宋 濤

(海南實(shí)華嘉盛化工有限公司，海南 洋浦 578101)

1 裝置概述

海南實(shí)華嘉盛化工有限公司(下文稱SHJS)8.5萬t/a乙苯裝置采用中科院化學(xué)物理研究所的第三代催化干氣制乙苯技術(shù)，利用催化裝置副產(chǎn)干氣和芳烴歧化裝置所產(chǎn)苯為原料，通過脫丙烯、烴化及反烴化反應(yīng)、吸收及苯回收、乙苯分離四個工藝過程，最終生產(chǎn)乙苯的稀乙烯制乙苯裝置。該裝置烴化反應(yīng)是生成乙苯的關(guān)鍵性過程，所用催化劑為中國石化上海石化研究院開發(fā)的SEB-12型烷基化催化劑，烴化反應(yīng)為氣相烷基化反應(yīng)，烴化反應(yīng)需要的熱量主要由循環(huán)苯加熱爐提供，因此控制合適的循環(huán)苯加熱爐出口溫度對烴化反應(yīng)至關(guān)重要。裝置投產(chǎn)運(yùn)行以來循環(huán)苯加熱爐進(jìn)行過多次優(yōu)化調(diào)整，但自身存在諸多問題仍然制約著加熱爐下個周期的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

2 循環(huán)苯加熱爐運(yùn)行中存在的問題及原因分析

2.1 加熱爐排煙溫度高，熱效率偏低

循環(huán)苯加熱爐設(shè)計(jì)排煙溫度為160℃，熱效率為89%，設(shè)計(jì)排煙溫度高，熱效率遠(yuǎn)低于國內(nèi)的平均水平。分析原因主要是：1)乙苯裝置烷基化反應(yīng)原設(shè)計(jì)苯與乙烯物質(zhì)的量比為6～7，高苯烯比可以提高干氣中的乙烯收率，并且有利于減少副產(chǎn)物的生成，但是提高循環(huán)苯量會加大循環(huán)苯加熱爐熱負(fù)荷，燃料氣用量增大，爐膛溫度升高，致使排煙溫度高；2)沒能有效利用煙氣余熱，導(dǎo)致排煙溫度高，有資料顯示排煙溫度每升高12～15℃，煙氣熱損失就增加1%；3)加熱爐進(jìn)風(fēng)采用鼓風(fēng)機(jī)直接向爐膛通風(fēng)，煙囪則采用自然排煙的形式，采用這種操作工況會造成加熱爐燃燒用的空氣和爐膛負(fù)壓受天氣情況影響比較大，為了保障燃燒器的燃燒效果，必然加大燃料氣量，導(dǎo)致排煙溫度過高。

2.2 燒嘴工藝落后，煙氣中氮氧化物排放超標(biāo)

根據(jù)國家發(fā)布的最新鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)，爐膛溫度低于800℃的燃?xì)饧訜釥t，其煙氣中氮氧化物排放不高于150 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)控制更加嚴(yán)格。在正常生產(chǎn)時，循環(huán)苯加熱爐煙氣在線監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1，數(shù)據(jù)顯示加熱爐排放煙氣中SO2含量、煙塵含量符合環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，但氮氧化合物排放經(jīng)常性超標(biāo)，這將會導(dǎo)致排污費(fèi)用大幅增加，必須進(jìn)行相應(yīng)的整改。

表1 循環(huán)苯加熱爐煙氣在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

氮氧化物生成機(jī)理主要包含三種：1)熱力型NOX，它是空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸桑?)快速型NOX，它是燃燒時空氣中的氮?dú)馀c燃料氣中的碳?xì)潆x子團(tuán)反應(yīng)生成，接觸時間越長，發(fā)生反應(yīng)的概率越高；3)燃料型NOX，它是燃料中含有的氮氧化物在燃燒過程中分解氧化而成[1]。由此分析循環(huán)苯加熱爐氮氧化物排放高的主要原因有三點(diǎn)：一是加熱爐燒嘴工藝落后，燒嘴平行布置導(dǎo)致加熱爐爐膛中心區(qū)域溫度高，沿爐膛高度方向釋熱不均，中心高溫區(qū)域有利于氮氧化物的生成；二是加熱爐靠煙囪抽力自然排煙，爐膛負(fù)壓小且不穩(wěn)定，延長了氮?dú)馀c氧氣、碳?xì)潆x子團(tuán)在高溫條件下的停留時間，加大了氮氧化物生成的概率；三是加熱爐燃料氣為烴化尾氣，烴化尾氣組分中還有大量的H2和N2，氫氣含量高造成火焰表面溫度升高，在高溫的火焰表面氮?dú)馀c空氣中的氧氣接觸為氮氧化物的生成創(chuàng)造了必要的條件。

2.3 加熱爐燃料氣雜質(zhì)較多，燃料氣用量偏大

SHJS乙苯裝置正常運(yùn)行時的能源消耗主要是3.5 MPa蒸汽、燃料氣、循環(huán)水、電，其中蒸汽與燃料氣耗能占總能耗的80%以上，燃料氣的用量對裝置能耗有著重要影響。循環(huán)苯加熱爐在正常生產(chǎn)過程中燃料氣用量經(jīng)常都是在750 Nm3/h以上，還會出現(xiàn)燃料氣量突然波動的情況，燃料氣用量偏大，并且需要經(jīng)常清理燃料氣調(diào)節(jié)閥和阻火器，這嚴(yán)重制約著乙苯裝置的綜合能耗和穩(wěn)定運(yùn)行。

分析主要原因有四點(diǎn)：1)循環(huán)苯加熱爐燃料氣是來自于乙苯裝置的烴化尾氣，其組分比較復(fù)雜，熱值較低，為了保證加熱爐的熱負(fù)荷必然得加大燃料氣的用量；2)加熱爐煙氣余熱沒能有效利用，熱損失大；3)爐子進(jìn)風(fēng)沒有經(jīng)過預(yù)熱，進(jìn)風(fēng)溫度低，而且易受氣溫和天氣影響，冷風(fēng)加大了燃料氣消耗量；4)烴化尾氣含有少量焦粉等顆粒雜質(zhì)，這些雜質(zhì)經(jīng)過調(diào)節(jié)閥或者燃料氣阻火器時可能會發(fā)生堵塞，從而造成燃料氣量波動。

3 改進(jìn)措施及效果

3.1 使用新型烷基化催化劑，降低加熱爐熱負(fù)荷

稀乙烯制乙苯裝置在保證干氣進(jìn)料量和乙烯收率的前提下，使用低苯烯比烷基化催化劑是實(shí)際生產(chǎn)中降低循環(huán)苯量最高效可行的方法。2014年SHJS使用新型低苯烯比烷基化催化劑SEB-12替換了原催化劑SEB-08，在相同操作條件下兩種催化劑對應(yīng)的苯烯比、循環(huán)苯量、加熱爐燃料氣量、爐膛溫度、乙苯產(chǎn)量見表2。

表2 催化劑對應(yīng)的苯烯比及燃料氣用量

使用新型低苯烯比催化劑SEB-12可以大幅降低烷基化反應(yīng)所需循環(huán)苯量，直接降低了加熱爐所需的加熱負(fù)荷，循環(huán)苯加熱爐的爐膛溫度從590℃左右降低到了550℃左右，排煙溫度從190℃降低到160℃，燃料氣用量由900 Nm3/h降至700 Nm3/h，噸乙苯的綜合能耗大幅降低。

3.2 增設(shè)空氣預(yù)熱器及鼓引風(fēng)機(jī)，充分回收利用煙氣余熱

SHJS利用大檢修的時機(jī)對循環(huán)苯加熱爐進(jìn)行技術(shù)改造，在加熱爐附近空地增設(shè)板式空氣預(yù)熱器，并相應(yīng)配套一臺引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)。增設(shè)空氣預(yù)熱器可以將高溫?zé)煔庥靡灶A(yù)熱進(jìn)爐的空氣，把煙氣攜帶的廢熱重新帶回爐膛，直接提高了加熱爐的熱效率，循環(huán)苯加熱爐增設(shè)空氣預(yù)熱器前后的排煙溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、燃料氣用量對比見表3。

表3 循環(huán)苯加熱爐增設(shè)空氣預(yù)熱器前后對比

增設(shè)空氣預(yù)熱器后循環(huán)苯加熱爐熱效率從設(shè)計(jì)的89%提高到了93%，燃料氣用量大幅減少，但加熱爐排煙溫度過低，甚至達(dá)到55℃左右，大大低于煙氣酸露點(diǎn)臨界溫度，如果空氣預(yù)熱器長期在此排煙溫度下運(yùn)行就會產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器及配件結(jié)垢生銹和腐蝕穿孔。

空氣預(yù)熱器投用半年后對空氣側(cè)主通道進(jìn)行了封堵改造，總計(jì)封堵了三分之一的主通道面積，封堵完成后重新投用空氣預(yù)熱器，空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、封堵改造后參數(shù)如表4所示。空氣預(yù)熱器的封堵改造達(dá)到了預(yù)期效果，煙氣側(cè)出口溫度穩(wěn)定在100℃左右，高于煙氣酸露點(diǎn)臨界溫度，預(yù)熱器空氣側(cè)主通道壓降增大到了150 Pa，進(jìn)入預(yù)熱器的空氣量可以通過空氣側(cè)旁路控制閥調(diào)節(jié)，進(jìn)入加熱爐的空氣溫度受環(huán)境影響變小。

表4 空氣預(yù)熱器改造前后參數(shù)對比

3.3 更換低氮氧化合物燒嘴

循環(huán)苯加熱爐有三臺燃燒器，大檢修期間全部更換為超低NOX氣體燃燒器，燃燒器的燒嘴交錯布置。新燃燒器采用了燃料分級的分段燃燒技術(shù)，其特征是在火盆中心設(shè)一個澆注料制作成的圓柱形的冷卻柱，冷卻外層火焰，從而使整個火焰中心溫度降低，破壞了N2與O2反應(yīng)生成NOX的溫度條件，抑制了NOX生成。燃燒器配合火盆磚結(jié)構(gòu)將內(nèi)外燃?xì)鈽寚娮炜追殖啥喾N噴射角度，在火盆磚內(nèi)外緣形成雙層圓柱形火焰減少了NOX生成。外燃?xì)鈽寚娮靽娍组g又成一定夾角，燒嘴交錯布置，形成鄰角錯位，燃?xì)馀c空氣都被分成細(xì)流，增大了兩股氣流的接觸面積，改善燃?xì)馀c空氣的相遇條件，使內(nèi)外燃?xì)庑纬呻p層火焰，既強(qiáng)化了燃燒過程，又降低了風(fēng)道中內(nèi)層火焰溫度，使?fàn)t內(nèi)溫度分布相對均勻，同時內(nèi)燃?xì)鈽専煔庹凵浠亓骱簏c(diǎn)燃二級燃料，起到穩(wěn)定火焰的作用。折射回流后的煙氣與二級燃?xì)鈽?gòu)成撞擊混合，強(qiáng)化了二級燃?xì)馀c煙氣的混合，使燃燒的煙氣在燃燒區(qū)域內(nèi)停留時間縮短，進(jìn)一步抑制NOX的生成。循環(huán)苯加熱爐更換超低氮氧化物燃燒器前后氮氧化合物排放趨勢對比見圖1。

圖1 燃燒器更換前后氮氧化物排放趨勢圖

圖1數(shù)據(jù)顯示更換超低NOX燃燒器后，氮氧化合物排放量可以降至50 mg/m3以內(nèi)，達(dá)到了國家最新鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 燃料氣更換為天然氣

加熱爐燃料氣的組成不僅決定著燃料氣本身的熱值，而且與煙氣中氮氧化物的含量有直接的關(guān)系。天然氣作為一種清潔能源，與烴化尾氣相比，組份簡單，雜質(zhì)較少，天然氣與烴化尾氣組份(體積百分?jǐn)?shù))對比見表5。

表5 天然氣與烴化尾氣組份對比

根據(jù)燃料氣組成計(jì)算烴化尾氣熱值為25.85 MJ/m3，天然氣熱值為39.225 MJ/m3，天然氣熱值明顯高于烴化尾氣。將循環(huán)苯加熱爐的燃料氣由烴化尾氣更換為天然氣后，了燃料氣用量減少，而且從源頭上降低了煙氣排放中的氮氧化物含量，減少了燃料氣雜質(zhì)對燃料氣量的影響，燃料氣調(diào)節(jié)閥和阻火器清理頻次明顯較少。

4 結(jié)論

通過對循環(huán)苯加熱爐的技術(shù)改造，加熱爐熱效率明顯提高，燃料氣用量減少，煙氣中氮氧化物的排放減少，改造達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的?；どa(chǎn)企業(yè)面臨的環(huán)保要求越來越嚴(yán)，積極利用新材料、新工藝、新技術(shù)、設(shè)備是化工企業(yè)持續(xù)發(fā)展的必由之路。