上海石油化工股份有限公司炼油部——渣油加氢装置加热炉综合改造分析

渣油加氢装置加热炉综合改造分析

刘 荣

(中国石化上海石油化工股份有限公司炼油部)

摘要：渣油加氢加热炉存在过剩氧含量高，辐射室氧含量波动大，排放烟气NOx浓度高以及加热炉排烟温度高、热效率低等问题。针对以上问题对加热炉系统进行了综合性改造：增设APC(先进过程控制)，加热炉负压及氧含量波动明显减小，使得加热炉运行更为稳定；更换低氮燃烧器，排放烟气NOx的质量浓度由80.43 mg/m 3 降低到24.66 mg/m3，远低于国家排放标准(100 mg/m3)；将热管式空气预热器升级为钢板-铸铁板组合式空气预热器，夏季排烟温度由130 ℃以上降低到115 ℃左右，加热炉热效率上升明显。经过一系列的改造，渣油加氢装置加热炉各项运行指标均得到优化，达到了节能环保的改造目的。

关键词：渣油加氢装置 加热炉APC过剩氧NOx热效率 低氮燃烧器 空气预热器

加热炉的燃料气消耗在炼油装置能耗中占有相当大的比例，少则20%～30%，多则80%～90%，加热炉技术水平及操作性能极大地影响着炼油装置的能源消耗水平[1-2]。因此，提高加热炉热效率，降低燃料气消耗，对降低能耗具有十分重要的意义。其燃烧过程产生的NOx是大气主要污染物之一，温室效应是CO2的200倍，同时参与臭氧层破坏，也是形成光化学烟雾的主要组分。GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》规定：现有企业自2017年7月1日起执行工艺加热炉烟气中NOx排放浓度不超过150 mg/m3(质量浓度，下同)的限值，新建企业自2015年7月1日起执行该标准，特别地区执行排放浓度不超过100 mg/m3的排放限值[3]。因此，减少烟气中的NOx，实现加热炉节能减排是当务之急。

1、渣油加氢装置加热炉系统简介

中国石化上海石油化工股份有限公司3.9 Mt/a渣油加氢装置共有3台加热炉，分别是A系列反应进料加热炉(F-1101)，B系列反应进料加热炉(F-1801)和分馏塔进料加热炉(F-1201)[4]。其烟气及空气工艺流程如图1所示。该加热炉能耗占装置总能耗的55.51%，是装置节能减排的关键设备。F-1101/1801采用双室双面辐射水平管纯辐射箱式炉，加热介质为渣油、氢气和微量硫化氢，介质分两管程进入辐射室，烟气通过水平烟道进入F-1201对流室底部，在对流室内加热0.4 MPa和1.3 MPa过热蒸汽。F-1201采用单排管单面辐射对流-辐射型圆筒炉，加热介质为石脑油、柴油、渣油和微量水，介质先经对流室预热，再进入辐射室加热。3台加热炉共用一套余热回收系统，来自F-1201对流室的热烟气经空气预热器与冷空气换热后，引入独立烟囱排入大气。装置烟气CEMS(排放连续监测系统)取样位置位于独立烟囱加热炉烟气直排点上方。

2渣油加氢加热炉存在的问题

2.1 过剩氧含量高

加热炉燃料气不可能在化学平衡空气量(即理论空气量)下完全燃烧，需要在过剩一定量空气的条件下才能完全燃烧。在实际操作过程中，如果过剩空气量增加，排烟时大量的过剩空气会将热量带走排入大气中，造成烟气排烟损失增加，加热炉热效率降低。过剩空气量过大时，还会加速炉管和内构件氧化，增加对流段吸热量，促进SO2向SO3转化，加剧烟气低温露点腐蚀等。

空气预热器热管老化失效，将导致空气漏至烟气，加热炉负压波动大，风门调整不及时，看火门、人孔门、直排烟道挡板等关闭不严，都将导致炉膛过剩氧含量高，排放烟气氧含量高。

图1 加热炉烟气及空气工艺流程

2.2 烟气NO含量高

GB 31570—2015中“大气污染物特别排放限值”对工艺加热炉污染物排放浓度做出限制：SO2限值50 mg/m3，NOx限值100 mg/m3，颗粒物限值20 mg/m3。目前装置排放烟气中SO2和颗粒物均远低于排放限值，但NOx受燃料气组成影响，特别是燃料气采用催化干气、渣油加氢低分气等高热值气体时，烟气NOx处于超标状态。比较C2回收干气并网(工况1)、催化干气并网(工况2)、渣油加氢低分气并网(工况3)3种工况下加热炉燃料气组成和CEMS监测NOx实际排放浓度，如表1和表2所示。

表1 加热炉燃料气组成

由表1和表2可以看出，在工况1下，CEMS监测NOx排放浓度为80.43 mg/m3，满足GB 31570—2015要求，但运行工况2或工况3时，烟气NOx排放浓度大大超过了现有国家标准规定值，属于严重超标排放。为满足标准要求，亟需对加热炉进行排放达标改造。工况1为装置的主要运行工况，其他两个工况运行时间较少，故文中以下数据均以工况1为基准对象。

表2 CEMS监测NOx实际排放浓度

2.3 加热炉热效率低

据统计:当加热炉的热效率高于90%时，排烟的热量损失占总热量损失的70%～80%；当热效率在70%左右时，排烟热量损失占总热量损失将超过90%，由此可见，降低排烟温度，减少排烟热量损失，对提高加热炉热效率作用明显。

该装置采用热管式空气预热器，排烟温度受环境气温影响大，F-1101/1201/1801平均排烟温度为127 ℃，夏季排烟温度达到130 ℃以上，对加热炉热效率影响较大，装置近三年加热炉热效率检测数据见表3。由表3可以看出，冬季热效率明显高于夏季热效率，在同等条件下，加热炉平均热效率呈下降趋势，主要原因是空气预热器热管失效快，失效速率约为每年5%，排烟温度逐年上升，无法满足节能要求。

表3 近三年加热炉热效率检测数据

注：部分月份因单系列停工检修未进行加热炉热效率测试。

3、渣油加氢加热炉改造方案

3.1 APC改造

APC(先进过程控制)用多变量模型来描述过程的动态，以过程输出轨迹与希望轨迹的模型预测差距作为控制指标，以求得最优生产控制方案[5-6]。为了解决加热炉过剩氧含量高、炉膛负压波动大等问题，在2018年基于APC项目对加热炉增加了配风控制器，其主要操作变量和被控变量见表4。

3.2 低氮燃烧器改造

装置改造选用低NOx燃烧器，其中F-1101/1801选用低NOx附墙式扁平焰气体燃烧器，F-1201 选用低NOx气体燃烧器。两种燃烧器发热量不同，火焰形状及高度不同。加热炉燃烧器改造设计基础数据如表5所示。

表4 配风控制器主要操作变量(MVs)和被控变量(CVs)

表5 低氮燃烧器改造设计基础数据

3.3 空气预热器改造

根据计算，冷空气在预热器中温度每升高 1.5 ℃，排烟温度可降低1 ℃，若冷空气预热温度升高150～160 ℃，则排烟温度可降低110～120 ℃，加热炉热效率提高7.0%～7.5%，节约燃料11%～12%。改造余热回收系统更新空气预热器，采用高温段(钢板式)和低温段(铸铁板式)组合的型式，其设计基础数据见表6。

表6 空气预热器设计基础数据

改造后排烟温度设计为100 ℃，计算和实测露点温度70～75 ℃，环境温度在15 ℃以上时，烟气无冷凝水，否则会有少量烟气冷凝水，需要及时稀释排放，改造后加热炉热效率提高到93.50%。

4、改造效果分析

4.1 APC改造效果

2018年3月渣油加氢装置APC 正式投用，其中加热炉配风控制器通过各炉膛风门和烟道挡板，鼓风机和引风机变频等控制手段，在稳定炉膛负压、烟气氧含量的基础上，降低了加热炉烟气的氧含量。

加热炉系统经APC改造后，加热炉负压标准偏差由9.07 kPa降低至5.93 kPa，降幅34.62%，加热炉氧含量标准偏差由0.46%降低至0.24%，降幅47.83%，取得了良好的改造效果。

4.2 低氮燃烧器改造效果

根据装置运行周期，装置分3次更换3台加热炉的火嘴，其中F-1801的低氮燃烧器于2018年11月改造完成，F-1101的于2019年4月改造完成，F-1201的于2021年5月改造完成，装置CEMS监测NOx排放浓度也实现了三连降，具体变化情况见表7。

表7 CEMS NOx排放浓度变化

由表7可以看出，经过3次改造，CEMS监测NOx排放浓度从80.43 mg/m3下降至24.66 mg/m3，远低于国家排放标准(100 mg/m3)，其中F-1201对烟气的NOx排放浓度贡献最大，改造效果最为明显。

4.3 空气预热器改造效果

利用渣油加氢装置2021年4—5月二阶段大修停工检修机会，对空气预热器进行了整体更换。新空气预热器为钢板-铸铁板组合式，高温段为钢板模块，低温段为铸铁模块，钢板模块置于铸铁模块上方。烟气从上往下垂直流动，空气分为3管程，水平流动，与烟气形成正十字交叉换热，其结构见图2。

图2 新空气预热器结构

新空气预热器于2021年6月正式投用。投用后热空气温度由改造前的240 ℃提高至250 ℃，排烟温度由改造前的127 ℃降至115 ℃左右。2021年6月和7月的加热炉热效率分别为93.31%和93.17%，和上一年同比分别增加0.39%和0.48%。加热炉热效率明显提升，但相较于93.5%的设计值还有一定的差距，排烟温度仍然偏高。主要原因如下。

(1)反应炉直排烟道关闭不严的问题没有解决。经采样分析，各加热炉辐射室的氧体积分数在1.2%～1.5%左右，而烟囱CEMS数据显示烟气氧体积分数已高达4%，表明有部分空气通过对流室进入了烟气系统，使烟气量比实际燃料气产生的烟气量多，造成空气预热器换热不平衡，排烟温度增加。

(2)空气预热器的冷空气旁路存在内漏。由于冷空气旁路调节阀的尺寸为1 267 mm×922 mm，与预热器入口主风道流通截面相同，旁路始端在空气预热器入口附近。数据显示，经空气预热器换热后的空气从常温加热至250 ℃，核算排烟温度应该在100 ℃左右，实际为115 ℃，表明旁路阀门漏风，部分空气未经空气预热器加热，导致排烟温度升高。

(3)空气预热器高温段模块换热能力不足。运行数据显示，高温段模块温度从269.89 ℃降低到202.85 ℃，温差为67.04 ℃，低温段模块温度从202.85 ℃降低到115.18 ℃，温差为87.67 ℃，而高温段模块换热面积是低温段模块换热面积2倍左右，表明高温段换热面积明显不足，可能存在内漏或者烟空气通道阻挡塞，影响高温段换热，最终影响排烟温度。

5、结 论

(1)通过APC改造,氧含量和炉膛负压的波动明显减小，其中加热炉负压标准偏差降低了34.62%，氧含量标准偏差降低了47.83%，取得了良好的改造效果。

(2)通过低氮燃烧器改造，CEMS监测NOx含量明显下降，从改造前的80.43 mg/m3降至改造后的24.66 mg/m3，远低于国家排放标准，下降幅度达69.34%。

(3)通过将热管式空气预热器升级为钢板+铸铁板组合式空气预热器，加热炉热效率有了明显的提升，但相较于设计指标还有一定差距，对于存在的问题在接下来的运行过程中要逐步解决，进一步降低排烟温度，提高加热炉热效率。