蒸汽轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段熱效率低的原因分析

(中海石油建滔化工有限公司，海南 東方 572600)

中海石油建滔化工有限公司甲醇裝置由DPT設(shè)計(jì)，采用低壓甲醇合成技術(shù)[1]，以天然氣為原料，設(shè)計(jì)日產(chǎn)2 500 t精甲醇。裝置投產(chǎn)至今已經(jīng)超過(guò)3 a，生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)蒸汽轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段熱效率沒(méi)達(dá)預(yù)期的效果，部分換熱盤(pán)管存在超溫現(xiàn)象，部分工藝氣經(jīng)盤(pán)管加熱后無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，為保護(hù)超溫盤(pán)管，裝置必須減負(fù)荷運(yùn)行，影響了產(chǎn)量?，F(xiàn)對(duì)蒸汽轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段熱效率低的原因作一分析，并尋求相應(yīng)的改進(jìn)措施。

圖1 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

1 蒸汽轉(zhuǎn)化爐介紹

本裝置蒸汽轉(zhuǎn)化爐采用頂燒式，輻射段爐膛內(nèi)共有448根轉(zhuǎn)化管，分成8排，每排56根；共有144個(gè)燒嘴，分成9排，每排16個(gè)。對(duì)流段煙道氣入口處有8個(gè)輔助燒嘴，輔助燒嘴后共有8組換熱器。E303/2和E303/1為高壓蒸汽過(guò)熱盤(pán)管，轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽流經(jīng)兩組盤(pán)管加熱至510 ℃進(jìn)入高壓蒸汽管網(wǎng)；E304為天然氣脫硫加熱器，將原料氣加熱至365 ℃，然后送往脫硫系統(tǒng)，將硫脫除到10×10-9以下；脫硫系統(tǒng)出來(lái)的原料氣與蒸汽混合后，經(jīng)E303/2和E303/1加熱至575 ℃，然后進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化爐，高碳烴轉(zhuǎn)化為輕組分；從預(yù)轉(zhuǎn)化爐出來(lái)的工藝氣流經(jīng)E302/2和E302/1加熱至630 ℃，然后送入蒸汽轉(zhuǎn)化爐生成甲醇合成氣。E305為燃燒空氣加熱器，空氣被加熱至379 ℃，然后送往燒嘴。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)流程示意如圖1。

2 蒸汽轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段存在的問(wèn)題

對(duì)流段熱效率較差，與設(shè)計(jì)工況不符。主要表現(xiàn)為對(duì)流段出口的排煙溫度偏高、E304和E305進(jìn)口的煙氣溫度偏高、預(yù)轉(zhuǎn)化爐入口工藝氣溫度偏低、蒸汽轉(zhuǎn)化爐入口工藝氣溫度偏低。對(duì)流段排煙溫度高造成E305超溫、引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高和振動(dòng)大、透平軸頭泵安全閥頻繁啟跳等問(wèn)題，影響了設(shè)備的安全運(yùn)行；為保護(hù)設(shè)備，裝置必須減負(fù)荷運(yùn)行，影響了產(chǎn)量。預(yù)轉(zhuǎn)化爐入口和蒸汽轉(zhuǎn)化爐入口工藝氣溫度偏低，造成蒸汽轉(zhuǎn)化爐的燃?xì)庥昧吭黾樱黾恿四芎摹?/p>

3 轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段熱效率差的原因分析

3.1 煙氣偏流的影響

煙氣偏流一般是指煙氣的流量、成分和溫度分布不均。其中，煙氣溫度分布不均是造成對(duì)流傳熱效率下降的重要原因。將對(duì)流段各組換熱器溫度的實(shí)際操作值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)換熱效率表現(xiàn)最差的主要是E303/2。據(jù)對(duì)流段的結(jié)構(gòu)，我們檢測(cè)了E303/2前后不同高度下的煙氣溫度，見(jiàn)表1。

表1 E303/2前后不同位置煙氣溫度情況

注：測(cè)溫位置是指測(cè)溫點(diǎn)與對(duì)流段底部的距離。

測(cè)溫從對(duì)流段頂部開(kāi)始，往下依次測(cè)量，E303/2前后各測(cè)了2組數(shù)據(jù)(東側(cè)、西側(cè))。序號(hào)1對(duì)應(yīng)的溫度偏低，這是因?yàn)閷?duì)流段為負(fù)壓，在測(cè)量過(guò)程中冷空氣進(jìn)入造成的；序號(hào)10對(duì)應(yīng)的溫度也不準(zhǔn)，因?yàn)闇y(cè)量時(shí)接觸到了保溫模塊；而序號(hào)2～9對(duì)應(yīng)的溫度偏差很小，表明E303/2前后的煙氣溫度分布很均勻， E303/2換熱效率差不是由煙氣溫度分布不均造成的。

3.2 過(guò)?？諝獾挠绊?/h3>

在實(shí)際的燃燒過(guò)程中，由于燒嘴結(jié)構(gòu)造成的空氣和燃料混合不均和轉(zhuǎn)化爐爐體的漏氣等因素，實(shí)際進(jìn)入的空氣量比理論空氣量要多，實(shí)際空氣量與理論空氣量的比值稱為過(guò)?？諝庀禂?shù)。過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)小，則燃燒不完全，浪費(fèi)燃料，甚至造成二次燃燒；過(guò)?？諝庀禂?shù)大，可以使燃料完全燃燒；過(guò)剩空氣系數(shù)過(guò)大，則會(huì)使煙氣攜帶的熱量增多，降低轉(zhuǎn)化爐的熱效率，造成對(duì)流段出口煙氣溫度上漲。本裝置過(guò)?？諝庀禂?shù)設(shè)計(jì)值約1.09，而實(shí)際值比設(shè)計(jì)值稍高，對(duì)對(duì)流段熱效率有一定的影響，但不會(huì)是造成對(duì)流段熱效率低的主要原因。

3.3 粉塵的影響

轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行一段時(shí)間后，對(duì)流段換熱盤(pán)管的翅片上會(huì)出現(xiàn)一層粉塵，這些粉塵會(huì)影響傳熱效果，也會(huì)造成對(duì)流段的阻力增加，必須提高引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速才能維持轉(zhuǎn)化爐爐膛正常的負(fù)壓。這些粉塵主要源自轉(zhuǎn)化爐耐火材料的粉化[2,3]，以及燒嘴處燃燒不充分和轉(zhuǎn)化管表面的氧化層脫落。本裝置轉(zhuǎn)化爐燒嘴處燃燒并不很充分，煙氣中含有較多的粉塵，經(jīng)常會(huì)在輻射段轉(zhuǎn)化管上形成非常明顯的附著物，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化管形成亮斑，粉塵隨煙氣進(jìn)入對(duì)流段后又附著在換熱盤(pán)管翅片上，影響傳熱效率。另外，由于本裝置過(guò)剩空氣系數(shù)控制稍高，煙氣中氧含量較高，煙氣側(cè)高溫爐管表面被氧化，爐管表面形成一層脆性的氧化物，這層氧化物與母體的熱膨脹系數(shù)不一樣，很容易脫落[4]。在檢修期間對(duì)對(duì)流段換熱盤(pán)管進(jìn)行清理，能顯著改善對(duì)流段的熱效率，每次清理后對(duì)流段的排煙溫度能降低約5 ℃，運(yùn)行約3個(gè)月后恢復(fù)到原狀。通過(guò)計(jì)算，此舉大約能節(jié)省280 km3的燃料天然氣。

3.4 預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑活性的影響

原料氣在預(yù)轉(zhuǎn)化爐中發(fā)生吸熱反應(yīng)，將高碳烴轉(zhuǎn)化為輕組分，能夠降低下游蒸汽轉(zhuǎn)化爐的負(fù)荷。在預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑使用初期，預(yù)轉(zhuǎn)化爐的溫降為60～80 ℃；隨著催化劑使用時(shí)間的增加，溫降將逐漸減小，這就意味著預(yù)轉(zhuǎn)化爐出口工藝氣溫度會(huì)逐漸上漲，則對(duì)流段的煙氣溫度會(huì)逐漸上

漲，此時(shí)裝置必須進(jìn)行調(diào)整，否則會(huì)造成對(duì)流段排煙溫度更高、E305出口超溫更嚴(yán)重。在實(shí)際生產(chǎn)中，隨著預(yù)轉(zhuǎn)化爐溫降的減小，裝置的負(fù)荷也在跟著降低，對(duì)本裝置而言，預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑的活性也是影響對(duì)流段熱效率的重要因素。

3.5 換熱盤(pán)管換熱面積不足的影響

通過(guò)對(duì)對(duì)流段的溫度情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)E303/2入口煙氣溫度與設(shè)計(jì)值一致時(shí)，E303/2出口工藝氣溫度偏低，而出口煙氣溫度則偏高，這表明 E303/2的換熱能力不夠。通過(guò)設(shè)計(jì)院模擬仿真，最終確認(rèn)E303/2換熱面積不足，造成其出口煙氣溫度比設(shè)計(jì)溫度高40～50 ℃，這是造成所有問(wèn)題的最主要原因。如果增加E303/2換熱面積，將轉(zhuǎn)化爐入口工藝氣溫度提至設(shè)計(jì)值，通過(guò)模擬計(jì)算，裝置能夠節(jié)能6～8 MW；同時(shí)，也能解決E303/2換熱面積不足造成的設(shè)備方面的問(wèn)題，裝置能夠滿負(fù)荷運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)轉(zhuǎn)化爐入口加熱器E303/2換熱面積不足，是造成蒸汽轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段熱效率低的最主要原因。對(duì)此，公司將進(jìn)行項(xiàng)目改造，改造后的節(jié)能增產(chǎn)效果將十分顯著。另外，根據(jù)對(duì)其他影響因素的分析，通過(guò)清理對(duì)流段換熱盤(pán)管上的粉塵、適當(dāng)降低過(guò)?？諝庀禂?shù)、及時(shí)更換預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑等手段也能有效提高蒸汽轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段的熱效率。

參考文獻(xiàn)：

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