燃?xì)饧げù祷蚁到y(tǒng)的應(yīng)用

張國慶，宋國敏，張文壇

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

公司催化高溫取熱爐原吹灰系統(tǒng)為聲波吹灰系統(tǒng)，該系統(tǒng)在使用過程中存在吹灰沖擊力較小，吹灰點(diǎn)較少等問題，使吹灰效果較差，高爐發(fā)汽量受限較大，催化煙氣熱量回收效率也受影響。2012年檢修期間，公司首次在高溫(850～900℃)高壓(0.26～0.30MPa)工況下采用高效燃?xì)饧げù祷蚁到y(tǒng)替代原吹灰系統(tǒng)。

一、催化高溫取熱爐工況

中國石油大港石化公司催化裂化裝置采用HB-57型高溫取熱爐，分為1#爐和2#爐，采用套管式取熱方式。

鍋爐參數(shù)：額定發(fā)汽量51t/h，額定蒸汽壓力3.82MPa，額定蒸汽溫度253.5℃，鍋爐設(shè)計(jì)效率23.586%。

煙氣參數(shù)：進(jìn)口煙氣溫度890℃，出口煙氣溫度680℃，煙氣壓力為0.27MPa，煙氣流量190 000Nm3/h。

煙氣成分(體積)：CO2(15.4%)；N2(82.4%)；O2(2.2%)。

2012年檢修前，高爐入口溫度800～850℃，平均溫差在180℃左右；后期因爐管結(jié)垢加重，高溫取熱爐熱效率降低，高爐出入口平均溫差最低達(dá)150℃。同時(shí)受煙機(jī)入口溫度限制(最高溫度不超過660℃)的影響，高爐入口溫度保持在820℃左右，最低時(shí)800℃。裝置的處理量、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)能耗均受較大影響。

二、高溫取熱爐爐管結(jié)垢原因

1.金屬燒結(jié)粘連

催化裂化裝置在正常操作情況下，催化劑一般不會(huì)產(chǎn)生堆積燒結(jié)現(xiàn)象。當(dāng)催化裂化裝置超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，催化劑顆粒的磨損加劇，導(dǎo)致催化劑的細(xì)粉含量偏高，容易產(chǎn)生催化劑物理或化學(xué)的沉積和燒結(jié)現(xiàn)象。

這種沉積一般由粒徑1μm以下的催化劑堆積而成，其形成原因是當(dāng)再生器負(fù)荷過大、催化劑再生效果差時(shí)，進(jìn)入高溫取熱爐的催化劑細(xì)粉殘?zhí)亢侩S之增加，催化劑細(xì)粉在煙氣中流動(dòng)時(shí)(低流動(dòng)區(qū))，吸附在催化劑上的殘?zhí)繒?huì)發(fā)生二次燃燒，引起局部超溫，從而導(dǎo)致催化劑中的鈉、鉀、氯化鈣、鎳和釩等金屬離子在溫度為600～700℃時(shí)生成低熔點(diǎn)共晶體，使催化劑變得十分黏稠，從而引起粘連燒結(jié)。

2.靜電吸附粘連

在催化裂化裝置中，催化劑顆粒以10～20m/s的線速度高速運(yùn)行，顆粒之間或顆粒與管壁之間會(huì)產(chǎn)生劇烈的摩擦，從而產(chǎn)生靜電電荷，導(dǎo)致催化劑以靜電的形式被吸附到煙機(jī)或管壁上。

當(dāng)催化裂化裝置高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，催化劑磨損加劇，產(chǎn)生大量的細(xì)粉，這些細(xì)粉多數(shù)是小于10μm的固體顆粒(屬于C類粒子)，本身由于分子間范德華力作用，粘結(jié)性強(qiáng)，不易流動(dòng)，并且近幾年來由于使用降烯烴催化劑，平衡劑上稀土元素含量較高(大多大于3%甚至更高)，而稀土元素恰恰最容易產(chǎn)生靜電，從而強(qiáng)化了小顆粒的吸附作用。再者，磨損的催化劑細(xì)粉中的金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二再平衡劑，這些金屬離子增加了催化劑細(xì)粉的靜電吸附作用，進(jìn)一步導(dǎo)致了高溫爐管表面催化劑的靜電粘連和堆積。

3.膠質(zhì)粘連

在催化裂化反應(yīng)過程中，一些難以裂解的重組分粘附在催化劑微球和自然磨損產(chǎn)生的催化劑細(xì)粉外表面上，如果裂化裝置的一、二再生器再生效果差，可使未完全燃燒的催化劑中的油漿重組分在水蒸汽、油氣等作用下，粘連在高溫取熱爐爐管管壁上。催化劑中鈣、鐵、磷等物質(zhì)在500～640℃時(shí)形成低熔點(diǎn)的硫酸鈣、磷酸鈣等化合物。當(dāng)催化劑細(xì)粉含量偏高，催化劑的濃度偏大時(shí)，容易產(chǎn)生催化劑細(xì)粉在高溫取熱爐爐管表面上物理或化學(xué)的沉積和燒結(jié)現(xiàn)象。這種沉積一般由粒徑1μm以下催化劑堆積而成，是由于鈉、鉀、氯化鈣和釩在高流速低靜壓條件下，于600～700℃時(shí)生成低熔點(diǎn)共晶體使催化劑變得十分膠黏所致。當(dāng)高溫取熱爐爐管表面上沉積的催化劑細(xì)粉積累到一定的厚度時(shí)，在高溫?zé)煔?850℃以上)快速?zèng)_刷摩擦的研磨作用下，沉積的催化劑經(jīng)進(jìn)一步燒結(jié)烘烤，最后會(huì)形成堅(jiān)硬的結(jié)塊。

綜上所述，可以初步斷定結(jié)垢是由于鈣、鐵、磷元素在500～640℃形成低熔點(diǎn)的硫酸鈣、磷酸鈣等化合物，加之催化劑粉塵的媒介作用而形成的。

高溫是形成垢的外部條件，細(xì)粉是結(jié)垢的內(nèi)因，而細(xì)粉的粒度、金屬和非金屬元素的含量則決定了垢的生長速度、粘附力和硬度，其中鈣含量高是主要原因，細(xì)粉中鐵、鎳加速了催化劑的粘連和燒結(jié)，最終導(dǎo)致高溫取熱爐爐管結(jié)垢。其結(jié)垢情況如下。

(1)煙氣正面沖擊的管束表面結(jié)垢主要為硬垢，均勻附著在管束表面，表面光滑，厚度較薄(約1～5mm)，硬度高，同時(shí)垢與管束粘連嚴(yán)重，不易清除。

(2)煙氣未正面沖擊的管束表面結(jié)垢主要為軟垢和硬垢混合物，表面有10～15mm軟垢，表面松軟、蓬松。內(nèi)部2～4mm硬垢，與爐管粘連嚴(yán)重，清理部分硬垢后發(fā)現(xiàn)爐管表面局部呈斑點(diǎn)狀。軟垢易清理，但內(nèi)部硬垢粘連嚴(yán)重，手工清理效果較差。

三、燃?xì)饧げù祷夜ぷ髟?/h2>

脈沖吹灰器利用空氣和燃?xì)庠谝惶厥獾娜萜髦谢旌?，?jīng)高頻點(diǎn)火，產(chǎn)生爆燃，體積急劇膨脹生成高溫、高壓的爆燃?xì)怏w，該爆燃?xì)怏w在一特殊結(jié)構(gòu)的罐體內(nèi)得到加強(qiáng)加速，形成激波，蓄集起極高的能量，從噴嘴中以沖擊動(dòng)能、熱能和聲能的形式進(jìn)入爐內(nèi)，作用在鍋爐受熱面的積灰上，使積灰脫落被煙氣帶出爐外。工作流程見圖1。

圖1

乙炔爆燃后在激波吹灰器內(nèi)能產(chǎn)生4～5倍聲速的爆轟激波，波前壓力為常壓，波后等容燃燒壓力為1.0MPa，波速為1 500m/s～1 860m/s。激波波面的壓力峰值與激波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，通?？蛇_(dá)到數(shù)倍于波后穩(wěn)定壓力的數(shù)值。當(dāng)激波從激波發(fā)射噴口發(fā)射出來后，將在噴口外的扇形空間中做部分球面的擴(kuò)散，擴(kuò)散的激波在波面后形成一個(gè)反向壓力峰，峰值低于空間中的常壓。擴(kuò)散后的激波會(huì)在爐膛內(nèi)的物理界面上發(fā)生反射，并能通過折射而導(dǎo)入物體內(nèi)部。激波劇烈的壓力脈動(dòng)縱波對(duì)積灰產(chǎn)生一種先壓后拉的作用，促使其碎裂和脫離積灰基底；導(dǎo)入積灰中的折射激波還會(huì)在灰體內(nèi)產(chǎn)生橫波，這道橫波在積灰基底上的反射波和入射波可相互作用使積灰與基底之間的結(jié)合面產(chǎn)生剪力，剝離積灰。

噴發(fā)的高溫燃?xì)馍湎蚍e灰層時(shí)，可軟化積灰，降低粘結(jié)強(qiáng)度，在高壓氣流的吹掃下，灰層破碎脫落，具有熱清洗的作用，對(duì)于粘結(jié)性積灰尤為有效。

點(diǎn)火爆燃時(shí)的巨大響聲是能量以聲能釋放出來的體現(xiàn)，在距噴嘴軸線6～7m處，其聲壓級(jí)仍保持在160dB以上，聲波頻率為35～205Hz(25℃)。由于分路式燃?xì)饷}沖吹灰系統(tǒng)的聲波頻率低，能量大，因此進(jìn)入爐膛后不易衰減，并以輻射狀向爐膛各個(gè)方向傳播，通過聲能量的作用，使空氣分子和粉塵顆粒產(chǎn)生振動(dòng)，在其反復(fù)作用下，使積灰松散、破裂、脫落。

四、燃?xì)饧げù祷蚁到y(tǒng)在高溫取熱爐上的運(yùn)行情況

1.吹灰效果

車間采用定期吹灰模式，每周1次，吹灰強(qiáng)度設(shè)為中度，充壓時(shí)間為3～4.5s，吹灰次數(shù)為20次。高爐激波吹灰系統(tǒng)于2012年6月投用至今，運(yùn)行良好，吹灰效果明顯。2013年1月19日高爐吹灰前、后高溫取熱爐煙氣溫差對(duì)比如表1所示。

表1 ℃

由表1可知，吹灰后，高爐煙氣出入口溫差相比吹灰前增加20～30℃，蒸汽發(fā)汽量平均增加3～4.5t/h，裝置每噸原料平均能耗降低1～3kg標(biāo)油原料，每周投入1次脈沖吹灰器的成本100元，每年可為工廠節(jié)約670萬元。高爐吹灰系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，提高了公司的經(jīng)濟(jì)效益。

同時(shí)燃?xì)獯祷逸^大幅度降低高爐煙氣出口溫度，提高煙氣能量回收率，明顯降低煙氣系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷的限制。2013年檢修期間，對(duì)高爐爐管檢查，發(fā)現(xiàn)爐管結(jié)垢程度明顯降低，垢厚度減薄，爐管無沖擊損傷。

燃?xì)饧げù祷蚁到y(tǒng)在高爐裝置使用安全、高效，滿足了催化裝置節(jié)能和長周期運(yùn)行的要求。

2.存在問題及處理

高爐吹灰工況與普通燃?xì)獯祷夜r相比，存在高溫高壓、煙氣中催化劑細(xì)粉夾帶較大等特點(diǎn)。而燃?xì)獯祷蚁到y(tǒng)多數(shù)應(yīng)用在過熱器等煙氣回收系統(tǒng)的末端能量回收裝置上，所以其工作壓力及溫度值均偏低(壓力為0.04MPa，溫度為162℃)。

燃?xì)獯祷蚁到y(tǒng)在高溫高壓工況下的首次投用過程中系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)較多問題。所以在2013年檢修期間對(duì)高爐吹灰系統(tǒng)進(jìn)行專項(xiàng)優(yōu)化，提高了系統(tǒng)安全等級(jí)。

(1)存在問題

①吹灰燃?xì)庠O(shè)計(jì)不合理。公司瓦斯管網(wǎng)壓力約為0.34～0.38MPa，與高爐內(nèi)煙氣壓力(0.26～0.30MPa)相比，壓差較小。原設(shè)計(jì)中，以公司瓦斯作為吹灰燃?xì)?，?dǎo)致在限定的最高充壓時(shí)間范圍內(nèi)，無法到達(dá)爆燃最佳填充量，使空氣與瓦斯配比偏低，爆燃效果差。

瓦斯與空氣爆燃的體積分?jǐn)?shù)為5.3%～15%，范圍較窄，因爆燃罐無爆燃?xì)怏w檢測(cè)儀表，調(diào)配爆燃比例存在一定難度，同時(shí)公司瓦斯成分及壓力是隨生產(chǎn)變化的，原閥位下瓦斯與空氣配比發(fā)生變化，導(dǎo)致點(diǎn)火時(shí)爆燃效果不好，嚴(yán)重時(shí)甚至無吹灰效果。

②吹灰系統(tǒng)部件壓力等級(jí)低，與高爐裝置不匹配。吹灰系統(tǒng)電磁閥、點(diǎn)火罐、單向閥、過濾器等系統(tǒng)元件是按照常壓吹灰系統(tǒng)配套的，與高爐系統(tǒng)不匹配，導(dǎo)致在使用過程中出現(xiàn)較多故障。如瓦斯總電磁閥因前后壓差較大而卡澀，無法正常使用；單向閥在高壓沖擊作用下失效，高溫?zé)煔獾鼓?，?dǎo)致部分器件損壞。

③吹灰程序運(yùn)行存在不足。吹灰點(diǎn)火延時(shí)0.1s，時(shí)間過短。導(dǎo)致點(diǎn)火與電磁閥關(guān)閉幾乎同時(shí)進(jìn)行，點(diǎn)火形成的高壓煙氣可能沖開未完全關(guān)閉的電磁閥，出現(xiàn)回火現(xiàn)象，存在較大安全隱患。

④管線內(nèi)暗燃現(xiàn)象導(dǎo)致管線內(nèi)存在部分灰燼及煙氣倒逆的催化劑等異物，導(dǎo)致電磁閥等閥門無法完全關(guān)閉，存在安全隱患。

(2)吹灰系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化

①燃?xì)飧臑橐胰病Ｒ胰财繅毫?.6MPa，經(jīng)過調(diào)壓處理，可以滿足吹灰對(duì)燃?xì)鈮毫σ?。乙炔氣體成分穩(wěn)定，爆燃范圍寬，為2.5%～82%(體積分?jǐn)?shù))，所以調(diào)節(jié)幅度較寬，易操作。

②吹灰系統(tǒng)配件全面升級(jí)，由原0.6～1.0MPa壓力等級(jí)升級(jí)為2.5PMa，吹灰總管加40MPa切斷閥。

③吹灰系統(tǒng)重新維護(hù)，增加點(diǎn)火延時(shí)設(shè)定?？梢允謩?dòng)設(shè)定延時(shí)時(shí)間(現(xiàn)在延時(shí)0.3s)。

④燃?xì)夤芫€工藝流程重新加以改造，在氣源處加吹掃風(fēng)，定期吹掃燃?xì)夤芫€，同時(shí)定期拆檢系統(tǒng)元件，如電磁閥等。

五、結(jié)論

經(jīng)過使用證明，該吹灰系統(tǒng)吹灰效果優(yōu)于原聲波吹灰系統(tǒng)，吹灰效果顯著，明顯降低了高爐爐管結(jié)垢程度，有效提高了高溫取熱爐的熱效率。在催化長周期運(yùn)行和公司節(jié)能降耗工作中起到推進(jìn)作用。

[1]激波吹灰器在余熱鍋爐中的優(yōu)化運(yùn)行[M].石油化工設(shè)備，2008.

[2]李松，栗雪勇，馬偉.茂名石化煙機(jī)結(jié)垢原因分析及對(duì)策[M].中外能源，2008.