劉慶新

(云南大為恒遠(yuǎn)化工有限公司，云南 曲靖 655338)

云南大為恒遠(yuǎn)化工有限公司 123萬(wàn)t/a 粗苯加氫精制裝置采用德國(guó)伍德低溫加氫莫菲蘭萃取工藝，生產(chǎn)純苯、甲苯、二甲苯等產(chǎn)品。裝置加氫單元熱源采用一臺(tái)管式加熱爐以焦?fàn)t氣為燃料氣為系統(tǒng)提供熱源。管式爐存在著諸如污染大、加熱穩(wěn)定性差、熱效率低等弊端，尤其是熄火以及溫度調(diào)控滯及精度低，嚴(yán)重制約系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，為此需對(duì)加熱系統(tǒng)其進(jìn)行改造。

1 原管式爐運(yùn)行存在的主要問(wèn)題

1.1 燃燒后煙氣排放超標(biāo)

加熱爐使用焦?fàn)t煤氣為熱源，通過(guò)焦?fàn)t煤氣的燃燒產(chǎn)生熱能，由于焦?fàn)t煤氣中含有硫、氮、焦油、苯、萘等多種有毒有害物質(zhì)，經(jīng)燃燒后轉(zhuǎn)化為SO2、NOx等通過(guò)煙囪排放至大氣中，造成對(duì)大氣的污染。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部GB/T16171—2012《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》粗苯管式爐、半焦烘干和氨分解爐等燃用焦?fàn)t煤氣的設(shè)施對(duì)煙氣SO2排放限值為 100 mg/m3，在正常穩(wěn)定工況下采購(gòu)的焦?fàn)t煤氣無(wú)機(jī)硫質(zhì)量濃度≤150 mg/m3(以H2S計(jì))、有機(jī)硫質(zhì)量濃度<200 mg/m3(濕法脫硫可去除無(wú)機(jī)硫，無(wú)法有效控制有機(jī)硫含量)。無(wú)機(jī)硫按照H2S計(jì)算，150 mg/m3相當(dāng)于排放SO2約 280 mg/m3，有機(jī)硫按CS260%，COS 20%，硫醚、噻吩等20%估算，200 mg/m3相當(dāng)于排放SO2為 250 mg/m3，總排放SO2為 530 mg/m3。顯然焦?fàn)t煤氣管式爐的污染物排放已然超過(guò)國(guó)家排放限額標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 增加碳排放

焦?fàn)t煤氣含有H2(55%～60%,體積分?jǐn)?shù)), CH4(23%～27%,體積分?jǐn)?shù)), CO(5%～8%,體積分?jǐn)?shù)), CO2(1.5%～3.0%,體積分?jǐn)?shù)), N2(3～7%,體積分?jǐn)?shù)), O2(<0.5%,體積分?jǐn)?shù)), C2H4(2～4%,體積分?jǐn)?shù))；其燃燒煙氣排放物以H2O、CO2為主，其中CO2約占煤氣燃燒產(chǎn)物的30%。不使用焦?fàn)t煤氣加熱時(shí)，按照原加熱爐 450 m3/h 焦?fàn)t煤氣用量計(jì)算，可減少溫室氣體CO2排放約為 135 m3/h，即可減少CO2排放量 1900 t/a。

1.3 工藝調(diào)整滯后以及調(diào)控精度低

除了對(duì)環(huán)境的影響以外，以焦?fàn)t煤氣作為熱源的加熱爐在生產(chǎn)運(yùn)行中還存在以下弊端：①加熱爐使用空氣助燃，大部分不可燃的煙氣通過(guò)煙囪帶走大量的熱，排煙熱損失占總損失的70%～80%[1]，熱能浪費(fèi)嚴(yán)重；②加熱爐處于焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)末端，常出現(xiàn)煤氣熱值偏低、壓力波動(dòng)、帶水的情況，導(dǎo)致加熱系統(tǒng)波動(dòng)，需要操作人員時(shí)刻緊盯煤氣壓力及時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，如果操作不及時(shí)會(huì)使溫度大幅波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至熄火導(dǎo)致連鎖系統(tǒng)啟動(dòng)繼而引發(fā)緊急停車(chē)，影響生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行[2]；③煤氣熱值偏低時(shí)還會(huì)使煤氣用量大幅增高，溫度控制滯后且控制精度低，對(duì)人員操作要求高。

1.4 影響系統(tǒng)穩(wěn)定和安全

為了保障系統(tǒng)安全，加熱爐聯(lián)鎖了安全自動(dòng)控制系統(tǒng)，點(diǎn)火時(shí)常由于煤氣帶水、末端煤氣可燃成分低等各種因素造成點(diǎn)火失敗而啟動(dòng)聯(lián)鎖跳車(chē)，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。

2 技改方案比選

針對(duì)粗苯管式爐加熱爐中存在的問(wèn)題，本研究提出了兩種更改熱源的改進(jìn)方案，一是電加熱方式；二是蒸汽加熱方式。

2.1 安全性

電加熱存在高溫下電氣設(shè)備加速老化問(wèn)題，安全性較蒸汽加熱低，因此，采用電加熱的方式對(duì)管式爐進(jìn)行改造時(shí)，為了確保生產(chǎn)系統(tǒng)安全性，需定期對(duì)電加熱設(shè)備進(jìn)行檢修和維護(hù)；其次，由于燃?xì)夂驼羝訜釥t均需根據(jù)熱源壓力及氣體載熱量進(jìn)行調(diào)控，調(diào)控精度不如電力精準(zhǔn)，因此使用電力熱源更易操作，降低了人為誤操作的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 經(jīng)濟(jì)性

影響加熱爐運(yùn)行成本最為關(guān)鍵的因素是加熱熱源的選擇，因此根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程循環(huán)氣的工藝條件參數(shù)進(jìn)行電加熱與蒸汽加熱成本測(cè)算[4]對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 電加熱與蒸汽加熱成本對(duì)比表

按實(shí)際值經(jīng)查詢(xún)可知：

加熱器入口(P1=2.759 MPa(g)，T=210 ℃)時(shí)混合物比熱Cp1=2.633 kJ/(kg·K)；焓值為H1=1042.5 kJ/kg，加熱器出口(P2=2.659 MPa(g)，T=210 ℃)時(shí)混合物比熱Cp2=2.793 kJ/(kg·K)；焓值為H2=1219.0 kJ/kg，故加熱器凈加熱功率為：

P=15571.7 kg/h×(1219.0-1042.5)kJ/kg=
2 748 405.05 kJ/hr=763.4 kW

2.考慮加熱器熱損失及電加熱效率，取綜合電能利用率為0.85，同時(shí)考慮20%安全裕度，則：

P′=763.4/0.85×1.2 kW=1077.7 kW

因此電加熱器電功率取 1100 kW 較為適宜。

每小時(shí)用電費(fèi)用=1100度×0.4元/度=440元/h

3. 每小時(shí)耗蒸汽量計(jì)算(高壓過(guò)熱蒸汽轉(zhuǎn)化為中壓蒸汽效率取值70%)

高壓飽和蒸汽(4.7 MPa/260 ℃焓值 2799.9 KJ/kg)加熱循環(huán)氣后變?yōu)榈蛪猴柡驼羝?0.8 MPa/170 ℃焓值2768.4 KJ/kg)，焓值降低為：

H降=2799.9-2768.4=31.5 KJ/kg

設(shè)高壓過(guò)熱蒸汽每小時(shí)用量為m，則

P=H降×m×70%

2748405.05 KJ/hr=31.5 KJ/kg×m×70% →m=124.64 t/h

高壓蒸汽與低壓蒸汽價(jià)格差為：116-112=4元

每小時(shí)蒸汽使用費(fèi)：124.64×4=498.56元/h

經(jīng)測(cè)算，蒸汽加熱較電加熱費(fèi)用高58.56元/h。

2.3 可行性

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有約 500 m2的空間可安裝防爆電加熱爐，加裝配電柜后園區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷也能滿足使用要求。如果使用蒸汽熱源要考慮使用后的蒸汽或者熱水的回收、處理問(wèn)題，加之現(xiàn)有園區(qū)條件下，電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性較蒸汽管網(wǎng)穩(wěn)定性高，更有利于生產(chǎn)穩(wěn)定調(diào)節(jié)，而且使用清潔能源無(wú)廢氣、廢水處理問(wèn)題。因此，建議使用電力熱源改造原管式加熱爐。

2.4 項(xiàng)目實(shí)施前后對(duì)比

1)經(jīng)改造后，可節(jié)約 450 m3/h 的焦?fàn)t煤氣用量；

2)經(jīng)改造投運(yùn)后，由于熱源的改變，可使加熱爐的熱效率由原來(lái)的焦?fàn)t煤氣加熱爐的約30%增加至電加熱的不低于85%，由于加熱效率大幅度提高，經(jīng)初步測(cè)算，僅此一項(xiàng)可降低熱源成本2～5元/t(粗苯)，按8萬(wàn)t/a的實(shí)際加工量計(jì)算，每年可節(jié)約生產(chǎn)成本16～40萬(wàn)元/年，運(yùn)行情況見(jiàn)表2。

表2 改造前后運(yùn)行狀況對(duì)比

改造后控制系統(tǒng)控制精度提高，降低了操控難度和操作風(fēng)險(xiǎn)。

3)實(shí)現(xiàn)減排排溫室氣體 1900 t/a。每年可以減少SO2排放量 1.71 t。

4)運(yùn)行控制相應(yīng)更為及時(shí)，響應(yīng)時(shí)間從 15 min 縮短至 5 min，設(shè)定控制溫度后基本能實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制，系統(tǒng)溫度波動(dòng)范圍縮小，無(wú)需員工時(shí)刻緊盯控制溫度，大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人員操作技能水平差異帶來(lái)的對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

5)大幅提高了一次點(diǎn)火成功率，自從改造后沒(méi)有再出現(xiàn)過(guò)開(kāi)車(chē)點(diǎn)火失敗的現(xiàn)象。