱回收量足以用來(lái)完全替代該管式加熱爐，無(wú)論是對(duì)于上述兩種脫苯工藝中的任何一種，都能滿足。此工藝也將節(jié)能與環(huán)保緊密地結(jié)合在了一起。

迄今為止，上述兩種替代途徑已有較多的成功使用案例。當(dāng)管式加熱爐被替代后，實(shí)際加熱貧油和富油的裝置簡(jiǎn)化為換熱設(shè)備，而換熱設(shè)備的熱有效利用率通常都在95%以上。為此，和上述案例相比，能量利用效率提高了25%以上，同時(shí)還去除了污染排放點(diǎn)，消除了環(huán)保危害。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前焦化工藝中燃用焦?fàn)t煤氣的管式加熱爐，效率低下，污染嚴(yán)重，且設(shè)備比重較大，已成為了焦化行業(yè)高效發(fā)展的重要障礙。為了使我國(guó)焦化行業(yè)保持綠色可持續(xù)地高效發(fā)展，管式加熱爐應(yīng)予以取締。可以采取節(jié)能與環(huán)保相結(jié)合的措施，將焦化工藝中以焦?fàn)t煤氣為燃料的管式加熱爐進(jìn)行替代，不僅能夠大幅提升焦化能效，而且還能提升環(huán)保效益，對(duì)于促進(jìn)焦化行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)的深入發(fā)展，意義重大，應(yīng)大力推廣執(zhí)行。