任正時,王國偉

(中國石油遼河石化分公司,遼寧　盤錦　124022)

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加熱爐組合式水熱媒空預器在延遲焦化裝置的應用

任正時,王國偉

(中國石油遼河石化分公司,遼寧盤錦124022)

延遲焦化工藝已成為煉油廠重油加工提高輕質(zhì)油收率和生產(chǎn)石油焦的主要加工工藝[1]。而加熱爐是焦化裝置關鍵路徑上的核心設備之一，其工程設計技術(shù)水平和操作狀態(tài)直接關系到整個延遲焦化裝置的安穩(wěn)長滿優(yōu)運行[2]。實際生產(chǎn)運行中焦化加熱爐的煙氣余熱回收系統(tǒng)就是維持加熱爐安全穩(wěn)定高效長周期的重要組成部分[3-4]，伴隨人類對節(jié)能環(huán)保意識的不斷提高，很多專家學者對石化燃料產(chǎn)生的煙氣及預熱的處理利用提出很多方案建議，顯然這對推動人類生活品質(zhì)提高和資源利用效率提升有重要積極作用，所以針對這一趨勢科學地對原有的裝置進行改造升級有其必要性和現(xiàn)實意義[5-7]。遼河石化公司100萬t/年延遲焦化裝置于2004年9月20日正式投產(chǎn)，是國內(nèi)第一套設計以遼河超稠油為主要原料直接進行延遲焦化技術(shù)加工的裝置，加熱爐煙氣余熱回收設備采用熱管空預器加熱入爐助燃空氣。自2008年10月9日開工運行后不久，由于高溫端熱管失效造成熱管空預器換熱效果明顯變差，熱風出口溫度僅為67℃左右。11月26日更換完部分新熱管后，換熱效果有所提高，但經(jīng)過一段時間，部分熱管逐漸失效，換熱效果逐漸下降。針對熱管空氣預熱器失效快壽命短的問題對加熱爐安全平穩(wěn)高效造成的威脅，2011年8月大檢修期間將空氣預熱器更換為組合式水熱媒空預器。實際運行效果分析表明，改造后的組合式水熱媒空預器運行良好，實現(xiàn)了加熱爐高效率運行，達到了節(jié)能降耗、降本增效的目的，特別是解決了改造前空氣預熱器迫于低溫露點腐蝕和爆管失效的問題困擾。本文就組合式水熱媒空預器的工作原理、主要設備結(jié)構(gòu)和性能評價以及長周期運行效果做詳細分析和討論。

1組合式水熱媒空預器工作原理及優(yōu)勢分析

1.1　組合式水熱媒空預器的工作原理

組合式水熱媒空預器采用無露點腐蝕水熱媒技術(shù)方案，由高溫段空預器和低溫段水熱媒空預器構(gòu)成，它將三個換熱器組合成一有機整體——組合式水熱媒空預器，其工藝流程圖如圖1所示。

圖1　組合式水熱媒空預器工藝流程圖

高溫空預器為擾流子空預器，主要是在換熱管內(nèi)增設了擾流片，增加管內(nèi)流動擾動，強化換熱，提高管內(nèi)換熱系數(shù)。本次設計的擾流子空預器，換熱管水平布置，管內(nèi)走空氣，管內(nèi)布置擾流子，可以提高空氣側(cè)換熱系數(shù)。殼側(cè)走煙氣，便于清灰。高溫段采用擾流子空預器結(jié)構(gòu)可以徹底解決熱管式空預器超溫失效、爆管等缺陷，又可降低空預器造價。

低熱段水熱媒空預器主要由水熱媒煙氣換熱器、水熱媒空氣換熱器、兩臺熱水循環(huán)泵(一開一備)及相應的循環(huán)水管道等組成，利用裝置現(xiàn)有帶壓除氧水(1.2～2.5 MPa)作為中間熱載體在煙氣換熱器中吸收熱量后，被送入空氣換熱器中加熱冷風釋放熱量后，再被送入水熱媒煙氣換熱器吸收煙氣余熱，形成閉式循環(huán)熱水媒系統(tǒng)。在水熱媒空氣換熱器中被加熱的空氣然后送到高溫煙氣段的擾流子空氣預熱器進一步被加熱后進入加熱爐用于瓦斯氣助燃空氣。

水熱媒系統(tǒng)中還設計了一套旁通回流調(diào)節(jié)閥，當煙氣換熱器煙氣出口溫度小于130℃時，可打開煙氣換熱器熱水媒出口端旁通調(diào)節(jié)閥，部分熱水將不經(jīng)過空氣換熱器直接進入熱水循環(huán)泵入口，以提高煙氣換熱器入口水溫。反之則關小旁通調(diào)節(jié)閥，降低煙氣換熱器進口水溫，提高換熱效率?？纱_保在非設計工況運行時保持與煙氣換熱的熱媒水進口溫度在煙氣露點溫度之上，從而徹底避免露點腐蝕，確保了加熱爐的長期安全穩(wěn)定運行。

1.2　組合式水熱媒空預器的優(yōu)勢及特點

與原有的熱管空預器相比，組合式水熱媒空預器有以下優(yōu)勢和特點[8]：

(1)避免了煙氣露點腐蝕，組合式水熱媒空預器管排為順排布置，也解決了因露點腐蝕導致的濕灰集結(jié)從而造成積灰搭橋現(xiàn)象不利于清灰的問題;

(2)以自產(chǎn)除氧水為熱載體分別實現(xiàn)水、煙氣和空氣三者之間的熱量交換，因排煙溫度易調(diào)節(jié)和控制，具有節(jié)能效果好，設備使用壽命長等特點。組合式水熱媒空預器采用模塊化箱式結(jié)構(gòu)，在原有煙道上可以方便改造，設備布置靈活面積小;

(3)煙氣換熱器的出口管路上還設有安全閥，可以維持熱媒水壓力，能使煙氣換熱器出口的熱媒水在溫度最高時確保不汽化，提髙熱媒水傳熱能力。當熱媒水壓力高于設定值時，安全閥自動起跳，以確保在加熱爐異常工況下設備的安全。

綜合上述分析可以看出，組合式水熱媒空預器在設計方案上，有效解決了運行過程中遇到的露點腐蝕和熱管失效快及爆管等問題，可以充分保障焦化加熱爐的安全穩(wěn)定高效長周期的運行。

2組合式水熱媒空預器運行效果對比分析

2.1　組合式水熱媒空預器運行性能評價

表1是組合式水熱媒空預器性能參數(shù)(設計值)，表2是組合式水熱媒空預器改造前后加熱爐空預器的歷史記錄數(shù)據(jù)。

表1組合式水熱媒空預器性能參數(shù)(設計值)

名稱高溫段空預器(擾流子空預器)低溫段空預器(水熱媒空預器)煙氣流量/kg·h-17056070560煙氣入口溫度/℃363215煙氣出口溫度/℃215140熱媒水流量/kg·h-1/~55.9熱媒水進口溫度/℃/110熱媒水出口溫度/℃/135空氣流量/kg·h-16681666816空氣入口溫度/℃10620空氣出口溫度/℃278106換熱面積/m215101650+1520煙氣阻力/Pa575135煙氣總阻力/Pa710空氣阻力/Pa700320空氣總阻力/Pa1020換熱量/kW33331640總換熱量/kW4973

表2空預器的歷史記錄數(shù)據(jù)

日期加熱爐四路進料量/t·h-1爐出口溫度/℃空氣入口溫度/℃空氣出口溫度/℃煙氣入口溫度/℃煙氣出口溫度/℃熱效率/[%]2008-8-30檢修前474962512936018890.822008-10-30檢修后484971029836518391.912009年9月30日484981822036219291.432010年1月30日44498-199236218391.132010-9-30更換熱管前42496196736021990.812010-12-2更換熱管后48493-324836714891.822010-12-5更換熱管后48493-225136715091.852011年3月29日464971015636817690.942011年7月12日504932513236520991.022011-10-4水熱媒484981833836213892.282012-2-7水熱媒48498-1232534913592.032013-6-25水熱媒474972231035213092.332014-7-2水熱媒464972729337313092.34

結(jié)合表1和表2可以看出，改造成組合式水熱媒空預器后，其性能參數(shù)達到設計值的預期要求，運行至2014年7月2日空氣出口溫度仍明顯高出設計值15℃，煙氣出口溫度低于設計值，維持在130~135℃之間，降低了煙氣余熱損失。

對比組合式水熱媒空預器改造前后，我們從表2中歷史數(shù)據(jù)可以看出，2008年9月檢修前空氣預熱器空氣出口溫度下降到129℃，而煙氣出口溫度高達188℃，致使煙氣余熱嚴重耗費且瓦斯氣消耗明顯增加，結(jié)果是加熱爐熱效率下降到90.82%的低水平。在全部更換為無機熱傳導管束后，空氣預熱器空氣出口溫度提升到298℃，煙氣出口溫度下降到183℃，換熱效果明顯好于檢修前，加熱爐熱效率提高也較大，達到91.91%。檢修后一直到2010年10月，預熱器空氣出口溫度呈逐年下降態(tài)勢，而煙氣出口溫度呈逐漸上升態(tài)勢，加熱爐熱效率也呈逐年下降趨勢，更壞結(jié)果是在2010年1月30日，預熱器空氣溫度出口降至92℃，為保證加熱爐平穩(wěn)運行采取了降低處理量措施，直至維持到2010年9月30日更糟糕的生產(chǎn)工況，此時空氣出口溫度降到67℃、煙氣出口溫度飆升到219℃，至此完全可判定熱管已經(jīng)處于失效狀態(tài)，必須更換空氣預熱器中失效破損熱管以保證加熱爐安全平穩(wěn)運行；在更換高溫端熱管后，空氣出口溫度由此前67℃提高到248℃，煙氣出口溫度由219℃降至148℃，空氣預熱器換熱效果良好，加熱爐效率明顯增加，達到了91.82%。在2010年10月更換熱管后，空氣預熱器運行狀態(tài)仍然良好，加熱爐熱效率維持在91.8%以上，但是此后半年時間里，從2011年3月29日和2011年7月12日的歷史數(shù)據(jù)可看出，空氣出口溫度明顯下降了100~120℃、煙氣出口溫度上升了25~60℃，空氣預熱器換熱效果明顯變差，表明預熱器熱管有逐漸失效現(xiàn)象。針對熱管空氣預熱器失效快壽命短的問題對加熱爐安全平穩(wěn)高效造成的威脅，2011年8月大檢修將空氣預熱器更換為組合式水熱媒空預器。從2011年10月4日的運行記錄看，水熱媒空預器空氣出口溫度高達338℃，煙氣出口溫度降至138℃，往后的數(shù)據(jù)也表明，組合式空預器換熱效果顯著好于檢修前，加熱爐效率也有較大提高，達到92.3%左右。

2.2　組合式水熱媒空預器長周期運行效果分析

在組合式水熱媒空預器投用后，每周四次對加熱爐煙氣成分、煙氣溫度、過?？諝庀禂?shù)、排煙損失進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，表3是根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)列出的每月加熱爐熱效率平均值，圖2是對每周采集數(shù)據(jù)做出的加熱爐熱效率趨勢圖，以便對比分析。

表3加熱爐煙氣分析及熱效率

月份煙氣分析煙氣溫度/℃過剩空氣系數(shù)排煙損失熱效率/[%]O2/[%]CO/mg·m-3CO2[%]2011.1.113.40.0019.61471.1722540.05630191.352011.2.102.280.030910.741521.1093370.05670891.292011.3.152.60.00111.41531.1282540.05685591.282011.4.111.80.00113.41621.0867340.05868191.172011.5.32.020.003712.751631.0978320.05983891.042011.6.82.540.008212.391571.1264630.0588891.132011.7.52.20.00112.41611.107250.05934691.042011.8.22.160.004712.651591.1053820.05851191.152011.11.12.070.000912.711381.100510.04880592.112011.12.142.40.00112.61381.1187740.04964992.072012.1.42.40.00112.41381.1184630.04963591.92012.2.212.40.00110.81381.1160260.04952392.082012.3.211.60.00110.61391.073560.04800292.182012.4.242.20.00110.81361.1050710.04813492.212012.5.222.20.00111.41361.1058780.04817192.132012.6.42.170.02712.641321.1059210.047592.192012.7.112.40.00112.41341.1184630.04784892.292012.8.202.60.00111.81331.128930.04786592.202012.9.42.460.001312.451331.1219610.04756992.262012.10.32.80.00111.81311.1406130.04747492.282012.11.133.40.006211.821271.1775650.04745692.232012.12.253.40.00110.81281.1750850.04758292.312013.1.43.80.0019.61281.1975880.04854192.152013.2.162.80.00110.41311.1380320.04736292.282013.3.143.60.00110.41301.1867960.04901992.372013.4.232.80.00110.21301.1376710.04689392.322013.5.272.050.026510.721311.0969290.04663692.342013.6.252.20.00110.81301.1050710.04548392.332013.7.232.20.00110.21311.1042760.0458992.412013.8.122.40.00110.41321.1154320.04682192.342013.9.92.40.00110.61311.1157280.04638992.392013.10.292.40.00110.41311.1154320.04637692.302013.11.192.40.00110.21301.1151370.04591892.412013.12.172.40.00110.61301.1157280.04594492.382014.1.212.40.00110.41321.1154320.04682192.322014.2.72.60.001101311.125940.04683492.332014.3.52.930.019510.231321.1452960.04894492.182014.4.222.240.003810.631311.1070090.04612792.202014.5.272.710.002110.361301.132780.04672992.352014.6.172.150.000510.681301.1022180.04533892.48

由表3可以看出，組合式水熱媒空預器運行穩(wěn)定持久，煙氣出口溫度保持在130~140℃范圍波動，排煙損失低于0.05%，加熱爐熱效率維持在92.3%的均值水平，表明煙氣余熱回收充分。另外，水熱媒運行至今也未出現(xiàn)任何故障，充分體現(xiàn)了其安全穩(wěn)定持久高效的特點，確保了裝置長周期運行。

從改造目的來看，該爐的改造屬于節(jié)能改造，因此有必要測算出節(jié)能量[9-10]，對其進行項目的經(jīng)濟效益計算。加熱爐熱運行負荷為39.539 MW(設計值為44.183 MW)，改造前爐效率為91.1%，改造后達到的爐效率為92.3%。按年平均運行時間8 000 h計算，可根據(jù)下列節(jié)能量計算公式得到因組合式水熱媒空預器的投用為加熱爐帶來的節(jié)能量ΔEj

ΔEj=Q·(1/η1-1/η2)·Y·A/Q0

式中ΔEj——年標煤節(jié)能量/t；

Q——加熱爐熱負荷/MW；

η1——加熱爐改造前熱效率/[%]；

η2——加熱爐改造后熱效率/[%]；

Y——年開工時數(shù)/h，取8 000h；

A——小時與秒換算常量，取3 600；

Q0——標煤所含有的熱量/kJ·kg-1,取29 309 kJ/kg。

由上述計算式可得出焦化爐加熱爐的節(jié)能量ΔEj=39.539×(1/0.911-1/0.923)×8000×3600/29309=554.5 t標煤，按目前標煤500元/t計算，年節(jié)煤費用27.7萬元。另外，節(jié)省了因原熱管式空預器熱管失效所更換的熱管費用80萬元。因此，組合式水熱媒空預器管每年為裝置節(jié)約成本合計約107.7萬元。

3結(jié)論

(1)延遲焦化加熱爐組合式水熱媒空預器能充分回收焦化加熱爐的煙氣余熱加熱助燃空氣，可靈活調(diào)節(jié)排煙溫度，降低了排煙損失，節(jié)能降耗效果明顯，每年節(jié)能量達554.5 t標煤。

(2)組合式水熱媒空預器優(yōu)勢在于有效避免了煙氣低溫露點腐蝕，節(jié)省了因熱管失效所更換的熱管費用。組合式水熱媒空預器管排為順排布置，也解決了因露點腐蝕導致的濕灰集結(jié)從而造成積灰搭橋現(xiàn)象不利于清灰的問題。

(3)水熱媒空預器中煙氣換熱器水熱媒管路上安全閥的設置基本杜絕極端工況下爆管等嚴重故障，安全性大大提升，確保了裝置安全穩(wěn)定長周期運行。

(4)組合式水熱媒空預器所采用的模塊化構(gòu)造使得設備儀表布置靈活且占地面積小，改造便利。

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E-mail：jnjs @ hit.edu.cn

摘要：為了提高遼河石化公司延遲焦化裝置加熱爐的節(jié)能環(huán)保效果，采用了組合式水熱媒空預器工藝，跟蹤生產(chǎn)數(shù)據(jù)并對其運行性能進行了詳細地分析和討論。改造前后的歷史運行數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，組合式水熱媒空預器可安全穩(wěn)定持久高效運行，能充分回收煙氣余熱，確保了加熱爐熱效率在92%以上，每年節(jié)能量達554.5 t標煤，具有明顯的節(jié)能降耗的經(jīng)濟效益，為保證延遲焦化裝置的安穩(wěn)長滿優(yōu)的運行提供了借鑒。

關鍵詞：延遲焦化；加熱爐；水熱媒；露點腐蝕；長周期；熱效率

Application of Heat Medium Water Air Preheater in Delayed Coker Heating Furnace REN Zheng-shi,WANG Guo-wei

(Liaohe Petrochemical Company of CNPC, Panjin 124022,China)

Abstract：In order to improve the energy conservation and environmental protection effect in the delayed coker heating furnace of Liaohe petrochemical company. Applying a combined heat medium water air preheater technology. According the history production date, the principles and advantage feature and application evaluation are analyzed and discussed. The results demonstrated that this type of air preheater could accommodate to the stable-efficent-safty operational requirement of refiner. The heat medium water air preheater could efficiently recover waste heat in flue gas and ensure that the heating furnace efficiency is more than 92%, and obviously improve the economic efficiency of the annual energy-saving capacity of 554.5 tons of standard coal. It also provides some reference for the safely excellent operation of the delayed coking unit.

Key words：delayed coker;heating furnace;heat medium water;dew point corrosion;long period;heat efficiency

作者簡介：任正時(1984~)，男，碩士，注冊化工工程師，從事延遲焦化方面技術(shù)研究工作。

基金項目：委內(nèi)瑞拉超重油渣油延遲焦化工業(yè)試驗項目

收稿日期2014-12-07修訂稿日期2015-09-25

中圖分類號：TK11+5

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 06-0554-05