芳烴聯合裝置加熱爐節能改造

韓文華

(中海油惠州石化有限公司,廣東 惠州 516086)

芳烴聯合裝置是煉油化工企業最大的耗能裝置,某石化企業940 kt/a芳烴聯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燃料氣消耗的55%。為進一步降低裝置運行能耗,該企業針對二甲苯分餾單元加熱爐熱效率低的問題,決定采用“95+高效超凈工業爐余熱回收技術”對加熱爐系統進行改造。

1 改造前加熱爐余熱回收系統

某石化企業940 kt/a芳烴聯合裝置包括二甲苯分餾、苯/甲苯分離及歧化烷基轉移、吸附分離、二甲苯異構化、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)各設置有一套余熱回收系統,F-401A/B設計負荷為126.39 MW,改造前排煙溫度為140.8 ℃,熱效率為92.76%;F-402A/B設計負荷為75.11 MW,改造前排煙溫度為140 ℃,熱效率為92.70%,兩爐共用一獨立煙囪排煙。改造前加熱爐余熱回收系統的簡要流程見圖1。

圖1 改造前加熱爐余熱回收系統簡要流程

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

燃料氣經分液罐脫除液體后至加熱爐燃燒,空氣經鼓風機升壓送至空氣預熱器,通過高頻焊螺旋翅片管與加熱爐爐頂250 ℃的高溫煙氣實現換熱,將空氣由環境溫度提高至入爐前的155 ℃,高溫煙氣降溫至140 ℃后經引風機抽出送至煙囪排放。改造前加熱爐余熱回收系統存在以下問題:(1)排煙溫度高,熱效率較低,維持在92.0%～92.8%,運行成本高;(2)燃料氣中總硫質量分數波動時,空氣預熱器存在短期內腐蝕泄露、堵塞等風險;(3)引風機存在結垢、腐蝕、振動等問題;(4)無二氧化硫減排手段,二氧化硫排放存在波動。

2 改造方案的技術特點

常規加熱爐僅采用預熱空氣的方式來回收利用煙氣余熱,設計熱效率一般低于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含量,不能有效地實現SO2、NOx、氯化物和顆粒物等污染物和雜質近零排放的目的。同時因為沒有從根源上減少煙氣中的露點腐蝕污染物和雜質,爐管及預熱器的低溫段表面在運行過程中會不斷吸附黏性污染物和雜質,造成低溫區域結垢嚴重,不利于加熱爐的長周期穩定運行。受以上因素影響,一般加熱爐的排煙溫度在120 ℃以上,以避免低溫煙氣中的冷凝水與煙氣中的含硫物質結合,對設備產生露點腐蝕。煙氣排煙溫度無法進一步降低,限制了加熱爐熱效率提升至95%的可能。不同于常規加熱爐余熱回收技術,“95+高效超凈工業爐余熱回收技術”的獨特之處在于采用了燃料氣預處理系統,有助于防止低排煙溫度導致露點腐蝕現象的發生,并通過燃料氣介質加熱的手段實現兩種介質的預熱,從而使得加熱爐熱效率可以提高到95%以上。

為了進一步提升芳烴二甲苯單元加熱爐的運行效率,減少能源消耗并降低SO2、NOx、氯化物和顆粒物等污染物排放,某石化企業利用2023年全廠停工大檢修的機會,對二甲苯加熱爐的余熱回收系統實施了改造。此次的改造方案主要有8項技術特點。

(1)突破常規,設置燃料氣復合阻蝕系統,從前端解決問題,對燃料氣進行精制處理,將燃料氣中的硫化物、含氮化合物、氰化物、氯化物等污染雜質進行去除和吸附,將露點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生銨鹽結晶體堵塞管道,進入加熱爐后可以實現潔凈燃燒,另外也杜絕了C5以上常溫液態組分和燃料氣帶液燃燒的問題,為長期穩定地提高加熱爐熱效率創造了有利條件[3]。

(3)由于燃料氣經過精制處理,SO2和顆粒物零排放,空氣預熱器低溫段產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,無需增加堿液系統來中和。

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

(5)采用兩段式預熱技術,一方面可以避免冷介質來源單一、受設備兩端傳熱溫差的限制;另一方面盡可能地保證風機始終處在理想的運行溫度工況,有利于維持動力系統的長周期持續運行。

(6)優化工藝流程,通過將引風機布置在低溫空氣預熱器前,解決引風機的腐蝕、結垢問題[4]。

(7)高溫段預熱器和低溫段預熱器均使用壓槽液膜板式結構,此種結構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,提高了設備的耐腐蝕能力。

(8)應用超低氮燃燒器,燃燒器采用了燃料分級、分段燃燒和爐內煙氣循環相結合的低NOx燃燒技術,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行有效完全燃燒,進一步降低NOx及顆粒物的生成。

3 改造后的加熱爐余熱回收系統

改造后加熱爐余熱回收系統的簡要流程見圖2。

圖2 改造后加熱爐余熱回收系統簡要流程

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,先后經過高溫空氣預熱器(HC401)、引風機(F401Y)和低溫空氣預熱器(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。經過鼓風機(F401G)加載后,冷空氣經由低溫和高溫預熱器與煙氣進行換熱,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,先后經過高溫空氣預熱器(HC403)、引風機(F402Y)和低溫空氣預熱器(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。經過鼓風機(F402G)加載后,冷空氣經低溫和高溫預熱器與煙氣進行換熱,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)進行二次加熱,燃料氣溫度由30 ℃加熱到210 ℃左右,然后去復合阻蝕劑系統進行精制處理,處理干凈的燃料氣再回到F401/F402爐膛燃燒。

3.4 主要新增設備

本次改造在確保改造效果的前提下,以盡量利舊現有設備和基礎為設計原則,主要新增設備見表1。

表1 主要新增設備

4 改造效果

2023年5月對復合阻蝕劑系統進行了活化,最終逐步完成二甲苯單元加熱爐余熱回收系統的投用。2023年6月委托第三方進行技術標定,標定結果顯示加熱爐F401A、F401B、F402A、F402B的熱效率分別為95.88%、95.83%、95.71%、95.69%,均達到熱效率高于95%的改造要求,具體數據見表2。

表2 加熱爐改造前后數據對比

實施95+高效節能升級改造后,加熱爐系統運行平穩,操作時波動小,抗沖擊能力強,滿足長周期運行的操作要求,各指標滿足設計要求。

(1)F-401和F-402系統熱效率提升明顯。與改造前相比,在F-401燃料總發熱量提升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%;在燃料總發熱量變化不大,且F402高、低溫空氣預熱器冷風旁路開度均超過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%。經測算,兩爐每年節約燃料氣5 048.4 t,節省燃料氣費用達1 716萬元。

(2)加熱爐95+技術投用后,F401/F402的CO和SO2排放值均為0,F401的氮氧化物排放質量濃度為49 mg/m3,F402的氮氧化物排放質量濃度為70 mg/m3,符合《石油煉制工業污染物排放標準》的規定。經測算,每年CO2減少排放11 721 t,氮氧化物排放減少4 181 kg。

5 結語

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