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林 伟
（国能包头煤化工有限责任公司，内蒙古包头 014010）
甲醇制烯烃装置作为煤制烯烃系统核心装置，承担着整个公司50%以上的生产任务，而MTO装置又是整个公司的能源消耗大户。因此为了既满足节能降耗的要求，而又不影响MTO生产负荷情况下，同时也延长余热锅炉使用寿命，在MTO生产工艺过程中设置余热锅炉，对再生器的热量和再生烟气的焚烧释放的显热进行有效的回收和利用，通过炉管壁的热传导将4.0MPa除氧水气化成4.0MPa的中压蒸汽，并入到全厂的中压蒸汽管网，供下游装置使用。通常情况下，MTO余热锅炉设置形式为卧式和立式两种形式。在MTO生产技术中，卧式余热锅炉设置较多。卧式余热锅炉在运行过程中，出现过诸多生产问题。同时设计新建一套MTO烟气除尘装置，使得烟气排放固体颗粒物的浓度达到国家允许的排放标准。
1.1 余热锅炉的工作原理（卧式）
MTO余热锅炉热源全部来自CO焚烧炉燃烧高温烟气所产生的。1 280℃高温烟气分别经过锅炉前置蒸发段，二级过热器、一级过热器、蒸发段、二级省煤段和一级省煤段，最终从烟囱排放至大气中，排烟温度降至约为220℃。余热锅炉的除氧水给水依次经过一级省煤段和二级省煤段，除氧水通过炉管管壁的热传导效应，换热后的除氧水温度接近所处生产环境的饱和温度后进入汽包。进入汽包的饱和水从汽包底部的下降管进入到蒸发段，来吸收烟气显热开始发生蒸汽。通常情况下，在蒸发段内的是汽水混合物。吸收热量后的汽水混合物离开蒸发段后进入汽包，经过汽包顶部的中压汽水分离器。通过汽水分离器的离心旋流作用，水相返回汽包继续吸收热量产汽，而饱和蒸汽从汽包上部依次进入前置蒸发段、一级过热器和二级过热器，最终产生满足工艺要求的中压过热蒸汽，送至外管网供下游用户使用。为控制所供蒸汽的过热温度，在一级过热器和二级过热器之间设置了喷水减温器利于除氧水对过热蒸汽进行冷以满足管网中压蒸汽温度的要求。
1.2 原卧式余热锅炉在运行中存在的问题和原因
1.2.1 余热锅炉蒸发段取热管泄漏的原因
（1）上游装置运行不稳定，除氧水中钠浓度、溶解氧含量、铁含量、硬度、pH、磷酸根等指标不合格。MTO余热锅炉汽包除氧水主要来自甲醇装置，温度约为（106±2）℃，压力（5.6±0.2）MPa左右。除氧水中含有大量酸性气体。溶解在水中容易造成管束的腐蚀，污染除氧水水体。
（2）生产波动，取热管内蒸汽短路。当装置工况出现异常情况时，余热锅炉液位会出现大幅变化，紧急排污次数就会变多。汽包液位的不稳定，容易造成取热管中的蒸汽短路，会造成取热管的干烧。
（3）催化剂粉尘积累，激波吹灰频次高。在正常生产过程中，MTO再生烟气中含有大量的催化剂粉尘。催化剂粉尘经过长时间的运行积累在余热锅炉取热管管束上形成热阻。取热管的效率下降。为了保证余热锅炉系统的正常运行，会在日常生产中定期余锅激波吹灰。但是在余热锅炉激波吹灰过程中会产生过大的瞬时气流冲击余热锅炉管束，时间久后会造成取热管束减薄，最终导致取热管泄漏。
（4）余热锅炉中的受热面管长期受烟气冲刷、汽水腐蚀和热偏差，取热管外壁的磨损和取热管干烧。在1280℃烟气工况下，余热锅炉取热管外壁会出现超温和碳化现象，最终会导致取热管的泄漏。
1.2.2 激波吹灰器吹灰效果差的原因
（1）在运行中取热管取热效果变差，导致后路省煤段温度过高，排烟温度超出设计值。为了满足余热锅炉系统正常运行，在日常生产中需要频繁进行激波吹灰，每天中班和夜班吹灰导致激波吹灰，电磁阀每天动作约120次，较高的运行频率会导致电磁阀故障，阀芯、膜片的损坏，关不严打不开等问题，吹灰效果变差。
（2）燃料气和工厂风配比控制不当。MTO装置用的燃料气为乙烷气体，爆炸极限为3.2%~15.6%，范围比较窄。燃料气与工厂分配比不易控制，目前是通过现场安装的转子流量计和现场的压力表控制，加大配比调整难度。燃料气组分变化较大。需要经常对配比度调节。一旦组分变化调节不当就达不到好的吹灰效果。
1.2.3 余热锅炉排烟温度过高、产汽量偏低的原因
由于原余热锅炉的受热面积不足，余热锅炉取热管受热面会严重积灰。MTO余热锅炉排烟温度长时间达到230℃。由于MTO原余热锅炉采用卧式结构布置。烟气冲刷锅炉管束。长时间地生产运行，烟气会堆积在余热锅炉底部会影响锅炉的取热效果，取热效率下降，导致余热锅炉产汽量较设计值明显偏低。
综上所述，原有的卧式锅炉存在取热管泄漏、排烟温度过高和产汽量偏低等缺陷，为了消除运行风险以及提高余热锅炉产汽效率，达到节能减排的目的。通过不断调研和对比，将原有的卧式锅炉改造成立式锅炉，不仅消除了运行风险同时有效提高了能源的利用率。
1）水容量大，蒸汽保有量大。余热锅炉汽包规格型号DN1500×40较上一代水容量大，蒸汽保有量大。此改造极大减少了余热锅炉满水、干锅事故的风险，当除氧水中断或者中压蒸汽压力大幅波动时，也可以维持一定时间的生产操作，减少了风险事故的 发生。
2）立式余热锅炉占地面积较卧式余热锅炉小。新余热锅炉为立式对称结构布置，锅炉露天布置，钢构架支撑，轻型炉墙及金属护板结构。立式余热锅炉采用8根立柱支撑锅炉模块，而8根新增立柱则支撑在底部整体框架上。立式余热锅炉的进口烟道长度较短，烟气的扩散可在锅炉下部的转弯烟道中完成，而卧式余热锅炉的烟气与地面平行，需要布置较长的进口扩散烟道以保证受热面进口处烟气均匀。所以满足同样生产条件时，立式余热锅炉占地面积较卧式余热锅炉小，有效地解决了锅炉不好布置摆放锅炉的麻烦。同时也很缩短了烟气管道长度，使得阻力减小。卧式余热锅炉占地面积较大，而锅炉进出口烟气管道也相对较长，不仅占用面积大，而且进一步增加了余热锅炉尾部系统的阻力。
3）立式余热锅炉积灰比卧式余热锅炉更少。MTO再生器中的催化剂粉尘被再生烟气带出至余热锅炉，不断在取热管外管壁上黏附，并越积越厚。在外管壁形成热阻，阻碍传热，使得中压蒸汽产气量较低，排烟温度较高。严重时会危及锅炉的正常运行。立式余热锅炉中的催化剂细粉会由于重力沉积在底部，减少取热管催化剂附着情况，取热管积灰相对卧式较少。
4）立式余热锅炉使用寿命更长。因为立式余热锅炉的烟气气流，它的流向是锅炉受热面自下而上垂直的，会使上一层管道附着的催化剂消除后沉积在余热锅炉底部。会减少在取热管上附着的催化剂，装置经过长时间运行，原MTO卧式余热锅炉取热管上会附着大量催化剂，换热面积极大减少。为了保持原卧式锅炉的取热效果，通常会选择对管束进行激波吹灰，频繁的激波吹灰会造成余热锅炉隔热层的损坏，衬里层的脱落，时间久后会造成余热锅炉系统出现较多的局部热点，在日常生产中也增加了安全事故隐患。而且在每次大检修过程中也会耗费大量的人力和财力。所以当使用新的立式余热锅炉后，可以取得良好的换热效率，同时取热管相对较多，取热面积较大，也极大减少了余热锅炉吹灰系统的吹灰频率。新立式余热锅炉既可以延长系统的使用寿命，又减少了检修的频率，为今后生产中节能降耗取得了良好的成果。
5）热效率更高。新余热锅炉为立式π型结构布置，锅炉露天布置，钢构架支撑，轻型炉墙及金属护板结构。新锅炉型式为：立式、正压、中压蒸汽锅炉。进气气流是自下而上，且垂直于受热面而流动。在同一受热面温度分布均匀。换热效果较卧式更好，其受热效率更高。卧式余热锅炉的烟气气流是水平流动的，热气流向上，在同一断面烟气温度上高下低。相比立式余热锅炉来说，换热性不是特别好，所以受热利用率也比较差。经过一段时间生产运行可以看出，在负荷260t/h，同样再生主风量的情况下，烟气温度明显立式余热锅炉更低，自产中压蒸汽量更大，热利用率更好。
6）余热锅炉材料设计较上代好。余热锅炉高温部分的衬里结构采用耐火浇注料和陶瓷纤维的复合结构，耐火温度达到1 400℃以上。保证余热锅炉设备在环境温度27℃、无风状态下余热锅炉本体任何部位（省煤器模块除外）外壁温度≯60℃。选用具有成熟经验的钢材品种作为制造汽包的材料。汽包内部结构采取合理措施，避免进入汽包的给水与温度较高的汽包壁直接接触，以降低汽包壁温差和热应力。汽包内部采用先进成熟的锅内分离装置，确保汽水水质合格。汽包内部装置应严密、固定可靠，汽水分离器的出力应有足够的裕度。汽包水室壁面的下降管孔、进水管孔以及其他有可能出现温差的管孔，采取合理的结构型式和配水方式，防止管孔附近的热疲劳裂纹。水保护段为模块化、光管、内衬里结构，水保护段管子材质为不锈钢，蒸发段为模块化内衬里结构，布置在锅炉尾部竖井烟道内。为了减小汽水混合物流动阻力，同时避免汽水分层，管束倾斜布置。保证蒸发器内的水流分配和受热应均匀，保证蒸发器管中有足够的质量流速。蒸发器上设计必要的门、孔，以便检修人员进出，门、孔最大部件能防止在运行中受热辐射而变形；
正常运行时，门、孔关闭严密，避免自行开启。省煤器为模块化结构，管束、集箱的材料采用20G，换热管子壁厚≮4mm，只允许正偏差。省煤器设计中特别考虑灰粒磨损保护措施：如省煤器管束与四周墙壁间装设防止烟气偏流的阻流板，管束上还要设置可靠的防磨装置等；
在吹灰器有效范围内设置防磨护板；
省煤器设有再循环管，在锅炉启动过程中使用；
省煤器等受热面管组之间，留有足够高度的空间，供人员检修、清扫。
7）新增烟气除尘系统与余热锅炉及烟囱紧邻。布袋除尘器按照最大工况65 000Nm3/h烟气量设计。除尘器设计的最大压降2kPa、壳体设计的压力±5kPa，布袋除尘系统现场设置控制柜，采用自动化控制，无需人员值守，定期巡检即可。烟气经除尘器过滤后，粉尘暂时会收集在灰斗内，通过输灰系统来定期输送至现场灰仓，现场的灰仓底部设置卸灰阀，操作人员根据实际的运行情况，定期卸灰即可。该项目目的是有效去除MTO 烟气中的颗粒物，以便满足新的大气污染物排放限值：即非重点地区颗粒物含量≤50mg/m3，重点地区颗粒物≤30mg/m3。本次改造按照满足排放标准，改造后锅炉烟气最终排放指标为烟气粉尘含量＜20mg/m3（干基），且排烟温度≤150℃，装置可长期在满负荷下平稳运行。
通过卧室与立式余热锅炉对比可知，同样进料负荷260t/h情况，在主风量26 045Nm3/h条件，二级过热段和省煤段取热效果更好（表1）。产气量相比原卧室余热锅炉更大，余热锅炉排烟温度更低，说明立式余热锅炉比卧室余热锅炉取热效果更佳，充分提高余热锅炉烟气利用率。
表1 卧室与立式余热锅炉主要指标参数对比表
MTO余热锅炉是一项重要的节能降耗设施。排烟温度的降低、取热管积灰量的减少和产气量的增大即可说明现有的立式余热锅炉更优于原来的卧式余热锅炉。同时，会减少取热管泄漏的事故。通过有效的改造，保证了余热锅炉的安全稳定运行同时也提高了能源的利用率，达到了节能减排的作用。新增烟气除尘系统满足新的大气污染物排放限值，达到了＜20mg/m3（干基），且排烟温度≤150℃，满足了装置可长期在满负荷下平稳运行。
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