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。