遼河石化焚燒式CO余熱鍋爐的改造設(shè)計(jì)

【摘 要】目前，在煉油企業(yè)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(jié)能降耗具有十分重要的意義。余熱鍋爐的應(yīng)用對提高工業(yè)企業(yè)熱能有效利用，節(jié)約燃料，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)企業(yè)內(nèi)部動力熱平衡，完善工藝生產(chǎn)技術(shù)操作水平，提高產(chǎn)品質(zhì)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(shè)計(jì)，以期提高效率，降低成本。

【關(guān)鍵詞】遼河石化 余熱鍋爐 改造設(shè)計(jì)

我國“十二五”規(guī)劃綱要提出：單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低16%，單位國內(nèi)生產(chǎn)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(huán)境保護(hù)部最新制定的《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定煉油企業(yè)大氣污染物排放限值，有機(jī)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(chǎn)品的余熱以產(chǎn)生蒸汽的熱交換設(shè)備。催化裝置余熱鍋爐一般與裝置外取熱器和油漿蒸發(fā)器一起構(gòu)成裝置中壓蒸汽發(fā)生、過熱系統(tǒng)。余熱鍋爐除過熱自產(chǎn)飽和蒸汽外，還需過熱外取熱器和油漿蒸發(fā)器產(chǎn)生的飽和蒸汽，同時預(yù)熱外取熱器和油漿蒸發(fā)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(huán)、單汽包布置，該鍋爐配有完整的燃燒設(shè)備，可以適應(yīng)煉廠瓦斯、重油等多種燃料的燃燒。爐膛為光管水冷壁結(jié)構(gòu)，補(bǔ)燃燃料和CO再生煙氣從爐底火嘴進(jìn)入爐膛，爐膛底部布置六臺油氣聯(lián)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(shè)空氣預(yù)熱器，爐膛設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)存在的缺陷

（1）CO余熱鍋爐的爐體強(qiáng)度偏低；重催裝置擬新增煙氣脫硫脫氮系統(tǒng)，新增煙氣脫硫脫氮系統(tǒng)的煙氣阻力約4.0KPa，CO余熱鍋爐爐膛壓力將達(dá)到7.5KPa，受原CO余熱鍋爐結(jié)構(gòu)限制，CO余熱鍋爐的爐體強(qiáng)度和煙氣密封結(jié)構(gòu)均難以滿足要求。（2）爐膛底部存在煙氣泄露現(xiàn)象；爐膛底部存在煙氣泄露現(xiàn)象，爐膛底部結(jié)構(gòu)和燃燒器布置復(fù)雜，操作和維護(hù)均存在一定困難。（3）過熱器存在尾燃現(xiàn)象；該余熱鍋爐設(shè)計(jì)負(fù)荷為80t/h，由于全廠蒸汽平衡需要，運(yùn)行時負(fù)荷基本維持在48t/h左右，屬于低負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致爐膛溫度偏低，過熱器存在尾燃現(xiàn)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(jīng)常發(fā)生因省煤器腐蝕穿孔導(dǎo)致停爐的情況，嚴(yán)重影響余熱鍋爐長周期運(yùn)行。（5）受熱面積灰嚴(yán)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(jīng)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?guī)砗艽罄щy。（6）排煙溫度偏高；余熱鍋爐受熱面積灰嚴(yán)重后，受熱面吸熱量大大下降，導(dǎo)致余熱鍋爐排煙溫度偏高。余熱鍋爐在每次檢修清灰后運(yùn)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(nèi)容

2.1 改造目的

（1）提高余熱鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，確保新增脫硫脫氮裝置后CO鍋爐安全運(yùn)行。（2）重新設(shè)計(jì)爐底結(jié)構(gòu)，確保爐底密封和長周期安全運(yùn)行。（3）提高衛(wèi)燃帶高度，避免尾燃現(xiàn)象發(fā)生。（4）采用水熱媒技術(shù)，設(shè)置給水預(yù)熱器，利用低溫省煤器出口高溫水加熱省煤器進(jìn)口低溫水，防止省煤器露點(diǎn)腐蝕，確保余熱鍋爐長周期、安全、高效運(yùn)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(nèi)容

本次改造在CO余熱鍋爐主體受熱面（水冷壁、對流蒸發(fā)器）不變和主體鋼結(jié)構(gòu)基本不變的條件下進(jìn)行，改造后的CO余熱鍋爐既要適應(yīng)增設(shè)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(jié)構(gòu)詳見 圖1。

（1）改造后的CO鍋爐爐膛設(shè)計(jì)壓力提高至10kPa，確保新增脫硫脫氮裝置后CO鍋爐安全運(yùn)行。（2）對CO鍋爐爐膛底部進(jìn)行改造，燃燒器與CO煙氣進(jìn)口分開布置，便于對燃燒器進(jìn)行操作與維護(hù)，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(wèi)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(xiàn)象發(fā)生，確保CO鍋爐安全運(yùn)行。（4）拆除原CO鍋爐過熱器受熱面，在原位置布置新設(shè)計(jì)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(jìn)、出口集箱增設(shè)專門的煙氣密封結(jié)構(gòu)。（5）加固水冷壁和對流蒸發(fā)器穿墻管煙氣密封和爐墻護(hù)板，確保爐膛升壓后煙氣密封和安全運(yùn)行。（6）拆除原三組省煤器管束和爐墻護(hù)板，在該位置布置新設(shè)計(jì)的高溫、中溫、低溫省煤器模塊，新設(shè)計(jì)的省煤器模塊采用外保溫，熱壁結(jié)構(gòu)，確保煙氣密封。（7）采用水熱媒技術(shù)，設(shè)置給水預(yù)熱器，利用低溫省煤器出口高溫水加熱省煤器進(jìn)口低溫水，防止省煤器露點(diǎn)腐蝕，確保余熱鍋爐長周期、安全、高效運(yùn)行。（8）采用水熱媒技術(shù)，增設(shè)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(wěn)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(fā)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(yùn)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(jié)構(gòu)

2.3 改造后CO余熱鍋爐熱力計(jì)算匯總表

表一、改造后CO余熱鍋爐熱力計(jì)算匯總表

序號 名稱 單位 水冷壁

（利舊） 過熱器

（改造） 對流

蒸發(fā)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(zhì)流量 t/h ～ 51 ～ 46.9 71.9 71.9

5 介質(zhì)出口壓力 MPa 4.2 3.82 4.2 4.3 6.4 6.4

6 介質(zhì)入口溫度 ℃ 255 255 255 180 138 135

7 介質(zhì)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(jìn)口流量：90000 Nm3/h；瓦斯消耗量：1598Nm3/h。（2）自產(chǎn)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(yù)熱器設(shè)計(jì)性能參數(shù)匯總表

序號 名稱 單位 空氣換熱器

（新增） 給水預(yù)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(zhì)流量 28120 Nm3/h 71.9 t/h

5 介質(zhì)入口溫度 ℃ 20 104

6 介質(zhì)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(shè)備結(jié)構(gòu)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(jīng)條形噴口進(jìn)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(diǎn)火器點(diǎn)火，為了確保CO煙氣完全燃燒，避免煙氣尾燃，將衛(wèi)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(zhì)均為12Cr1MoVG，規(guī)格為Ф32×4mm，管夾材質(zhì)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(yùn)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(cè)墻預(yù)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(shè)噴水減溫器。噴水減溫器由筒體（DN300）、多孔噴管和保護(hù)套管組成，材質(zhì)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(jié)構(gòu)。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(zhì)均為20G/GB5310，規(guī)格為Φ42×4mm，翅片材料為ST12，管夾材質(zhì)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(yù)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(shè)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。空氣換熱器采用外保溫模塊化箱體結(jié)構(gòu)，箱體采用Q235-B制作?？諝鈸Q熱器采用蛇形螺旋翅片管結(jié)構(gòu)，基管Ф38×4，材質(zhì)為20G/GB5310，翅片材質(zhì)為ST12，集箱材質(zhì)為20G/GB5310，規(guī)格為Ф159×12。（5）給水預(yù)熱器；給水預(yù)熱器為標(biāo)準(zhǔn)U型管換熱器，型號為：BIU700-6.4/6.4-120-6/25-2 I。換熱管材質(zhì)為：10/GB9948，殼體材質(zhì)為Q345R。（6）吹灰器系統(tǒng)設(shè)計(jì)；過熱器和對流蒸發(fā)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(fā)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(shè)計(jì)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(lián)式脈沖激波吹灰器，同時增設(shè)反吹風(fēng)系統(tǒng)，在脈沖吹灰器停用時，通過反吹風(fēng)防止煙氣在吹灰器脈沖罐內(nèi)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(shù)據(jù)比較

表三、CO余熱鍋爐改造前后數(shù)據(jù)比較

序號 項(xiàng)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(fā)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(diǎn)

（1）余熱鍋爐采用模塊設(shè)計(jì)，現(xiàn)場安裝方便，節(jié)約安裝工期，降低安裝費(fèi)用。（2）余熱鍋爐省煤器及空氣換熱器采用優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、換熱效果好的特點(diǎn)。（3）采用水熱媒技術(shù)，通過設(shè)置給水預(yù)熱器，提高省煤器進(jìn)口低溫水，徹底防止省煤器露點(diǎn)腐蝕，確保余熱鍋爐長周期、安全、高效運(yùn)行。（4）采用水熱媒空氣換熱器，提高助燃空氣溫度，穩(wěn)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(jié)語

重催裝置CO余熱鍋爐通過技術(shù)改造后，從2013年6月30日運(yùn)行至今，一切正常，運(yùn)行效果良好，節(jié)能效果明顯，有效地降低了裝置能耗。達(dá)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(diǎn)腐蝕，確保余熱鍋爐長周期安全運(yùn)行。（3）降低排煙溫度，提高余熱鍋爐效率。

作者簡介：孫進(jìn)斌（1976—），男，陜西西安人，本科，畢業(yè)于西安交通大學(xué)，中級工程師，研究方向：余熱鍋爐的設(shè)計(jì)及改造。