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        催化再生煙氣余熱回收系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保改造

        2020-04-08 04:58:42楊錦明付安軍王東生
        石油石化綠色低碳 2020年1期
        關(guān)鍵詞:煙氣系統(tǒng)

        楊錦明,付安軍,王東生

        (中國石化巴陵分公司,湖南岳陽 414014)

        催化裂化裝置再生煙氣余熱回收系統(tǒng)是重要節(jié)能設(shè)施,其主要由沉降再生器、燃燒式CO焚燒爐及模塊式余熱鍋爐等設(shè)備組成。沉降再生器是催化裂化反應(yīng)的核心設(shè)備,操作介質(zhì)為油氣、煙氣、催化劑;再生器產(chǎn)生約550℃左右的煙氣,經(jīng)旋風(fēng)分離器分離催化劑后進(jìn)入煙道。由于催化裝置采用不完全燃燒方式,在煙氣中含有大量CO,為了回收CO能量,煙道后設(shè)置了燃燒式CO焚燒爐及模塊式余熱鍋爐。

        由于原設(shè)計余熱鍋爐受熱面偏小,造成CO焚燒爐超溫時,550℃的高溫?zé)煔鉄o法全部進(jìn)入余熱鍋爐,只能直接由煙囪排向大氣,導(dǎo)致煙氣顯熱及CO化學(xué)能損失,并且顆粒物、硫化物及氮氧化物超標(biāo)排放,造成環(huán)境污染。為了進(jìn)一步回收煙氣顯熱及CO化學(xué)能,減少污染,實現(xiàn)煙氣的達(dá)標(biāo)排放,針對煉油工況發(fā)生變化后原裝置余熱回收系統(tǒng)存在的問題,探討了節(jié)能改造措施,改造實施后實現(xiàn)了煙氣CO零排放及環(huán)保達(dá)標(biāo),取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

        1 再生煙氣余熱回收系統(tǒng)概況

        在余熱回收系統(tǒng)中,CO焚燒爐Ⅰ煙氣中的CO與空氣混合后燃燒,燃燒熱及煙氣顯熱均由CO爐后部的余熱鍋爐進(jìn)行回收,余熱鍋爐產(chǎn)生的3.5 MPa過熱蒸汽進(jìn)入管網(wǎng),用于驅(qū)動工業(yè)汽輪機(jī)。

        正常情況下,溫度680℃、流量10~13萬m3/h,CO含量5%~10%的再生煙氣通過三旋回收其中的催化劑細(xì)粉后,進(jìn)入煙氣輪機(jī)膨脹作功?;厥詹糠譄崮芎蜋C(jī)械能后壓力略有降低,溫度降為550℃左右,CO濃度基本不變。煙氣隨后經(jīng)水封罐后進(jìn)入CO焚燒爐,溫度提升到900℃,進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生3.5 MPa的過熱蒸汽,之后煙氣溫度降為200℃左右進(jìn)入煙囪外排。

        CO焚燒爐Ⅰ采用臥式布局,其結(jié)構(gòu)見圖1。燃燒器熱負(fù)荷為33 000 kW。

        圖1 CO焚燒爐Ⅰ

        2 余熱回收系統(tǒng)存在的問題及改進(jìn)方法

        2.1 煙氣中CO含量增加造成鍋爐超溫

        CO焚燒爐設(shè)計以大慶原油為基準(zhǔn),催化再生為不完全再生,煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)為3.68%;隨著催化裝置反應(yīng)處理量加大及實際加工的原油變重后,再生煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%~10%,有時甚至超過11%(見圖2);由于煙氣中CO含量上升,CO焚燒爐爐膛溫度達(dá)到950℃左右,高時超過970℃,引起CO焚燒爐爐膛超溫,進(jìn)入余熱鍋爐的熱量大幅增加,給鍋爐的安全運(yùn)行帶來隱患。[1]

        圖2 10天內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)變化

        2.2 燃燒不完全方式造成煙氣化學(xué)能損失

        1)燃燒火嘴調(diào)節(jié)范圍不合適、壓力偏低

        燃燒器瓦斯負(fù)荷初始設(shè)計在1 000~5 500 m3/h之間,當(dāng)煙氣中CO含量增加時焚燒爐爐膛溫度易超過900℃,而燃燒器瓦斯量不能降至1 000 m3/h以下;加之火嘴采用一路設(shè)計導(dǎo)致壓力偏低,易引起爐膛熄火事故[2]。

        2)貧氧不完全燃燒時CO化學(xué)能損失

        為防止完全燃燒時CO焚燒爐超溫,只能采取將煙氣大量改旁通直排的工藝措施,煙氣燃燒被迫采用貧氧不完全燃燒方式。按CO體積分?jǐn)?shù)9%估算,年外排煙氣的化學(xué)能達(dá)169.95 TJ,不僅造成煙氣中大部分CO化學(xué)能沒有完全回收,也使煙氣直接排入大氣污染環(huán)境。

        2.3 余熱鍋爐不能滿足工藝及環(huán)保需求

        1)設(shè)計受熱面不滿足實際運(yùn)行需要

        余熱鍋爐設(shè)計的蒸發(fā)量偏小,鍋爐取熱、過熱不能滿足新的工藝要求。再生煙氣在煙氣輪機(jī)做功后,如果進(jìn)入CO焚燒爐,不完全燃燒的煙氣全部并入鍋爐,會造成一級過熱段出口超溫。因此,實際運(yùn)行時僅有70%~80%煙氣并入余熱鍋爐,其余煙氣直接排出,造成煙囪排煙溫度超過225℃,能量損失嚴(yán)重。余熱鍋爐蒸汽設(shè)計值與實際值對比見表1。

        表1 余熱鍋爐蒸汽設(shè)計值與實際值對比

        2)外排煙氣顯熱損失

        按設(shè)計排煙溫度200℃估算,年外排煙氣中可回收的顯熱高達(dá)74.24 TJ。

        3)外排煙氣數(shù)據(jù)不符合環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)的要求

        外排煙氣中NOx、SO2及顆粒物排放濃度未達(dá)到GB 31570—2015特別排放限值要求。

        2.4 提高余熱回收效率的技術(shù)改進(jìn)方法

        再生煙氣通過余熱鍋爐的總放熱量(Qs)[3]:

        式中:Ge為通過余熱鍋爐煙氣的質(zhì)量流量,kg/h;hi為鍋爐入口煙氣的焓,J/kg;ho為鍋爐出口煙氣的焓,J/kg。

        回收的有效熱量(Q1,對過熱段有蒸汽冷媒的鍋爐):

        式中:Gs1為鍋爐蒸發(fā)段產(chǎn)生的飽和蒸汽流量,kg/h;Gs2為外界蒸汽冷媒流量,kg/h;hs為過熱蒸汽焓,kJ/kg;hc為供入除氧水的焓,kJ/kg;hsc為外界蒸汽冷媒的焓,kJ/kg。

        熱回收效率(ηs):

        從以上公式可知,要提高鍋爐熱回收效率,可以從以下三個方面進(jìn)行改進(jìn):

        1)在再生煙氣并入余熱鍋爐總供熱量一定的前提下,利用CO煙氣燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能來維持余熱鍋爐入口溫度,從而減少燃料氣消耗量。

        2)在裝置外來汽熱焓一定條件下,通過提高鍋爐給水量、增加蒸發(fā)及過熱受熱面來多產(chǎn)過熱蒸汽。

        3)增加并入熱回收系統(tǒng)的煙氣流量、降低排煙溫度來提高余熱利用率。

        3 余熱回收系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改進(jìn)措施

        3.1 增加CO余熱回收及脫硫系統(tǒng)

        在原有煙氣余熱回收系統(tǒng)中增加1套CO余熱回收系統(tǒng),包括立式CO焚燒爐Ⅱ和一字型模塊式余熱鍋爐Ⅱ系統(tǒng)。煙氣脫硫系統(tǒng)采用具有中國石化自主知識產(chǎn)權(quán)的雙循環(huán)湍沖文丘里除塵脫硫技術(shù),吸收劑為30% NaOH溶液,改造后系統(tǒng)流程見圖3。

        新增CO焚燒爐Ⅱ為立式圓筒結(jié)構(gòu),見圖4,底部水平安裝2個氣體燃燒器,燃料氣流切向進(jìn)入爐體內(nèi)部,含有CO成分的氣體從環(huán)形分布箱的分布口與二次空氣混合后進(jìn)入爐體,并在爐內(nèi)形成高速漩流,與燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔獬浞只旌?,燃燒后進(jìn)入余熱鍋爐。余熱鍋爐Ⅱ采用箱體模塊式結(jié)構(gòu),一字型上下布置,鍋爐自產(chǎn)蒸汽量19 t/h,外來蒸汽量8 t/h。

        圖3 改造后催化系統(tǒng)煙氣流程

        圖4 CO焚燒爐Ⅱ

        3.2 改造CO焚燒爐I燃燒器

        為了改善CO焚燒爐Ⅰ燃燒器(見圖5)調(diào)節(jié)范圍不合適、點火棒被燒壞、火嘴壓力偏低等問題,對燃燒器進(jìn)行了技術(shù)改造,詳見表2。

        圖5 燃燒器結(jié)構(gòu)

        表2 改造前后燃燒器對比

        4 改造效果

        4.1 催化再生煙氣能量得到充分回收利用,降低了裝置能耗

        再生煙氣余熱回收系統(tǒng)改造后,催化煙氣未出現(xiàn)直接走旁通排入煙囪的情況,煙氣旁通閥由改造前的年平均開度15.8%,調(diào)整為旁通閥全關(guān),煙氣全部得到回收。利用再生煙氣過剩熱和直排煙氣能量,增產(chǎn)3.5 MPa中壓蒸汽11 t/h,補(bǔ)燃用瓦斯使用量平均減少了0.04 t/h。改造前后蒸汽總量、能耗對比見表3。每年新增效益1 600萬元。

        表3 改造前后蒸汽總量、能耗對比

        4.2 鍋爐并聯(lián)運(yùn)行、互為備用,減少了裝置外引蒸汽量

        改造前,余熱鍋爐故障檢修時,煉油裝置所需中壓過熱蒸汽全部由公司管網(wǎng)提供,最大蒸汽消耗量約為90 t/h,蒸汽管網(wǎng)平衡壓力增大。

        改造后,正常生產(chǎn)時,實現(xiàn)了2套焚燒爐+鍋爐系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行,裝置自產(chǎn)中壓過熱蒸汽基本滿足了裝置自用,外吸最小蒸汽量保持在7 t/h左右。當(dāng)其中任何一臺鍋爐故障檢修時,另一臺鍋爐保持滿負(fù)荷運(yùn)行,可以最大限度減少催化飽和汽放空。

        4.3 煙氣燃燒形式改為完全燃燒,CO氣體零排放

        改造后余熱回收系統(tǒng)對煙氣進(jìn)行了分流,回收煙氣量約40%,原系統(tǒng)回收煙氣量約占總量的60%,消除了CO焚燒爐超溫的根源。改造后,煙氣采用完全燃燒的運(yùn)行方式,煙氣化學(xué)能進(jìn)一步回收,杜絕了CO焚燒爐煙氣尾燃的危害,實現(xiàn)了外排煙氣CO零排放,滿足了環(huán)保新要求。

        4.4 余熱回收系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行效率高,可靠性增強(qiáng)

        1)CO焚燒爐調(diào)節(jié)更加靈活

        CO焚燒爐Ⅰ燃燒熱負(fù)荷調(diào)低至正常400 m3/h后,只需較少的燃料氣就能滿足CO燃盡;正常工況下,只需開外圈環(huán)形火嘴,即可控制較低的爐膛溫度和較大的煙氣攝入量,提高了再生煙氣余熱的回收效率。CO焚燒爐Ⅱ采用2臺燃燒器獨立燃燒,可以分別獨立根據(jù)爐溫控制燃?xì)饬?。燃燒?fù)荷的調(diào)節(jié)更加靈活、簡便。

        2)系統(tǒng)設(shè)備可靠性增強(qiáng)

        CO焚燒爐燃燒器的兩支高能點火器可以抽出,實現(xiàn)了快捷點火,并能有效防止點火棒集炭失效。燃燒器火嘴前燃?xì)獾膲毫μ岣撸WC了火焰穩(wěn)定有力、避免了回火及熄火故障的發(fā)生。余熱鍋爐運(yùn)行負(fù)荷均衡避免了超溫、尾燃及水保護(hù)段、蒸發(fā)段超溫的現(xiàn)象,確保了設(shè)備的安穩(wěn)運(yùn)行。

        4.5 外排煙氣中顆粒物、SO2和NOx含量大幅降低

        煙氣脫硫系統(tǒng)投用后,從鍋爐排出的兩路煙氣匯合后進(jìn)入洗滌脫硫系統(tǒng),顆粒物、SO2和NOx含量大幅降低(見表4)。

        表4 改造前后外排煙氣污染物分析

        5 結(jié)論

        新增CO焚燒爐II、余熱鍋爐II及煙氣脫硫系統(tǒng)后,系統(tǒng)煙氣能量完全回收,每年新增過熱中壓蒸汽8.8萬t/a,節(jié)約燃料氣32萬t/a,年收益1 600萬元,一年就可收回改造投資成本,經(jīng)濟(jì)效益顯著;同時實現(xiàn)了裝置平穩(wěn)長周期運(yùn)行。投用后外排鍋爐尾氣CO零排放、煙氣中污染物指標(biāo)全部滿足國家標(biāo)準(zhǔn)排放限值的要求。

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