连续重整四合一炉节能升级改造

伍志勇

（中海油惠州石化有限公司运行七部，广东 惠州 516086）

引言

连续催化重整装置中，燃料气约占装置能耗的81.86%，其中重整反应加热炉消耗燃料气最多，约占装置能耗的66.9%[1]。近年来，对重整装置四合一炉的相关改造也逐渐增多[2-4]。某公司180 Mt/a 连续重整装置四合一加热炉作为该装置反应加热炉，设计负荷为100.07 MW，为该装置能耗最大的设备，设计排烟温度171 ℃，实际排烟温度165 ℃，加热炉热效率在91%左右。为进一步提高加热炉运行热效率，降低装置能耗，决定对四合一炉进行预热回收系统改造，通过增加烟气余热回收系统，增设鼓、引风机及空气预热器，通过提高助燃空气的温度以提高热效率。改造后的四合一炉排烟温度控制在80 ℃，加热炉热效率可达到95%以上。

1 新增余热回收系统工艺流程

该烟气余热回收系统设有鼓风机两台，空气经过两台鼓风机加压至1.8 kPa 后，先通过低温空气预热器，与经过高温空气预热器换热过的低温烟气进行换热，升温至95 ℃左右后，再进入与从四合一炉顶烟气过来的高温烟气进行换热，空气加热至147 ℃后，经过风道，送至加热炉燃烧器风箱，与燃料气配烧。

四合一炉炉顶165 ℃左右的高温烟气经过顶部集合管首先进入高温空气预热器，与空气换热后降温至128 ℃左右，经过引风机增压后进入低温烟气预热器与从鼓风机过来的低温空气进行换热，降温至80 ℃后直接排入烟囱。低温烟气预热器底部设置有烟气冷凝水排水系统，所排污水可直接进入含油污水系统。余热回收系统流程，如图1 所示。

图1 余热回收系统流程

2 关键难点

2.1 露点腐蚀

某公司燃料气系统中硫含量不稳定，并且燃料气中总硫含量远高于设计院对燃料气中总硫含量（质量分数，下同）小于0.5×10-6的要求。如何在不增上精制脱硫设施的前提下，保证换热后烟气降低至80℃以下，避免低温系统的露点腐蚀，成为该项目长周期平稳运行的重中之重。

2.2 异常工况波动大

余热回收系统空气和烟气系统流量大，压降低，所需管线粗，设备大，必须保证烟气余热回收系统各种异常工况下平稳运行，避免对加热炉和重整装置运行产生重大影响。

2.3 烟气氮氧化物排放不达标

通过空气与烟气换热，提高进加热炉空气温度后，燃烧器火焰温度相应提高，氮氧化物排放量必然增大，本项目投用后必须保证烟气的氮氧化物在排放指标内。

2.4 燃烧器改造成本过高

四合一炉原有燃烧器为进口低氮自燃通风燃烧器，本项目实施后，通风形式变为强制通风，如果所有燃烧器进行更换，燃烧器购买费用和施工费用将增加500 万元以上，能否将现有燃烧器由自然通风改为强制通风且满足氮氧化物排放要求，成为该项目实施的制约因素。

2.5 空气系统供风不均

该连续重整装置四合一炉共有72 个燃烧器，空气系统需要将鼓风机的风量均匀输送到各个火嘴，不能出现供风不均匀的工况，否则严重影响加热炉的负荷。

3 解决方案

3.1 流程设计创新、避免露点腐蚀

余热回收系统的空气预热器采用两段设计，高温空气预热器烟气出口温度控制在120 ℃以上，引风机置于高低温空气预热器中间，保持引风机介质温度在120 ℃以上运行，避免露点腐蚀。同时，降温后的烟气不经过引风机加压，直接排入烟囱，保证低温烟气在负压工况下排入大气，避免低温空气预热器中生成大量明水，产生腐蚀；高温预热器和引风机在任何工况下都在露点腐蚀温度以上工作，因此材质可以采用普通碳钢，大幅度降低设备投资。通过在高温空气预热器供风侧出入口设计跨线，在各种负荷下仍能保证高温空气预热器出口温度在120 ℃以上；当燃料气硫含量较高时，排烟温度如果低于80 ℃，低温空气预热器可能会导致严重的露点腐蚀，在运行过程中，可通过高低温空气预热器总出入口跨线，调整排烟温度，将排烟提至露点腐蚀温度以上。

3.2 低温空气预热器选型创新

低温空气预热器采用耐露点腐蚀的ND 钢材质，低温空气预热器出口温度平均为80 ℃，但是低温空气预热器出口温度存在差异，由换热温度曲线可知：鼓风机将低温空气鼓入到低温空气预热器内开始换热的部位温度较低，局部温度低于60 ℃。随着运行时间延长，如果低温空气预热器出现腐蚀泄漏时，必然是靠近空气侧先发生腐蚀。

低温空气预热器换热器结构选型为板式，主要具有以下优点：烟气侧与空气侧均是完全光滑直道，支持透光检查，有利于设备维护、检查；极端工况发生腐蚀时，可以对预热器腐蚀部位板材进行更换，避免对预热器整体进行更换，降低更换成本。

3.3 工艺流程创新，燃气料系统增加天然气补充线

该连续重整装置四合一炉所用燃料气由全厂干气脱硫后与天然气混合而成，天然气中总硫含量一般低于0.5×10-6，而全厂干气中总硫一般在2×10-6～5×10-6，经过混合后的燃料气燃烧后的烟气难以满足排烟温度低于80℃的露点腐蚀要求，考虑到全厂天然气补入总的燃料气管网量比较大，该装置从全场天然气总管网引入一股天然气，并入到燃料气分液罐前，与燃料气管网燃料气进行混合，用以降低燃料气中总硫含量。

3.4 双鼓风机设计，保证异常工况下加热炉稳定运行

针对余热回收系统鼓风机系统，将常规单鼓风机加快开风门的设计优化为双鼓风机的模式，取消快开风门系统。

1）当其中一台鼓风机故障时，DCS 自控关闭该风机入口挡板，同时将另一台鼓风机入口调节挡板开度调至最大且耦合器调至最大负荷运行。经设计核算，单台鼓风机能够保证是四合一炉正常运行。

2）双鼓风机采用双线路，避免了装置因晃电导致的双鼓风机同时故障，降低了事故风险。

3）在投资没有明显增多的情况，避免了原有设计中单台鼓风机停机后快开风门打开，加热炉供风温度急剧下降，加热炉出口温度大幅度波动的问题，确保加热炉系统长期稳定运行。

3.5 专利技术避免燃烧器更换、确保烟气氮氧化合格

该连续重整装置四合一炉燃烧器采用进口自然通风低氮燃烧器。余热回收系统改造需要将燃烧器由自然通风改为强制通风。同时，空气温度从常温升高至146 ℃后，必须保证烟气中氮氧化含量不会大幅度上升，因此燃烧器改造是该项目的关键瓶颈之一。

3.5.1 风箱改造

通过对燃烧器增加风箱，将燃烧器由自然通风改为强制通风且风箱上设置调节手柄，保证操作的灵活性。燃烧器主体采用的消声结构及低热传导设计，隔热保温性能优异，使燃烧器箱体向外散热损失降至最低，同时由于网板和内衬隔热材料的阻尼性消音，使得助燃空气在燃烧器内高速流动产生的噪音得到迅速衰减，实现燃烧器的低噪音排放，满足燃烧器运行时噪音＜80 dB 及风箱外筒表面温度低于60 ℃的要求。

3.5.2 燃烧器喷头设计改造

改造后该燃烧器采用了燃料分级、强化混合、烟气回流、降低燃烧火焰表面温度、扼制NOx生成的燃烧技术。助燃空气经过装置高温烟气余热回收预热，一定压力的热空气进入对开调风蝶阀，根据负荷大小，通过对开调风蝶阀手柄控制总风量，热空气进入燃烧器风箱内腔，通过火盆砖火道内锥面出口空气流产生一定压差，增大了空气流与燃气流的交角，改善了气流混合条件，提高了入口处的空气流速，强化了空气与燃气的混合，特别是与一级燃料的混合，有利于实现合理比例的烟气回流。

多种措施的组合实施，实现了燃料的分级稳定燃烧，降低了火焰表面温度，有效地抑制了烟气中NOx的生成，从而实现了燃烧烟气的低NOx排放。因而，经过改造后的燃烧器是一种性能优异的低NOx气体燃烧器，其排放的烟气质量浓度在50 mg/m3以下，达到了高效、节能、低NOx污染排放与低噪声的环保目的。

3.6 解决燃烧器空气分配问题，消除关键瓶颈

该重整装置四合一炉共有72 个燃烧器，空气需要通过热风道将热空气均匀分配至72 个燃烧器，因四个炉子的负荷大小不一，需要的风量各不相同且风道布置需要考虑现场风道摆放位置，因此风道的布置不可能完全对称。

施工前，采用软件进行模拟，对风道各个位置的压力进行核算，发现部分支路的压力偏差较大，为保证空气分配均匀，本项目风道中压力低的支路中增加导流装置，保证了风道中各处压力相对一致；同时，在每个燃烧器前增加调节手柄，保证了各个燃烧器风量分配均匀。

此外，侧烧燃烧器的下层炉膛负压大，上层小，故下层燃烧器与上层燃烧器操作条件有区别，实际操作时将下层燃烧器的调风门可以适当关小，进一步加强上下层燃烧器流量的均匀性。

4 实施效果

该四合一炉余热回收系统投用前后，委托第三方在装置满负荷工况下，对加热炉进行标定。标定结果显示，投用余热回收系统后，加热炉热效率提高显著，具体数值详，如表1 所示。

表1 催化重整（II）装置四合一炉热效率

5 结论

1）该余热回收系统的投用极大地提高了加热炉的热效率，预计年节省热值为42 463.9 MW，折合为等热值的天然气，每年节省天然气费用925.3 万元；

2）以节省天然气2 986.75 t/a 计算，其中：天然气中碳含量（质量分数）为72%，二氧化碳中碳含量（质量分数）为27.3%，则对应节省二氧化碳排放7 914.10 t，具有良好的社会效益。