重油催化裂化CO鍋爐節(jié)能改造效果分析

馮曉濱（中國(guó)石油寧夏石化分公司）

中國(guó)石油寧夏石化分公司煉油廠260×104t/a重油催化裂化裝置中，設(shè)有2 臺(tái)國(guó)產(chǎn)燃燒式CO 余熱鍋爐。鍋爐正常運(yùn)行的熱量主要來(lái)自催化裝置再生煙氣余熱和助燃瓦斯氣體的燃燒放熱，產(chǎn)品為過(guò)熱中壓蒸汽。除生產(chǎn)蒸汽外，該鍋爐還預(yù)熱外取熱器和油漿蒸發(fā)器汽包給水，以及過(guò)熱所產(chǎn)飽和蒸汽[1]。

該CO 余熱鍋爐設(shè)計(jì)上采用了新型爐體密封結(jié)構(gòu)，消除鍋爐煙氣泄漏；為防止省煤器露點(diǎn)腐蝕，選用壓力式除氧器，提高省煤器進(jìn)水溫度等。但通過(guò)在裝置實(shí)際運(yùn)行中認(rèn)真分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該爐在發(fā)汽能力、蒸汽品質(zhì)、運(yùn)行效率、熱損耗、安全性等諸多方面都存在不同程度的問(wèn)題，運(yùn)行狀況偏離設(shè)計(jì)指標(biāo)較大，這些問(wèn)題的存在，也會(huì)對(duì)后續(xù)進(jìn)行脫硫、脫硝等工藝技術(shù)改造產(chǎn)生不利影響。因此針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)該爐子進(jìn)行技術(shù)改造就顯得十分迫切。

1 CO余熱鍋爐改造前存在的主要問(wèn)題

對(duì)于煉油廠存在的一些能耗偏高的問(wèn)題，公司積極聯(lián)系中石油規(guī)劃總院等單位，借助外部先進(jìn)的技術(shù)和優(yōu)秀的專家平臺(tái)，采用國(guó)際先進(jìn)的過(guò)程模擬軟件和煉化能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，對(duì)催化裂化等主要裝置以及燃動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和數(shù)據(jù)收集與處理。通過(guò)模型搭建、分析評(píng)價(jià)等手段，充分挖掘識(shí)別節(jié)能機(jī)會(huì)，最終找出不投資或少投資的能量系統(tǒng)優(yōu)化方案，其中對(duì)CO 余熱鍋爐存在的主要問(wèn)題總結(jié)如下：

◇再生煙氣處理能力偏低，約5%～20%的含CO 再生煙氣直接對(duì)空排放，同時(shí)排煙溫度也較設(shè)計(jì)值170 ℃偏高近80 ℃，導(dǎo)致鍋爐效率受到嚴(yán)重影響；

◇爐膛燒嘴安裝位置以及燒嘴數(shù)量匹配不合理，導(dǎo)致?tīng)t子燃燒不好，產(chǎn)生了燃燒不均勻和爐膛超溫等問(wèn)題；

◇發(fā)汽量偏低，只有20～40 t/h，且存在蒸汽過(guò)熱不足的問(wèn)題，過(guò)熱蒸汽溫度約400 ℃，達(dá)不到設(shè)計(jì)值450 ℃，造成蒸汽品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響生產(chǎn)裝置中汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行；

◇吹灰效果不好，存在受熱面積灰問(wèn)題；

◇省煤器易發(fā)生腐蝕泄漏，制約裝置和設(shè)備的安全長(zhǎng)周期運(yùn)行。

2 確定目標(biāo)，提出對(duì)策并加以論證

對(duì)于上述CO 余熱鍋爐的具體問(wèn)題，形成了《260×104t/a重油催化裝置CO余熱鍋爐節(jié)能改造方案與設(shè)計(jì)說(shuō)明》，該方案作為煉油裝置6 項(xiàng)節(jié)能技術(shù)改造方案之一，被列入了公司能量系統(tǒng)優(yōu)化項(xiàng)目中；同時(shí)，該項(xiàng)目也是中國(guó)石油“煉化能量系統(tǒng)優(yōu)化研究”重大科技專項(xiàng)的重要研究?jī)?nèi)容，由規(guī)劃總院和寧夏石化分公司共同承擔(dān)，寧夏石化分公司作為主體單位。

通過(guò)認(rèn)真剖析問(wèn)題，對(duì)該CO 余熱鍋爐節(jié)能改造確定如下目標(biāo)：

◇提高CO余熱鍋爐再生煙氣處理能力，使其再生煙氣的能量得到全部回收；

◇改善燃燒狀況，避免爐膛超溫；

◇提高蒸汽過(guò)熱能力，確保CO 鍋爐在1 個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)（3年）的蒸汽品質(zhì)；

◇完善省煤器結(jié)構(gòu)，消除省煤器泄漏隱患；◇完善吹灰措施，提高余熱鍋爐換熱效率；◇降低排煙溫度，提高余熱鍋爐效率，減小煙氣脫硫系統(tǒng)的操作難度。

2.1 改造計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)來(lái)源為260×104t/a 催化裝置原設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)。余熱鍋爐改造設(shè)計(jì)依據(jù)[2]見(jiàn)表1。

表1 CO余熱鍋爐改造設(shè)計(jì)依據(jù)

依據(jù)表1設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并充分借鑒其他企業(yè)催化余熱鍋爐改造的成功經(jīng)驗(yàn)，提出技術(shù)改造路線如下：

1） 將 原 單 臺(tái) 鍋 爐2 個(gè)1 700 m3/h（0 ℃，101.325 kPa）燃?xì)饬康臒?，改造?個(gè)150～650 m3/h燃?xì)饬康男?，使入爐CO 煙氣引燃均勻，既縮短了CO 煙氣的著火時(shí)間，又讓爐膛燃燒更加均勻，促成CO 煙氣在爐膛內(nèi)的完全燃燒。另外，考慮后續(xù)脫硫、脫硝改造后爐膛背壓會(huì)有所提高，該燃燒器的結(jié)構(gòu)形式和布置則十分注重背壓影響，利于燃燒穩(wěn)定。

2）增設(shè)水熱媒空氣換熱器，利用省煤器出口高溫水加熱助燃空氣，助燃空氣溫度的提高可優(yōu)化鍋爐再生CO 煙氣的燃燒條件，使煙氣在爐膛中燃燒更加迅速、穩(wěn)定，并可消除尾燃現(xiàn)象，避免爐膛超溫。

3）增設(shè)外來(lái)飽和蒸汽前置低溫過(guò)熱器，提高余熱鍋爐的蒸汽過(guò)熱能力。在CO 鍋爐2 組對(duì)流蒸發(fā)受熱面后，增設(shè)1組前置外來(lái)飽和蒸汽低溫過(guò)熱器，使外來(lái)飽和蒸汽先經(jīng)過(guò)該換熱器過(guò)熱，蒸汽焓值提高后再與余熱鍋爐自產(chǎn)蒸汽混合，使鍋爐蒸汽更好地過(guò)熱。

通過(guò)論證，新增的低溫過(guò)熱投用是從CO 鍋爐檢修后的清灰初期開(kāi)始，此時(shí)煙氣進(jìn)口溫度較低，僅有340～360 ℃，飽和蒸汽溫度為255 ℃。該時(shí)期原過(guò)熱受熱面積灰也少，過(guò)熱能力能滿足運(yùn)行要求，此時(shí)前置低溫過(guò)熱器吸熱很少，不會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱蒸汽超溫；隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，原過(guò)熱器受熱面逐漸積灰，過(guò)熱能力逐漸下降，新增前置低溫過(guò)熱器的入口煙氣溫度就會(huì)逐漸升高，前置低溫過(guò)熱器的過(guò)熱蒸汽作用就會(huì)凸顯，使CO 余熱鍋爐在整個(gè)運(yùn)行周期的過(guò)熱能力得到優(yōu)化，從而保證該周期（3年）的蒸汽品質(zhì)。通過(guò)合理科學(xué)的理論計(jì)算，改造后過(guò)熱蒸汽溫度可以穩(wěn)定在435 ℃±15 ℃。推薦新增前置低溫過(guò)熱器采用翅片管為傳熱元件，結(jié)構(gòu)形式采用模塊箱式結(jié)構(gòu)。

4）將省煤器由原光管式改進(jìn)為模塊箱翅片管式，完善省煤器結(jié)構(gòu)，避免省煤器泄漏。為增加換熱面積、強(qiáng)化換熱，降低尾部煙氣阻力，進(jìn)行翅片管替代原光管式省煤器的技術(shù)改進(jìn)，并將省煤器形式改為模塊箱式，采用模塊箱式結(jié)構(gòu)可以消除省煤器換熱管與集箱結(jié)合處的熱應(yīng)力，避免省煤器發(fā)生泄漏。建議受壓元件要實(shí)現(xiàn)工廠化制造，嚴(yán)格要求產(chǎn)品質(zhì)量和安裝工期[3]。

5）完善余熱鍋爐各受熱面吹灰措施，提高余熱鍋爐受熱面換熱效果。每臺(tái)余熱鍋爐在各受熱面原設(shè)置為每組2臺(tái)，共17組的激波吹灰器，吹灰器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及分布不合理，數(shù)量也偏少，吹灰效果不好，直接導(dǎo)致余熱鍋爐運(yùn)行過(guò)程中排煙溫度過(guò)高。

對(duì)吹灰器結(jié)構(gòu)改進(jìn)和位置的重新布置可包括以下幾個(gè)方面：布置4臺(tái)伸縮式蒸汽吹灰器在水保護(hù)段受熱面（左右側(cè)各2 臺(tái)），高溫過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器、高溫蒸發(fā)器、低溫蒸發(fā)器各布置8臺(tái)脈沖激波吹灰器，前置低溫過(guò)熱器布置8 臺(tái)激波吹灰器，3 組省煤器模塊各布置8 臺(tái)激波吹灰器。每臺(tái)鍋爐共計(jì)布置68臺(tái)吹灰器，從根本上確保吹灰效果。

結(jié)合改造后鍋爐現(xiàn)場(chǎng)的條件、各受熱面的結(jié)構(gòu)形式，以及煙氣正壓等特點(diǎn)，建議吹灰器系統(tǒng)采用防爆型脈沖激波吹灰器（以瓦斯為動(dòng)力源）。該防爆型并聯(lián)式脈沖激波吹灰器宜增設(shè)反吹風(fēng)系統(tǒng)，以防止煙氣在吹灰器脈沖罐內(nèi)冷凝成酸液，影響設(shè)備的使用壽命。脈沖激波吹灰器應(yīng)采取有效的防震措施，防止運(yùn)行過(guò)程中對(duì)爐墻的損壞。

6）改進(jìn)和完善余熱鍋爐過(guò)熱器和蒸發(fā)器進(jìn)出集箱結(jié)構(gòu)、穿墻管煙氣密封結(jié)構(gòu)，提高爐墻煙氣密封性和脫硫的耐壓能力。

表2 CO余熱鍋爐熱力計(jì)算匯總（單臺(tái)爐）

2.2 鍋爐改造相關(guān)性能參數(shù)測(cè)算

CO余熱鍋爐的相關(guān)性能參數(shù)測(cè)算見(jiàn)表2，水熱媒空氣換熱器設(shè)計(jì)性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 水熱媒空氣換熱器設(shè)計(jì)性能參數(shù)

2.3 鍋爐改造工藝流程

2.3.1 中壓蒸汽流程

外來(lái)飽和蒸汽進(jìn)入新增前置低溫過(guò)熱器預(yù)熱，溫度由255 ℃提高到310 ℃左右，然后與鍋爐自產(chǎn)飽和蒸汽混合，混合后溫度約為289 ℃，隨后進(jìn)入鍋爐原過(guò)熱器過(guò)熱，余熱鍋爐過(guò)熱器出口蒸汽溫度達(dá)到435 ℃。

2.3.2 給水流程

130 ℃除氧水進(jìn)低溫省煤器預(yù)熱，低溫省煤器出口的209 ℃高溫水分成兩路：一路經(jīng)鍋爐汽包給水調(diào)節(jié)閥進(jìn)入空氣預(yù)熱器加熱空氣，然后進(jìn)入高溫省煤器進(jìn)行預(yù)熱，最后進(jìn)余熱鍋爐汽包；另一路進(jìn)裝置汽包給水總管，給外取熱器、油漿蒸發(fā)器汽包上水[5]。

2.3.3 空氣流程

鼓風(fēng)機(jī)出口的助燃空氣進(jìn)新增空氣換熱器，加熱至180 ℃，然后分別進(jìn)改造后的6 個(gè)燃燒器風(fēng)箱和再生煙氣的空氣入口。

2.3.4 煙氣流程

本次改進(jìn)煙氣流程未做大的變更。但考慮后續(xù)脫硫的改造，煙道阻力會(huì)有增加，建議系統(tǒng)耐壓密封性能應(yīng)不小于10 kPa，改造時(shí)對(duì)煙道進(jìn)行密封加固，引風(fēng)機(jī)要重新進(jìn)行核算是否滿足要求。針對(duì)國(guó)家環(huán)保要求的逐步嚴(yán)格，后續(xù)還需進(jìn)行脫硝改造，應(yīng)及時(shí)確定方案。

2.3.5 給水泵改造

原鍋爐給水泵設(shè)計(jì)打量為185 m3/h，為2開(kāi)1備設(shè)置，2 臺(tái)鍋爐設(shè)計(jì)總負(fù)荷為240 m3/h。在該負(fù)荷下運(yùn)行，直接導(dǎo)致高溫省煤器出口有超過(guò)100 t 的高溫?zé)崴祷爻跗?，極易造成除氧器冒水，還存在負(fù)荷不足的問(wèn)題。具體建議是將老裝置的2臺(tái)打量85 m3/h的給水泵進(jìn)行利舊，正常運(yùn)行采取1臺(tái)大泵和1臺(tái)小泵的運(yùn)行模式，給水量約為270 m3/h，可以滿足工藝要求且有一定的余量，可保證裝置穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

通過(guò)對(duì)CO 余熱鍋爐改進(jìn)的方案實(shí)施后，預(yù)測(cè)產(chǎn)生下列效果：

1）提高CO余熱鍋爐再生煙氣處理能力，回收全部再生煙氣熱量。改造前大約10%的放空再生煙氣能量得以回收，估算可回收熱量8 064 kW，多發(fā)過(guò)熱飽和中壓蒸汽（3.82 MPa，435 ℃）10.6 t/h。按照中壓蒸汽100 元/t 的價(jià)格，年運(yùn)行8 400 h 進(jìn)行計(jì)算，可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益890萬(wàn)元。

表4 采集標(biāo)定數(shù)據(jù)

2）通過(guò)改造CO余熱鍋爐排煙溫度可由250 ℃降低至168 ℃，粗算可回收熱量12 570 kW，多產(chǎn)過(guò)熱蒸汽（3.82 MPa，435 ℃）16.5 t/h。按照中壓蒸汽100 元/t 的價(jià)格，年運(yùn)行8 400 h 進(jìn)行計(jì)算，可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益1 386萬(wàn)元。

通過(guò)改造可直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約為2 276 萬(wàn)元，該工程總預(yù)計(jì)投資2 484 萬(wàn)元，靜態(tài)投資回收期為1年；并且消除鍋爐省煤器的泄漏，減少鍋爐停爐搶修所帶來(lái)的收益還尚未考慮。

為此，預(yù)測(cè)該項(xiàng)目實(shí)施后可達(dá)到節(jié)能降耗、環(huán)保增效的目的，使裝置能耗明顯下降，取得經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的顯著效益。

3 實(shí)施改造及效果驗(yàn)證

寧夏石化分公司充分利用2014年8月煉油廠大檢修的有利機(jī)會(huì)，組織實(shí)施了有針對(duì)性的技術(shù)改造方案，公司其他相關(guān)部門予以積極配合，中油一建公司具體負(fù)責(zé)施工作業(yè)，有力地保證了工程的質(zhì)量與進(jìn)度，施工期控制在30天左右。

方案中的6項(xiàng)措施在這次改造中得以實(shí)施，對(duì)余熱鍋爐系統(tǒng)的5 部分流程和設(shè)備進(jìn)行了改造施工，主要包括：拆除原瓦斯燒嘴，重新布置6個(gè)小流量燒嘴；拆除原光管式省煤器，在合適位置設(shè)置前置低溫過(guò)熱器、高溫省煤器，增加空氣換熱器并改造相應(yīng)汽水管路；前置低溫過(guò)熱器、省煤器和空氣加熱器均采用模塊箱式結(jié)構(gòu)，受壓元件焊接、拍片、檢驗(yàn)和整體試壓全部在制造廠完成，確保設(shè)備質(zhì)量的可靠；對(duì)余熱鍋爐尾部受熱面進(jìn)行改造；將汽水控制系統(tǒng)并入催化DCS操作。

為了合理評(píng)定改造后的實(shí)際效果，公司分別在改造實(shí)施前的2 個(gè)時(shí)段：2013 年11 月1 日—30 日、2013 年12 月1 日—31 日，和改造實(shí)施后的兩個(gè)時(shí)段：2014 年11 月1 日—30 日、2014 年12 月1 日—31日，進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。并選取生產(chǎn)方案相同或相近且工況穩(wěn)定的時(shí)段，進(jìn)行連續(xù)每4 h 1 次的采樣。采集標(biāo)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

改造后余熱鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀況：

1）CO 煙氣全部進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行回收利用，旁通閥已完全關(guān)閉，杜絕煙氣的放空損失，排煙溫度也由原237 ℃降低到170 ℃，鍋爐熱效率顯著提高；

2）爐膛溫度得到有效控制，控制在900 ℃，消除爐膛局部超溫的安全隱患；

3）蒸汽過(guò)熱溫度由418 ℃提高到430 ℃，中壓蒸汽品質(zhì)得到優(yōu)化，降低燃料氣消耗約230 m3/h；

4）CO 鍋爐產(chǎn)汽量明顯增加，2 臺(tái)鍋爐在正常負(fù)荷下，可多產(chǎn)中壓蒸汽約60 t/h；

5）CO 鍋爐省煤器實(shí)際水溫提高至130 ℃，消除省煤器的露點(diǎn)腐蝕。

項(xiàng)目實(shí)施后受裝置負(fù)荷的影響，中壓蒸汽有所過(guò)剩，其中部分用于發(fā)電機(jī)組發(fā)電，部分經(jīng)減溫減壓使用。根據(jù)公司生產(chǎn)運(yùn)行部門考慮煉油廠整體運(yùn)行情況進(jìn)行的核定，該項(xiàng)目實(shí)施后，全廠綜合能耗約降低0.5 kgeo/t（千克標(biāo)油/噸），可實(shí)現(xiàn)年節(jié)能量3 500 t 左右。同時(shí)，財(cái)務(wù)部門通過(guò)對(duì)燃料成本的核算，測(cè)算年可增效約5 040 萬(wàn)元。評(píng)價(jià)項(xiàng)目達(dá)到了節(jié)能降耗、環(huán)保增效的目的，裝置能耗下降明顯，經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益顯著。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目實(shí)施后的運(yùn)行總結(jié)和效果評(píng)價(jià)，此次改造對(duì)公司節(jié)能降耗、降本增效意義重大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)煉油裝置普遍能耗較國(guó)外煉油企業(yè)偏高，其中主要差距在于技術(shù)水平和節(jié)能管理水平方面。為此，我們必須盡快適應(yīng)新的形勢(shì)發(fā)展，在加強(qiáng)科學(xué)管理的同時(shí)積極推廣和應(yīng)用國(guó)內(nèi)外已有成功經(jīng)驗(yàn)的新工藝、新技術(shù)、新材料、新設(shè)備，對(duì)現(xiàn)有裝置和工藝進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造。本次寧夏石化分公司煉油廠對(duì)CO 余熱鍋爐進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造所取得的成功，也會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)同等規(guī)模、采用類似技術(shù)的煉油企業(yè)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造提供很好的借鑒。