馮曉濱（中國石油寧夏石化分公司）

中國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 臺國產(chǎn)燃燒式CO 余熱鍋爐。鍋爐正常運(yùn)行的熱量主要來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，以及過熱所產(chǎn)飽和蒸汽[1]。

該CO 余熱鍋爐設(shè)計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題，運(yùn)行狀況偏離設(shè)計指標(biāo)較大，這些問題的存在，也會對后續(xù)進(jìn)行脫硫、脫硝等工藝技術(shù)改造產(chǎn)生不利影響。因此針對上述問題，對該爐子進(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題

對于煉油廠存在的一些能耗偏高的問題，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，采用國際先進(jìn)的過程模擬軟件和煉化能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，對催化裂化等主要裝置以及燃動系統(tǒng)進(jìn)行了全面的現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)收集與處理。通過模型搭建、分析評價等手段，充分挖掘識別節(jié)能機(jī)會，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CO 余熱鍋爐存在的主要問題總結(jié)如下：

◇再生煙氣處理能力偏低，約5%～20%的含CO 再生煙氣直接對空排放，同時排煙溫度也較設(shè)計值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)致爐子燃燒不好，產(chǎn)生了燃燒不均勻和爐膛超溫等問題；

◇發(fā)汽量偏低，只有20～40 t/h，且存在蒸汽過熱不足的問題，過熱蒸汽溫度約400 ℃，達(dá)不到設(shè)計值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，存在受熱面積灰問題；

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

2 確定目標(biāo)，提出對策并加以論證

對于上述CO 余熱鍋爐的具體問題，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)計說明》，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，該項(xiàng)目也是中國石油“煉化能量系統(tǒng)優(yōu)化研究”重大科技專項(xiàng)的重要研究內(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。

通過認(rèn)真剖析問題，對該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；

◇提高蒸汽過熱能力，確保CO 鍋爐在1 個運(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 改造計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)來源為260×104t/a 催化裝置原設(shè)計參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)。余熱鍋爐改造設(shè)計依據(jù)[2]見表1。

表1 CO余熱鍋爐改造設(shè)計依據(jù)

依據(jù)表1設(shè)計數(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 鍋 爐2 個1 700 m3/h（0 ℃，101.325 kPa）燃?xì)饬康臒?，改造?個150～650 m3/h燃?xì)饬康男欤谷霠tCO 煙氣引燃均勻，既縮短了CO 煙氣的著火時間，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)外來飽和蒸汽前置低溫過熱器，提高余熱鍋爐的蒸汽過熱能力。在CO 鍋爐2 組對流蒸發(fā)受熱面后，增設(shè)1組前置外來飽和蒸汽低溫過熱器，使外來飽和蒸汽先經(jīng)過該換熱器過熱，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熱。

通過論證，新增的低溫過熱投用是從CO 鍋爐檢修后的清灰初期開始，此時煙氣進(jìn)口溫度較低，僅有340～360 ℃，飽和蒸汽溫度為255 ℃。該時期原過熱受熱面積灰也少，過熱能力能滿足運(yùn)行要求，此時前置低溫過熱器吸熱很少，不會導(dǎo)致過熱蒸汽超溫；隨著運(yùn)行時間的增加，原過熱器受熱面逐漸積灰，過熱能力逐漸下降，新增前置低溫過熱器的入口煙氣溫度就會逐漸升高，前置低溫過熱器的過熱蒸汽作用就會凸顯，使CO 余熱鍋爐在整個運(yùn)行周期的過熱能力得到優(yōu)化，從而保證該周期（3年）的蒸汽品質(zhì)。通過合理科學(xué)的理論計算，改造后過熱蒸汽溫度可以穩(wěn)定在435 ℃±15 ℃。推薦新增前置低溫過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。每臺余熱鍋爐在各受熱面原設(shè)置為每組2臺，共17組的激波吹灰器，吹灰器設(shè)計結(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)行過程中排煙溫度過高。

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

結(jié)合改造后鍋爐現(xiàn)場的條件、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)行過程中對爐墻的損壞。

6）改進(jìn)和完善余熱鍋爐過熱器和蒸發(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余熱鍋爐熱力計算匯總（單臺爐）

2.2 鍋爐改造相關(guān)性能參數(shù)測算

CO余熱鍋爐的相關(guān)性能參數(shù)測算見表2，水熱媒空氣換熱器設(shè)計性能參數(shù)見表3。

表3 水熱媒空氣換熱器設(shè)計性能參數(shù)

2.3 鍋爐改造工藝流程

2.3.1 中壓蒸汽流程

外來飽和蒸汽進(jìn)入新增前置低溫過熱器預(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)入鍋爐原過熱器過熱，余熱鍋爐過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，煙道阻力會有增加，建議系統(tǒng)耐壓密封性能應(yīng)不小于10 kPa，改造時對煙道進(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。針對國家環(huán)保要求的逐步嚴(yán)格，后續(xù)還需進(jìn)行脫硝改造，應(yīng)及時確定方案。

2.3.5 給水泵改造

原鍋爐給水泵設(shè)計打量為185 m3/h，為2開1備設(shè)置，2 臺鍋爐設(shè)計總負(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)荷不足的問題。具體建議是將老裝置的2臺打量85 m3/h的給水泵進(jìn)行利舊，正常運(yùn)行采取1臺大泵和1臺小泵的運(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

通過對CO 余熱鍋爐改進(jìn)的方案實(shí)施后，預(yù)測產(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 的價格，年運(yùn)行8 400 h 進(jìn)行計算，可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益890萬元。

表4 采集標(biāo)定數(shù)據(jù)

2）通過改造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)過熱蒸汽（3.82 MPa，435 ℃）16.5 t/h。按照中壓蒸汽100 元/t 的價格，年運(yùn)行8 400 h 進(jìn)行計算，可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益1 386萬元。

通過改造可直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約為2 276 萬元，該工程總預(yù)計投資2 484 萬元，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的收益還尚未考慮。

為此，預(yù)測該項(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，組織實(shí)施了有針對性的技術(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。

為了合理評定改造后的實(shí)際效果，公司分別在改造實(shí)施前的2 個時段：2013 年11 月1 日—30 日、2013 年12 月1 日—31 日，和改造實(shí)施后的兩個時段：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，財務(wù)部門通過對燃料成本的核算，測算年可增效約5 040 萬元。評價項(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

通過對項(xiàng)目實(shí)施后的運(yùn)行總結(jié)和效果評價，此次改造對公司節(jié)能降耗、降本增效意義重大。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)煉油裝置普遍能耗較國外煉油企業(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)新的形勢發(fā)展，在加強(qiáng)科學(xué)管理的同時積極推廣和應(yīng)用國內(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CO 余熱鍋爐進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造所取得的成功，也會對國內(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。