连续重整反应加热炉烟气余热回收方案对比分析

王曦宏

(中国石化工程建设有限公司,北京 100101)

寻找一条节能、低碳、绿色的可持续发展道路一直以来都是广大石化企业追寻的目标。近年来,为积极响应国家对于中央企业在2030年前实现“碳达峰”、2060 年前实现“碳中和”的目标要求,各石化企业都将“降低装置能耗,减少碳排放”的要求提到了一个全新的高度。

连续重整装置作为化工原料的重要来源,在石化企业中的地位不言而喻。连续重整反应加热炉作为连续重整装置的主要耗能设备,如何在现有技术基础上找到一种更节能、环保的连续重整反应加热炉烟气余热回收方案,对于提高连续重整反应加热炉整体热效率、降低装置能耗十分必要。

1 连续重整反应加热炉

连续重整反应加热炉是石油化工生产装置中的主要设备之一,为石化装置的主要耗能设备。从能耗方面来讲,连续重整装置加热炉能耗一般约占装置能耗的80%【1】;从投资方面来讲:连续重整反应加热炉是连续重整装置中最昂贵的单体设备,占装置总投资的15%～25%【2】。

连续重整反应加热炉是连续重整装置的关键设备,其为连续重整反应进料加热炉和第一、第二、第三中间加热炉的统称,分别为连续重整进料反应器以及第一、第二和第三反应器提供反应所需的能量【2】。根据工艺需求和装置处理量的不同,连续重整反应加热炉的辐射段总热负荷可达到连续重整装置加热炉总热负荷的50%～85%。

连续重整反应加热炉按照其辐射炉盘管的构型可分为正“U”形盘管连续重整加热炉和倒“U”形盘管连续重整加热炉【3】,分别如图1和图2所示。这两种炉型在回收辐射段高温烟气余热的方式上没有实质上区别,故本文选用了某工程项目中的倒“U”形盘管连续重整加热炉作为实例进行讨论。

图1 正“U”形盘管示意【3】

图2 倒“U”形盘管示意【3】

2 连续重整反应加热炉烟气余热回收方案

2.1 连续重整反应加热炉经济烟气余热回收方案的含义

中海油惠州炼化张绍良等【1】提出经济排烟温度的概念,并通过较为详实的计算方案及对比实例阐明了关于连续重整反应加热炉排烟温度的降低程度需要进行多角度的分析,综合考虑,并非传统意义上的越低越好的观点。笔者认为该设计理念对于目前连续重整反应加热炉的烟气余热回收方案的选取具有指导意义。本文针对连续重整反应加热炉的烟气余热回收方案的选取,以及如何综合利用发生蒸汽回收余热和预热助燃空气两种烟气余热回收方案实现炼化企业经济效益最大化、降低连续重整反应加热炉的综合能耗和投资进行分析和讨论,提出“经济烟气中段温度”的概念。所谓“经济烟气中段温度”即炼化企业运行成本、一次性投资最低,节能降碳效果最大化的连续重整反应加热炉对流段排烟温度。

2.2 连续重整反应加热炉高温烟气余热回收方案

为满足连续重整低压、高温的反应特性的需求,工艺介质在通过单个连续重整反应加热炉时,其允许压降值较常规炼油加热炉要小得多。极小的允许压降导致工艺介质无法布置在连续重整反应加热炉的对流段进行预热,辐射段的高温烟气余热只能通过其他方式回收。下文将对目前在运行的连续重整反应加热炉的3种高温烟气余热回收方案的特点进行简要介绍。

2.2.1 采用余热锅炉发生蒸汽和预热装置内原料相结合的方案

通过调研了解,目前在运的重整装置中仅有为数不多的几套传统半再生重整装置加热炉在扩能改造过程中采用了此种烟气预热的回收方式。

由于装置扩能,连续重整反应加热炉热负荷提高,辐射段的高温烟气需回收的热量增加,对流段的理论发生蒸汽量也将增加,现有的汽包、给水循环泵等蒸汽发生系统的相关设备无法满足蒸汽量增大后的需要。同时,半再生连续重整本身已经属于相对落后的连续重整技术,已逐渐被连续重整技术所替代,对类似这种面临淘汰的老旧装置的蒸汽发生系统进行大规模的改造或增加烟气余热回收系统,改造的整体性价比较低。

基于上述原因,在改造过程中常采用将连续重整装置的分馏塔进料炉、汽提塔重沸炉(根据装置的实际需要)等的进料送入连续重整反应进料加热炉对流段进行预热的方式。这样做,一方面可以有效回收利用由于装置扩能带来的剩余烟气余热,降低装置的整体燃料耗量;另一方面,可以保持发生蒸汽量处于原设计点,蒸汽发生系统相关设备可不做改动。对于这种面临老旧淘汰的半再生重整装置而言,不失为一种理想的改造方法。

对于新建或在运的连续重整装置加热炉的改造,则不建议采用发生蒸汽和预热装置内原料相结合的方案,原因主要有如下两点:

1)该方案无法调节其他加热原料的预热后温度,连续重整反应加热炉的辐射段热负荷一旦确定,原料预热后温度就已固定。一旦连续重整反应加热炉负荷波动较大,必将导致原料预热过程中的取热产生较大波动,影响其他加热炉的生产操作。

2)由于需要将其他加热炉的原料引入连续重整反应进料加热炉,且由于连续重整装置平面布置的原因,通常情况下相应增加的输送管线的长度及泵的压头都不小,整体经济性不高。

综上所述,认为采用余热锅炉发生蒸汽和预热装置内原料相结合的方案仅是一个解决老旧重整装置扩能的权宜方案,不宜在新建或在运的连续重整装置加热炉中选用。

2.2.2 采用余热锅炉发生蒸汽的方案

此方案是正“U”形盘管连续重整加热炉、倒“U”形盘管连续重整加热炉均普遍采用的烟气余热回收方案。

连续重整反应加热炉余热锅炉流程如图3所示。

图3 连续重整反应加热炉余热锅炉流程

此种方案在上世纪八、九十年代连续重整反应加热炉的热效率以及装置碳排放要求不高的时期是主流设计形式。主要原因有如下几点:

1)增加装置产汽,降低能耗,若产汽富余还可考虑外供获得经济效益;

2)对流段设计符合连续重整反应加热炉的结构特点,连续重整反应加热炉整体设计紧凑,可节约成本;

3)汽包及其附属管道可设置在连续重整反应加热炉顶部,减小占地,降低成本。

随着国际能源供给的日趋紧张以及环保压力的加大,在石化行业中如何有效降低化石能源耗量、有效减少碳排放就成了连续重整反应加热炉设计方案优劣的一个重要评价指标。

连续重整反应加热炉对流段采用单一的余热锅炉发生蒸汽取热方案在降低燃料用量、节约能耗方面存在较明显的局限性,主要表现为:

1)发生蒸汽品味及蒸汽量需要结合全厂的需要综合考虑,在一定程度上限制了连续重整反应加热炉对流段的取热效率以及排烟温度的进一步降低,不利于连续重整反应加热炉整体热效率的提高。

2)连续重整反应加热炉对流段锅炉给水为除氧水。由于大气式除氧器出口的饱和水温度一般在104～106℃,同时考虑炉管的硫酸露点腐蚀以及对流传热温差问题,因此排烟温度宜控制在140 ℃以上,无法进一步降低,对应的加热炉整体热效率则不高于92%。

综上所述,连续重整反应加热炉对流段采用单一的余热锅炉发生蒸汽取热方案可以在一定程度上降低排烟温度、提高连续重整反应加热炉整体热效率,但效果受限。

2.2.3 采用余热锅炉发生蒸汽与烟气余热加热助燃空气相结合的方案

此方案的主要设计理念是在现有的连续重整反应加热炉对流段尾部再增设空气-烟气换热的余热回收系统,通过预热助燃空气,进一步回收烟气余热,减少加热炉的燃料消耗,进一步提高连续重整反应加热炉整体热效率,同时降低碳排放。

由于在对流段尾部增设了空气-烟气换热余热回收系统,在设计初期可以通过调整离开对流室的排烟温度,合理分配发生蒸汽段与烟气余热回收系统的回收热量比例。在方案的设计阶段,设计方可以与业主进行沟通,了解业主对于蒸汽的实际需求量,在蒸汽发生量和燃料耗量之间进行权衡,确定一个最适合业主的对流室排烟温度。

基于此,提出“经济烟气中段温度”的概念。所谓“经济烟气中段温度”即对炼化企业实际操作而言最为合适的对流室的排烟温度,该温度需要综合考量炼化企业的一次性投资、实际蒸汽需求量、烟气排放指标等多种因素。

下面将基于一个实际的设计案例,通过对比不同的“烟气中段温度”条件下能耗和烟气排放的差异,提出确定“经济烟气中段温度”的方法。

3 “经济烟气中段温度”的选取

3.1 影响因素

选取不同的烟气中段温度将对几个设计参数产生影响:

1)蒸汽发生量;2)燃料耗量;3)风机电耗;4)对流炉管工程量;5)空气预热器工程量;6)烟风道工程量;7)电气工程量;8)自控仪表工程量;9)构筑物工程量。

3.2 不同烟气中段温度下的经济效益分析

3.2.1 分析基准

基于国内在运的一套连续重整装置反应加热炉的设计参数,通过对比4组不同的烟气中段温度条件下(140、214、260和320 ℃)的经济效益和社会效益给出烟气中段温度选取的理论依据。选取上述4个烟气中段温度,主要原因在于:

1)140 ℃作为采用单一的余热锅炉发生蒸汽的方案所能做到的排烟温度下限,具有对比基准的意义。

2)214 ℃是本文案例中260万t/a连续重整反应加热炉实际选取的烟气中段温度。

3)260 ℃作为一个中间温度进行对比分析。

4)320 ℃是烟气中段温度能够选取的一个较高温度,高于此温度一方面会导致预热空气温度过高,影响燃烧器的设计和燃烧状态;另一方面会导致对流段的蒸汽发生段传热动力不足,不利于对流段的工艺设计和操作。

为便于定性分析,蒸汽、燃料气、电以及设备单价直接采用了某炼厂的实际采购价格。各炼化企业的实际采购价格可能略有不同,但不影响本文的分析结论。装置全年运行小时数按8 400 h考虑。

该连续重整装置反应加热炉的主要设计参数如表1和表2所示。

表1 连续重整装置反应加热炉设计参数汇总(一)

表2 连续重整装置反应加热炉设计参数汇总(二)

3.2.2 各设计参数影响分析

1)发生蒸汽经济性对比

发生蒸汽为3.7 MPa 中压蒸汽,过热至415 ℃,余热锅炉给水温度为104 ℃。其经济性对比见表3。

表3 发生蒸汽经济性对比

2)燃料气经济性对比

炼厂燃料气热值(标准状态)为43 720.3 kJ/m3。其经济性对比见表4。

表4 燃料气经济性对比

3)风机电耗经济性对比

余热回收系统设置2台鼓风机(1开1备),1台引风机。表5所列为1台鼓风机、1台引风机的总电耗。

表5 风机总电耗经济性对比

4)对流段炉管用量对比

对流段炉管用量对比见表6。

表6 对流段炉管用量对比

5)预热器工程量对比

预热器工程量对比见表7。

表7 预热器工程量对比

3.2.3 影响因素经济效益分析汇总

经济效益分析汇总见表8。

表8 经济效益分析汇总 万元

3.2.4 投资回收期的计算

表9中的投资回收期(年)的计算方法如下:

式中:M——投资回收期,a;

A j——烟气中段温度j℃下的蒸汽总价,万元;

A140——烟气中段温度140℃时的蒸汽总价,万元;

B j——烟气中段温度j℃下的燃料气总价,万元;

B140——烟气中段温度140 ℃时的燃料气总价,万元;

C j——电耗总价,万元;

D j——烟气中段温度j℃下的对流炉管总价,万元;

D140——烟气中段温度140 ℃时的对流炉管总价,万元;

E j——预热器总价,万元;

F j——风机总价,万元;

G j——烟风道总价,万元;

H j——电气总价,万元;

K j——自控仪表总价,万元;

R j——构筑物总价,万元。

3.3 不同烟气中段温度条件下的社会效应影响分析

烟气中段温度的选取会对连续重整反应加热炉的燃料用量产生显著影响,从而影响碳排放。因此,此处社会效应的分析主要考虑由于燃料用量的变化而导致的二氧化碳排放量的变化。

参照北京市地方标准DB11/T 1783—2020《二氧化碳排放核算和报告要求 石油化工生产业》的相关要求和计算方法,化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量E燃烧是核算和报告年度内各种化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量之和(其中i是化石燃料类型代号):

式中:AD i——第i种化石燃料的活动数据,GJ;

EF i——第i种化石燃料的二氧化碳排放因子,tCO2/GJ。

其中

式中:CCi——第i种化石燃料的单位热值含碳量,tC/GJ,取DB11/T 1783—2020附录A 表A.1中炼化干气的数值18.2×10－3t C/GJ;

OF i——第i种化石燃料的碳氧化率,以%表示,取DB11/T 1783—2020附录A 表A.1中炼化干气的数值98%。

式中的44/12表示二氧化碳与碳的相对分子量之比。

则有

又有

式中:NCV i——第i种化石燃料的平均低位发热量(标准状态),GJ/104m3;

FC i——第i种化石燃料的消耗量(标准状态),104m3。

结合表4的相关数据,计算得到燃料燃烧产生的二氧化碳排放量,如表9所示。

从表9可以看出以下两点:

表9 燃料燃烧产生的二氧化碳排放量

1)采用余热锅炉发生蒸汽与空气-烟气换热余热加热助燃空气相结合的方案(即烟气中段温度分别为214、260和320℃)时,全年的二氧化碳排放量较采用单一的余热锅炉发生蒸汽的方案(即烟气中段温度为140 ℃)时都有不同程度的减少;

2)根据表中数据粗略估计,烟气中段温度每提高50～60℃,连续重整反应加热炉的二氧化碳排放量可以减少2%～3%,在不考虑经济投资的前提下应尽量提高烟气中段温度,减少燃料消耗,降低二氧化碳排放。

4 结论

综上所述,得出以下几点结论:

1)根据表8可以得出,采用余热锅炉发生蒸汽＋烟气加热助燃空气相结合的方案所节省下来的燃料费用十分可观。相较于单纯采用发生蒸汽方案,该方案所增设的预热器、风机、烟风道等一次费用总投资仅需不到3 a即可回收,这对于炼化企业而言,投资利益见效快,方案合理。

2)根据表8可以得出,当确定采用余热锅炉发生蒸汽＋烟气加热助燃空气相结合的方案时,其主要设备费及炉管的一次性投资均可在3 a内完成回收,特别是在烟气中段温度260℃(回收期2.273 a)和320 ℃(回收期2.502 a)条件下,其投资回收期的差别仅为0.229 a,对于炼化企业而言,该差别可以忽略不计。此时,认为应该将“经济烟气中段温度”尽量取高值,一方面可以将余热锅炉的省煤段取消,简化余热锅炉部分的工艺流程;另一方面,增大预热助燃空气部分的热负荷可以有效减少燃料消耗,对于减少碳排放更加有利。

3)根据表9可以得出,选取越高的烟气中段温度,其燃烧所产生的二氧化碳排放量就越少,烟气中段温度每提高50～60℃,连续重整反应加热炉的二氧化碳排放量可以减少2%～3%。企业在考虑利润的同时也应兼顾减排降碳的影响,综合考虑合理的烟气中段温度。