王曦宏

(中國石化工程建設有限公司,北京 100101)

尋找一條節(jié)能、低碳、綠色的可持續(xù)發(fā)展道路一直以來都是廣大石化企業(yè)追尋的目標。近年來,為積極響應國家對于中央企業(yè)在2030年前實現(xiàn)“碳達峰”、2060 年前實現(xiàn)“碳中和”的目標要求,各石化企業(yè)都將“降低裝置能耗,減少碳排放”的要求提到了一個全新的高度。

連續(xù)重整裝置作為化工原料的重要來源,在石化企業(yè)中的地位不言而喻。連續(xù)重整反應加熱爐作為連續(xù)重整裝置的主要耗能設備,如何在現(xiàn)有技術(shù)基礎上找到一種更節(jié)能、環(huán)保的連續(xù)重整反應加熱爐煙氣余熱回收方案,對于提高連續(xù)重整反應加熱爐整體熱效率、降低裝置能耗十分必要。

1 連續(xù)重整反應加熱爐

連續(xù)重整反應加熱爐是石油化工生產(chǎn)裝置中的主要設備之一,為石化裝置的主要耗能設備。從能耗方面來講,連續(xù)重整裝置加熱爐能耗一般約占裝置能耗的80%【1】;從投資方面來講:連續(xù)重整反應加熱爐是連續(xù)重整裝置中最昂貴的單體設備,占裝置總投資的15%～25%【2】。

連續(xù)重整反應加熱爐是連續(xù)重整裝置的關(guān)鍵設備,其為連續(xù)重整反應進料加熱爐和第一、第二、第三中間加熱爐的統(tǒng)稱,分別為連續(xù)重整進料反應器以及第一、第二和第三反應器提供反應所需的能量【2】。根據(jù)工藝需求和裝置處理量的不同,連續(xù)重整反應加熱爐的輻射段總熱負荷可達到連續(xù)重整裝置加熱爐總熱負荷的50%～85%。

連續(xù)重整反應加熱爐按照其輻射爐盤管的構(gòu)型可分為正“U”形盤管連續(xù)重整加熱爐和倒“U”形盤管連續(xù)重整加熱爐【3】,分別如圖1和圖2所示。這兩種爐型在回收輻射段高溫煙氣余熱的方式上沒有實質(zhì)上區(qū)別,故本文選用了某工程項目中的倒“U”形盤管連續(xù)重整加熱爐作為實例進行討論。

圖1 正“U”形盤管示意【3】

圖2 倒“U”形盤管示意【3】

2 連續(xù)重整反應加熱爐煙氣余熱回收方案

2.1 連續(xù)重整反應加熱爐經(jīng)濟煙氣余熱回收方案的含義

中海油惠州煉化張紹良等【1】提出經(jīng)濟排煙溫度的概念,并通過較為詳實的計算方案及對比實例闡明了關(guān)于連續(xù)重整反應加熱爐排煙溫度的降低程度需要進行多角度的分析,綜合考慮,并非傳統(tǒng)意義上的越低越好的觀點。筆者認為該設計理念對于目前連續(xù)重整反應加熱爐的煙氣余熱回收方案的選取具有指導意義。本文針對連續(xù)重整反應加熱爐的煙氣余熱回收方案的選取,以及如何綜合利用發(fā)生蒸汽回收余熱和預熱助燃空氣兩種煙氣余熱回收方案實現(xiàn)煉化企業(yè)經(jīng)濟效益最大化、降低連續(xù)重整反應加熱爐的綜合能耗和投資進行分析和討論,提出“經(jīng)濟煙氣中段溫度”的概念。所謂“經(jīng)濟煙氣中段溫度”即煉化企業(yè)運行成本、一次性投資最低,節(jié)能降碳效果最大化的連續(xù)重整反應加熱爐對流段排煙溫度。

2.2 連續(xù)重整反應加熱爐高溫煙氣余熱回收方案

為滿足連續(xù)重整低壓、高溫的反應特性的需求,工藝介質(zhì)在通過單個連續(xù)重整反應加熱爐時,其允許壓降值較常規(guī)煉油加熱爐要小得多。極小的允許壓降導致工藝介質(zhì)無法布置在連續(xù)重整反應加熱爐的對流段進行預熱,輻射段的高溫煙氣余熱只能通過其他方式回收。下文將對目前在運行的連續(xù)重整反應加熱爐的3種高溫煙氣余熱回收方案的特點進行簡要介紹。

2.2.1 采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽和預熱裝置內(nèi)原料相結(jié)合的方案

通過調(diào)研了解,目前在運的重整裝置中僅有為數(shù)不多的幾套傳統(tǒng)半再生重整裝置加熱爐在擴能改造過程中采用了此種煙氣預熱的回收方式。

由于裝置擴能,連續(xù)重整反應加熱爐熱負荷提高,輻射段的高溫煙氣需回收的熱量增加,對流段的理論發(fā)生蒸汽量也將增加,現(xiàn)有的汽包、給水循環(huán)泵等蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的相關(guān)設備無法滿足蒸汽量增大后的需要。同時,半再生連續(xù)重整本身已經(jīng)屬于相對落后的連續(xù)重整技術(shù),已逐漸被連續(xù)重整技術(shù)所替代,對類似這種面臨淘汰的老舊裝置的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進行大規(guī)模的改造或增加煙氣余熱回收系統(tǒng),改造的整體性價比較低。

基于上述原因,在改造過程中常采用將連續(xù)重整裝置的分餾塔進料爐、汽提塔重沸爐(根據(jù)裝置的實際需要)等的進料送入連續(xù)重整反應進料加熱爐對流段進行預熱的方式。這樣做,一方面可以有效回收利用由于裝置擴能帶來的剩余煙氣余熱,降低裝置的整體燃料耗量;另一方面,可以保持發(fā)生蒸汽量處于原設計點,蒸汽發(fā)生系統(tǒng)相關(guān)設備可不做改動。對于這種面臨老舊淘汰的半再生重整裝置而言,不失為一種理想的改造方法。

對于新建或在運的連續(xù)重整裝置加熱爐的改造,則不建議采用發(fā)生蒸汽和預熱裝置內(nèi)原料相結(jié)合的方案,原因主要有如下兩點:

1)該方案無法調(diào)節(jié)其他加熱原料的預熱后溫度,連續(xù)重整反應加熱爐的輻射段熱負荷一旦確定,原料預熱后溫度就已固定。一旦連續(xù)重整反應加熱爐負荷波動較大,必將導致原料預熱過程中的取熱產(chǎn)生較大波動,影響其他加熱爐的生產(chǎn)操作。

2)由于需要將其他加熱爐的原料引入連續(xù)重整反應進料加熱爐,且由于連續(xù)重整裝置平面布置的原因,通常情況下相應增加的輸送管線的長度及泵的壓頭都不小,整體經(jīng)濟性不高。

綜上所述,認為采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽和預熱裝置內(nèi)原料相結(jié)合的方案僅是一個解決老舊重整裝置擴能的權(quán)宜方案,不宜在新建或在運的連續(xù)重整裝置加熱爐中選用。

2.2.2 采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽的方案

此方案是正“U”形盤管連續(xù)重整加熱爐、倒“U”形盤管連續(xù)重整加熱爐均普遍采用的煙氣余熱回收方案。

連續(xù)重整反應加熱爐余熱鍋爐流程如圖3所示。

圖3 連續(xù)重整反應加熱爐余熱鍋爐流程

此種方案在上世紀八、九十年代連續(xù)重整反應加熱爐的熱效率以及裝置碳排放要求不高的時期是主流設計形式。主要原因有如下幾點:

1)增加裝置產(chǎn)汽,降低能耗,若產(chǎn)汽富余還可考慮外供獲得經(jīng)濟效益;

2)對流段設計符合連續(xù)重整反應加熱爐的結(jié)構(gòu)特點,連續(xù)重整反應加熱爐整體設計緊湊,可節(jié)約成本;

3)汽包及其附屬管道可設置在連續(xù)重整反應加熱爐頂部,減小占地,降低成本。

隨著國際能源供給的日趨緊張以及環(huán)保壓力的加大,在石化行業(yè)中如何有效降低化石能源耗量、有效減少碳排放就成了連續(xù)重整反應加熱爐設計方案優(yōu)劣的一個重要評價指標。

連續(xù)重整反應加熱爐對流段采用單一的余熱鍋爐發(fā)生蒸汽取熱方案在降低燃料用量、節(jié)約能耗方面存在較明顯的局限性,主要表現(xiàn)為:

1)發(fā)生蒸汽品味及蒸汽量需要結(jié)合全廠的需要綜合考慮,在一定程度上限制了連續(xù)重整反應加熱爐對流段的取熱效率以及排煙溫度的進一步降低,不利于連續(xù)重整反應加熱爐整體熱效率的提高。

2)連續(xù)重整反應加熱爐對流段鍋爐給水為除氧水。由于大氣式除氧器出口的飽和水溫度一般在104～106℃,同時考慮爐管的硫酸露點腐蝕以及對流傳熱溫差問題,因此排煙溫度宜控制在140 ℃以上,無法進一步降低,對應的加熱爐整體熱效率則不高于92%。

綜上所述,連續(xù)重整反應加熱爐對流段采用單一的余熱鍋爐發(fā)生蒸汽取熱方案可以在一定程度上降低排煙溫度、提高連續(xù)重整反應加熱爐整體熱效率,但效果受限。

2.2.3 采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽與煙氣余熱加熱助燃空氣相結(jié)合的方案

此方案的主要設計理念是在現(xiàn)有的連續(xù)重整反應加熱爐對流段尾部再增設空氣-煙氣換熱的余熱回收系統(tǒng),通過預熱助燃空氣,進一步回收煙氣余熱,減少加熱爐的燃料消耗,進一步提高連續(xù)重整反應加熱爐整體熱效率,同時降低碳排放。

由于在對流段尾部增設了空氣-煙氣換熱余熱回收系統(tǒng),在設計初期可以通過調(diào)整離開對流室的排煙溫度,合理分配發(fā)生蒸汽段與煙氣余熱回收系統(tǒng)的回收熱量比例。在方案的設計階段,設計方可以與業(yè)主進行溝通,了解業(yè)主對于蒸汽的實際需求量,在蒸汽發(fā)生量和燃料耗量之間進行權(quán)衡,確定一個最適合業(yè)主的對流室排煙溫度。

基于此,提出“經(jīng)濟煙氣中段溫度”的概念。所謂“經(jīng)濟煙氣中段溫度”即對煉化企業(yè)實際操作而言最為合適的對流室的排煙溫度,該溫度需要綜合考量煉化企業(yè)的一次性投資、實際蒸汽需求量、煙氣排放指標等多種因素。

下面將基于一個實際的設計案例,通過對比不同的“煙氣中段溫度”條件下能耗和煙氣排放的差異,提出確定“經(jīng)濟煙氣中段溫度”的方法。

3 “經(jīng)濟煙氣中段溫度”的選取

3.1 影響因素

選取不同的煙氣中段溫度將對幾個設計參數(shù)產(chǎn)生影響:

1)蒸汽發(fā)生量;2)燃料耗量;3)風機電耗;4)對流爐管工程量;5)空氣預熱器工程量;6)煙風道工程量;7)電氣工程量;8)自控儀表工程量;9)構(gòu)筑物工程量。

3.2 不同煙氣中段溫度下的經(jīng)濟效益分析

3.2.1 分析基準

基于國內(nèi)在運的一套連續(xù)重整裝置反應加熱爐的設計參數(shù),通過對比4組不同的煙氣中段溫度條件下(140、214、260和320 ℃)的經(jīng)濟效益和社會效益給出煙氣中段溫度選取的理論依據(jù)。選取上述4個煙氣中段溫度,主要原因在于:

1)140 ℃作為采用單一的余熱鍋爐發(fā)生蒸汽的方案所能做到的排煙溫度下限,具有對比基準的意義。

2)214 ℃是本文案例中260萬t/a連續(xù)重整反應加熱爐實際選取的煙氣中段溫度。

3)260 ℃作為一個中間溫度進行對比分析。

4)320 ℃是煙氣中段溫度能夠選取的一個較高溫度,高于此溫度一方面會導致預熱空氣溫度過高,影響燃燒器的設計和燃燒狀態(tài);另一方面會導致對流段的蒸汽發(fā)生段傳熱動力不足,不利于對流段的工藝設計和操作。

為便于定性分析,蒸汽、燃料氣、電以及設備單價直接采用了某煉廠的實際采購價格。各煉化企業(yè)的實際采購價格可能略有不同,但不影響本文的分析結(jié)論。裝置全年運行小時數(shù)按8 400 h考慮。

該連續(xù)重整裝置反應加熱爐的主要設計參數(shù)如表1和表2所示。

表1 連續(xù)重整裝置反應加熱爐設計參數(shù)匯總(一)

表2 連續(xù)重整裝置反應加熱爐設計參數(shù)匯總(二)

3.2.2 各設計參數(shù)影響分析

1)發(fā)生蒸汽經(jīng)濟性對比

發(fā)生蒸汽為3.7 MPa 中壓蒸汽,過熱至415 ℃,余熱鍋爐給水溫度為104 ℃。其經(jīng)濟性對比見表3。

表3 發(fā)生蒸汽經(jīng)濟性對比

2)燃料氣經(jīng)濟性對比

煉廠燃料氣熱值(標準狀態(tài))為43 720.3 kJ/m3。其經(jīng)濟性對比見表4。

表4 燃料氣經(jīng)濟性對比

3)風機電耗經(jīng)濟性對比

余熱回收系統(tǒng)設置2臺鼓風機(1開1備),1臺引風機。表5所列為1臺鼓風機、1臺引風機的總電耗。

表5 風機總電耗經(jīng)濟性對比

4)對流段爐管用量對比

對流段爐管用量對比見表6。

表6 對流段爐管用量對比

5)預熱器工程量對比

預熱器工程量對比見表7。

表7 預熱器工程量對比

3.2.3 影響因素經(jīng)濟效益分析匯總

經(jīng)濟效益分析匯總見表8。

表8 經(jīng)濟效益分析匯總 萬元

3.2.4 投資回收期的計算

表9中的投資回收期(年)的計算方法如下:

式中:M——投資回收期,a;

A j——煙氣中段溫度j℃下的蒸汽總價,萬元;

A140——煙氣中段溫度140℃時的蒸汽總價,萬元;

B j——煙氣中段溫度j℃下的燃料氣總價,萬元;

B140——煙氣中段溫度140 ℃時的燃料氣總價,萬元;

C j——電耗總價,萬元;

D j——煙氣中段溫度j℃下的對流爐管總價,萬元;

D140——煙氣中段溫度140 ℃時的對流爐管總價,萬元;

E j——預熱器總價,萬元;

F j——風機總價,萬元;

G j——煙風道總價,萬元;

H j——電氣總價,萬元;

K j——自控儀表總價,萬元;

R j——構(gòu)筑物總價,萬元。

3.3 不同煙氣中段溫度條件下的社會效應影響分析

煙氣中段溫度的選取會對連續(xù)重整反應加熱爐的燃料用量產(chǎn)生顯著影響,從而影響碳排放。因此,此處社會效應的分析主要考慮由于燃料用量的變化而導致的二氧化碳排放量的變化。

參照北京市地方標準DB11/T 1783—2020《二氧化碳排放核算和報告要求 石油化工生產(chǎn)業(yè)》的相關(guān)要求和計算方法,化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量E燃燒是核算和報告年度內(nèi)各種化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量之和(其中i是化石燃料類型代號):

式中:AD i——第i種化石燃料的活動數(shù)據(jù),GJ;

EF i——第i種化石燃料的二氧化碳排放因子,tCO2/GJ。

其中

式中:CCi——第i種化石燃料的單位熱值含碳量,tC/GJ,取DB11/T 1783—2020附錄A 表A.1中煉化干氣的數(shù)值18.2×10－3t C/GJ;

OF i——第i種化石燃料的碳氧化率,以%表示,取DB11/T 1783—2020附錄A 表A.1中煉化干氣的數(shù)值98%。

式中的44/12表示二氧化碳與碳的相對分子量之比。

則有

又有

式中:NCV i——第i種化石燃料的平均低位發(fā)熱量(標準狀態(tài)),GJ/104m3;

FC i——第i種化石燃料的消耗量(標準狀態(tài)),104m3。

結(jié)合表4的相關(guān)數(shù)據(jù),計算得到燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量,如表9所示。

從表9可以看出以下兩點:

表9 燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量

1)采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽與空氣-煙氣換熱余熱加熱助燃空氣相結(jié)合的方案(即煙氣中段溫度分別為214、260和320℃)時,全年的二氧化碳排放量較采用單一的余熱鍋爐發(fā)生蒸汽的方案(即煙氣中段溫度為140 ℃)時都有不同程度的減少;

2)根據(jù)表中數(shù)據(jù)粗略估計,煙氣中段溫度每提高50～60℃,連續(xù)重整反應加熱爐的二氧化碳排放量可以減少2%～3%,在不考慮經(jīng)濟投資的前提下應盡量提高煙氣中段溫度,減少燃料消耗,降低二氧化碳排放。

4 結(jié)論

綜上所述,得出以下幾點結(jié)論:

1)根據(jù)表8可以得出,采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽＋煙氣加熱助燃空氣相結(jié)合的方案所節(jié)省下來的燃料費用十分可觀。相較于單純采用發(fā)生蒸汽方案,該方案所增設的預熱器、風機、煙風道等一次費用總投資僅需不到3 a即可回收,這對于煉化企業(yè)而言,投資利益見效快,方案合理。

2)根據(jù)表8可以得出,當確定采用余熱鍋爐發(fā)生蒸汽＋煙氣加熱助燃空氣相結(jié)合的方案時,其主要設備費及爐管的一次性投資均可在3 a內(nèi)完成回收,特別是在煙氣中段溫度260℃(回收期2.273 a)和320 ℃(回收期2.502 a)條件下,其投資回收期的差別僅為0.229 a,對于煉化企業(yè)而言,該差別可以忽略不計。此時,認為應該將“經(jīng)濟煙氣中段溫度”盡量取高值,一方面可以將余熱鍋爐的省煤段取消,簡化余熱鍋爐部分的工藝流程;另一方面,增大預熱助燃空氣部分的熱負荷可以有效減少燃料消耗,對于減少碳排放更加有利。

3)根據(jù)表9可以得出,選取越高的煙氣中段溫度,其燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳排放量就越少,煙氣中段溫度每提高50～60℃,連續(xù)重整反應加熱爐的二氧化碳排放量可以減少2%～3%。企業(yè)在考慮利潤的同時也應兼顧減排降碳的影響,綜合考慮合理的煙氣中段溫度。