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加热炉局部增氧助燃节能减排技术

2019年07月18日 08:57
编辑部

刘昕1 陶峰1 何亮1 邓敏2

(中国石油四川石化有限责任公司 中国石油华东设计院四川分院 四川成都 611930)

摘要: 四川石化公司渣油加氢装置加热炉设计负荷偏低,在日常生产过程成为装置加工负荷瓶颈,为了能够在不对加热炉进行整体改造、短周期、低投入的情况下提高加热炉负荷,富氧助燃技术[1]的应用成为一种可能。局部增氧助燃技术:使用富氧量仅为所需空气量的1-5%,而原来鼓风量、引风量、排烟含氧量、排烟温度及有害烟尘等均要显著下降,关键是要根据不同炉型、选择不同的专有燃烧技术,把少量高品质富氧通过风机增压、烟气预热和专用富氧喷嘴送到产品最需要的位置,使燃料充分完全燃烧,再通过系统整体集成优化,达到综合节能减排和延长炉龄等目的。

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关键词:富氧助燃 渣油加氢 节能减排

1 局部富氧助燃节能减排机理[2]

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通常空气中含有20.95(V)%的氧气和78%左右的氮气及少量惰性气体等,真正参与燃烧的是只占空气总量1/5左右的氧气:人们把含氧量大干20.95% 的空气叫做富氧空气。富氧空气参与燃烧将具有明显的节能效果,参见图1,图中A、B、C、D、E分别代表不同的火焰温度。从图中可以看出,节能率与富氧空气中氧的含量和火焰温度的高低成正比,即在同一火焰温度下,富氧浓度越高,节能率越大。但是,随着富氧浓度的不断增加,节能效果的增加相对越来越小。

大量的研究及应用均表明:采用富氧助燃,不仅节省燃料、减少废气及有害气体的产生,而且可以使加热炉负荷明显提高,加热炉炉龄延长,综合效益显著。

1.1增加热量利用率,提高加热炉负荷

用富氧来助燃,对热量的利用率会有所提高,如用普通空气助燃,当炉膛温度为1300℃ 时,其可利用的热量为 42%,而用 26%的富氧空气助燃时,可利用热量为56%,增加了33%,而且富氧浓度越大,加热温度越高,所增加的比例就越明显,因此节能效果就越好,在原有加热炉的基础上提高的负荷越大。

1.2加快燃烧速度,缩短燃尽时间,促进燃烧完全,从而根治污染

由于氮气减少,这不仅增加了燃烧反应的反应物浓度,而且增加了活化分子的有效碰撞次数,因此导致燃烧速度加快。燃料的燃烧速度实际上是—种比较定性的说法,如乙炔是一种燃烧速度快的燃料,其火焰短而密实;而天然气相对于乙炔来说,则是一种燃烧速度较慢的燃料,其火焰较长,但只要燃烧完全,都可以释放出应有的热量。

1.3减少燃烧后的烟气量和粉尘量

用普通空气助燃,约五分之四的氮气不但不参于助燃,还要带走大量的热量。如用富氧助燃,氮气量要减少,故燃烧后的排气量亦减少。沈光林教授等进行过理论研究:烟气量随氧浓度的增加而明显下降,而且燃料的发热值越大,烟气量降低就越明显,一般富氧浓度每增加一个百分点,烟气量约降低2-4.5%。由于烟气量的减少,烟气的流速也降低,这样烟气带走的粉尘也减少,从而提高了热效率和减少了环境污染。

2 渣油加氢装置加热炉局部富氧助燃集成技术方案[3]

四川石化公司渣油加氢装置加热炉F1001-1、F1001-2和F3001均超负荷运行,3台炉平均耗燃料3800Nm3/h[1],采用一套富氧装置带三台加热炉。实施局部增氧助燃集成技术,不仅能明显提高负荷、减少火焰冲刷炉管,而且火焰温度和火焰长度更容易控制,节能效果明显,还能明显延长炉管和加热炉寿命等。根据渣油加氢装置加热炉的运行情况拟采取一套膜法富氧装置带3台加热炉工艺方案:空气经过过滤棉、初效、中效和高效过滤器等四级过滤、>0.5µ的灰尘除去率大于99.9%后,由风机增压并送入膜装置进行分离,其中废气排空,富氧由真空泵抽出经稳压和增压风机增压后,通过放置在加热炉烟道里的预热器利用烟气加热到200℃左右后送入加热炉底部烧嘴两侧的专用富氧喷嘴喷进加热炉内:不仅可以明显减少火焰冲刷炉管,而且火焰温度和火焰长度更容易控制。

图2 渣油加氢装置加热炉局部富氧助燃集成技术方案

其中:

空气过滤系统:根据通风量选取,采用四级过滤,有关指标为:>0.5µ的灰尘除去率大于99.9%,阻力<O.3 KPa,可定时设计过滤棉更换时间;

风 机:全压为1-3 KPa.风量约为富氧空气量的9-15倍;

膜 装 置:由空气均配箱、卷式膜组件、真空均分器和外壳等组成;

真空系统:包括真空泵、电控调节阀和真空表等;

电控/调节/报警系统:由电控、调节和报警等部分组成;

增压系统:由增压风机和阀表等组成;

富氧压力监控系统:由自力式微压阀等组成,确保富氧管路压力稳定;

富氧预热系统:由耐热钢管等焊接

富氧调控系统:由调节阀、放空阀和微压表等组成;

专用富氧喷嘴:由不锈钢管和软管等组成。

3 改造新增主要设备及改造费用

3.1新增主要设备情况

按照上述改造方案,需要新增的主要设备如下:

表1 新增主要设备清单

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3.2改造费用情况

按照上述技术方案,装置改造最优含税价为:586万元整,包含设备费、运费、专有技术费和现场指导及调试费,不含现场安装和配管等费用。

3.3实施条件

实施时需停炉2-3天。

4 项目预期的经济、社会、环境效益分析

有关参数:加热炉使用时间取360天/年、燃料价格3200元/吨,三台加热炉总量为平均3800方/时、气密度1.12公斤/方,低热值11000大卡/公斤,电价0.55元/度。电的利用率取0.8,维护费1.5万元/年,节约燃料以最低3%评估为基准:

年节能效益最低为3.8*1.12*24*360*3200*3%/10000 =353.1万元;

能耗费用为97*0.8*24*360*0.55/10000 = 36.9万元;

年净效益最低为353.1-36.9-1.5 = 314.7万元

另外该项目每年节约燃料最低为1110吨左右,折合标煤至少1800多吨/年,相当于每年可以减排二氧化碳3400吨左右。

如果考虑提高负荷、政府节能减排补贴、炉龄和维护延长、CO、CO2和烟尘等有害气体减少、烟气排放效果更好等,实际回收期会更短。

6 结论

6.1针对四川石化公司渣油加氢装置三台工业加热炉存在的设计负荷偏低的生产瓶颈问题,利用局部富氧助燃集成技术是一种解决方案。

6.2针对四川石化公司渣油加氢装置三台工业加热炉设计的局部富氧助燃集成技术方案具有改造工程量小、投资少、改造需要的停炉时间短等优势。

6.3根据局部富氧助燃集成技术方案的效益分析,方案实施后可以在提高原有加热炉负荷的基础上实现节能降耗和减少烟气中的污染物排放总量,实际效果尚有待考证。

参考文献:

[1]张家元、周孑民、阳绍伟、陈乔平,煤粉锅炉膜法富氧局部助燃技术开发与应用 [J].热能动力工程。2004,32(4):55-58

[2]柳俊霞、杨国斌,膜法富氧助燃技术应用于工业锅炉节能减排的研究 [J].环境科学与管理。2011,36(6):86-89

[3]大连天邦膜技术开发有限公司,中石油四川石化公司重油加氢加热炉膜法富氧局部增氧助燃集成技术节能减排方案

 
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