粗苯精制管式加熱爐改造

劉慶新

(云南大為恒遠(yuǎn)化工有限公司，云南 曲靖 655338)

云南大為恒遠(yuǎn)化工有限公司 123萬t/a 粗苯加氫精制裝置采用德國伍德低溫加氫莫菲蘭萃取工藝，生產(chǎn)純苯、甲苯、二甲苯等產(chǎn)品。裝置加氫單元熱源采用一臺管式加熱爐以焦?fàn)t氣為燃料氣為系統(tǒng)提供熱源。管式爐存在著諸如污染大、加熱穩(wěn)定性差、熱效率低等弊端，尤其是熄火以及溫度調(diào)控滯及精度低，嚴(yán)重制約系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，為此需對加熱系統(tǒng)其進(jìn)行改造。

1 原管式爐運行存在的主要問題

1.1 燃燒后煙氣排放超標(biāo)

加熱爐使用焦?fàn)t煤氣為熱源，通過焦?fàn)t煤氣的燃燒產(chǎn)生熱能，由于焦?fàn)t煤氣中含有硫、氮、焦油、苯、萘等多種有毒有害物質(zhì)，經(jīng)燃燒后轉(zhuǎn)化為SO2、NOx等通過煙囪排放至大氣中，造成對大氣的污染。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部GB/T16171—2012《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》粗苯管式爐、半焦烘干和氨分解爐等燃用焦?fàn)t煤氣的設(shè)施對煙氣SO2排放限值為 100 mg/m3，在正常穩(wěn)定工況下采購的焦?fàn)t煤氣無機硫質(zhì)量濃度≤150 mg/m3(以H2S計)、有機硫質(zhì)量濃度<200 mg/m3(濕法脫硫可去除無機硫，無法有效控制有機硫含量)。無機硫按照H2S計算，150 mg/m3相當(dāng)于排放SO2約 280 mg/m3，有機硫按CS260%，COS 20%，硫醚、噻吩等20%估算，200 mg/m3相當(dāng)于排放SO2為 250 mg/m3，總排放SO2為 530 mg/m3。顯然焦?fàn)t煤氣管式爐的污染物排放已然超過國家排放限額標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 增加碳排放

焦?fàn)t煤氣含有H2(55%～60%,體積分?jǐn)?shù)), CH4(23%～27%,體積分?jǐn)?shù)), CO(5%～8%,體積分?jǐn)?shù)), CO2(1.5%～3.0%,體積分?jǐn)?shù)), N2(3～7%,體積分?jǐn)?shù)), O2(<0.5%,體積分?jǐn)?shù)), C2H4(2～4%,體積分?jǐn)?shù))；其燃燒煙氣排放物以H2O、CO2為主，其中CO2約占煤氣燃燒產(chǎn)物的30%。不使用焦?fàn)t煤氣加熱時，按照原加熱爐 450 m3/h 焦?fàn)t煤氣用量計算，可減少溫室氣體CO2排放約為 135 m3/h，即可減少CO2排放量 1900 t/a。

1.3 工藝調(diào)整滯后以及調(diào)控精度低

除了對環(huán)境的影響以外，以焦?fàn)t煤氣作為熱源的加熱爐在生產(chǎn)運行中還存在以下弊端：①加熱爐使用空氣助燃，大部分不可燃的煙氣通過煙囪帶走大量的熱，排煙熱損失占總損失的70%～80%[1]，熱能浪費嚴(yán)重；②加熱爐處于焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)末端，常出現(xiàn)煤氣熱值偏低、壓力波動、帶水的情況，導(dǎo)致加熱系統(tǒng)波動，需要操作人員時刻緊盯煤氣壓力及時手動調(diào)節(jié)閥門開度，如果操作不及時會使溫度大幅波動，嚴(yán)重時甚至熄火導(dǎo)致連鎖系統(tǒng)啟動繼而引發(fā)緊急停車，影響生產(chǎn)穩(wěn)定運行[2]；③煤氣熱值偏低時還會使煤氣用量大幅增高，溫度控制滯后且控制精度低，對人員操作要求高。

1.4 影響系統(tǒng)穩(wěn)定和安全

為了保障系統(tǒng)安全，加熱爐聯(lián)鎖了安全自動控制系統(tǒng)，點火時常由于煤氣帶水、末端煤氣可燃成分低等各種因素造成點火失敗而啟動聯(lián)鎖跳車，存在較大安全風(fēng)險[3]。

2 技改方案比選

針對粗苯管式爐加熱爐中存在的問題，本研究提出了兩種更改熱源的改進(jìn)方案，一是電加熱方式；二是蒸汽加熱方式。

2.1 安全性

電加熱存在高溫下電氣設(shè)備加速老化問題，安全性較蒸汽加熱低，因此，采用電加熱的方式對管式爐進(jìn)行改造時，為了確保生產(chǎn)系統(tǒng)安全性，需定期對電加熱設(shè)備進(jìn)行檢修和維護(hù)；其次，由于燃?xì)夂驼羝訜釥t均需根據(jù)熱源壓力及氣體載熱量進(jìn)行調(diào)控，調(diào)控精度不如電力精準(zhǔn)，因此使用電力熱源更易操作，降低了人為誤操作的風(fēng)險。

2.2 經(jīng)濟性

影響加熱爐運行成本最為關(guān)鍵的因素是加熱熱源的選擇，因此根據(jù)生產(chǎn)過程循環(huán)氣的工藝條件參數(shù)進(jìn)行電加熱與蒸汽加熱成本測算[4]對比結(jié)果見表1。

表1 電加熱與蒸汽加熱成本對比表

按實際值經(jīng)查詢可知：

加熱器入口(P1=2.759 MPa(g)，T=210 ℃)時混合物比熱Cp1=2.633 kJ/(kg·K)；焓值為H1=1042.5 kJ/kg，加熱器出口(P2=2.659 MPa(g)，T=210 ℃)時混合物比熱Cp2=2.793 kJ/(kg·K)；焓值為H2=1219.0 kJ/kg，故加熱器凈加熱功率為：

P=15571.7 kg/h×(1219.0-1042.5)kJ/kg=
2 748 405.05 kJ/hr=763.4 kW

2.考慮加熱器熱損失及電加熱效率，取綜合電能利用率為0.85，同時考慮20%安全裕度，則：

P′=763.4/0.85×1.2 kW=1077.7 kW

因此電加熱器電功率取 1100 kW 較為適宜。

每小時用電費用=1100度×0.4元/度=440元/h

3. 每小時耗蒸汽量計算(高壓過熱蒸汽轉(zhuǎn)化為中壓蒸汽效率取值70%)

高壓飽和蒸汽(4.7 MPa/260 ℃焓值 2799.9 KJ/kg)加熱循環(huán)氣后變?yōu)榈蛪猴柡驼羝?0.8 MPa/170 ℃焓值2768.4 KJ/kg)，焓值降低為：

H降=2799.9-2768.4=31.5 KJ/kg

設(shè)高壓過熱蒸汽每小時用量為m，則

P=H降×m×70%

2748405.05 KJ/hr=31.5 KJ/kg×m×70% →m=124.64 t/h

高壓蒸汽與低壓蒸汽價格差為：116-112=4元

每小時蒸汽使用費：124.64×4=498.56元/h

經(jīng)測算，蒸汽加熱較電加熱費用高58.56元/h。

2.3 可行性

生產(chǎn)現(xiàn)場有約 500 m2的空間可安裝防爆電加熱爐，加裝配電柜后園區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷也能滿足使用要求。如果使用蒸汽熱源要考慮使用后的蒸汽或者熱水的回收、處理問題，加之現(xiàn)有園區(qū)條件下，電網(wǎng)運行穩(wěn)定性較蒸汽管網(wǎng)穩(wěn)定性高，更有利于生產(chǎn)穩(wěn)定調(diào)節(jié)，而且使用清潔能源無廢氣、廢水處理問題。因此，建議使用電力熱源改造原管式加熱爐。

2.4 項目實施前后對比

1)經(jīng)改造后，可節(jié)約 450 m3/h 的焦?fàn)t煤氣用量；

2)經(jīng)改造投運后，由于熱源的改變，可使加熱爐的熱效率由原來的焦?fàn)t煤氣加熱爐的約30%增加至電加熱的不低于85%，由于加熱效率大幅度提高，經(jīng)初步測算，僅此一項可降低熱源成本2～5元/t(粗苯)，按8萬t/a的實際加工量計算，每年可節(jié)約生產(chǎn)成本16～40萬元/年，運行情況見表2。

表2 改造前后運行狀況對比

改造后控制系統(tǒng)控制精度提高，降低了操控難度和操作風(fēng)險。

3)實現(xiàn)減排排溫室氣體 1900 t/a。每年可以減少SO2排放量 1.71 t。

4)運行控制相應(yīng)更為及時，響應(yīng)時間從 15 min 縮短至 5 min，設(shè)定控制溫度后基本能實現(xiàn)溫度自動控制，系統(tǒng)溫度波動范圍縮小，無需員工時刻緊盯控制溫度，大幅降低勞動強度，減少人員操作技能水平差異帶來的對系統(tǒng)運行的影響。

5)大幅提高了一次點火成功率，自從改造后沒有再出現(xiàn)過開車點火失敗的現(xiàn)象。