雙面輻射焦化加熱爐設(shè)計(jì)技術(shù)

中石化工程建設(shè)公司

魏學(xué)軍

SEI第二屆延遲焦化年會(huì)論文〔4〕

雙面輻射焦化加熱爐設(shè)計(jì)技術(shù)

魏學(xué)軍

〔中國石化工程建設(shè)公司

100101〕

據(jù)國外公司介紹，美國雙面輻射焦化爐的設(shè)計(jì)始于1994年，從那時(shí)開始，美國新建的延遲焦化裝置有90%以上均采用雙面輻射焦化爐。國內(nèi)第一臺(tái)具有國際先進(jìn)水平的雙面輻射焦化爐于1999年底在上海石化股份建成并順利投產(chǎn)，并且在2001年2月成功地實(shí)施了在線清焦操作。與常規(guī)單面輻射焦化爐相比，雙面輻射焦化爐在熱效率、操作周期及操作費(fèi)用等方面有著顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

1.爐型

雙面輻射焦化爐爐型根本分為兩種，一種為多室箱式爐，一種為多室階梯爐，兩種爐型均在爐頂設(shè)置一個(gè)公用的對(duì)流室〔參見圖1、2〕。與常規(guī)單面輻射加熱爐相比，雙面輻射焦化爐爐膛長度較大、爐膛高度較小，這與其燃燒器數(shù)量較多、燃燒器發(fā)熱量較小有著直接的關(guān)系。

雙面輻射焦化爐輻射管水平布置在爐膛中間，接受布置在其兩側(cè)燃燒器產(chǎn)生的火焰及爐墻的高溫輻射。管內(nèi)介質(zhì)一般采用自上向下流動(dòng)方式，但也有關(guān)于采用自下向上流動(dòng)方式的報(bào)道。與常規(guī)單面輻射焦化爐不同，雙面輻射焦化爐輻射管之間一般采用急彎彎管連接，并且布置在爐膛內(nèi)部而不設(shè)置彎頭箱，輻射管架可采用懸吊式結(jié)構(gòu)或下支撐式結(jié)構(gòu)。

多室箱式爐采用垂直向上底燒式燃燒器，為保證爐膛溫度分布的均勻性，燃燒器火焰高度一般應(yīng)到達(dá)爐膛高度的1/3至1/2。處于同一輻射室的兩組盤管用中間火墻隔開，以防止操作中相互干擾。而多室階梯爐采用附墻式底燒燃燒器，燃燒器產(chǎn)生的高溫火焰緊貼爐墻向上燃燒，將爐墻加熱成為高溫輻射體，再由爐墻將熱量輻射給爐管。該種爐型每組盤管均位于一個(gè)輻射室內(nèi)，可保證操作中不會(huì)出現(xiàn)相互干擾。

2.設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是選取適宜的輻射管平均熱強(qiáng)度、管內(nèi)質(zhì)量流速及管程數(shù)，從而確定輻射管規(guī)格及排管面積。根據(jù)輻射傳熱理論可知，在管心距為爐管外徑兩倍情況下，單面輻射一面反射的爐管周向熱強(qiáng)度的不均勻系數(shù)〔即周向最高熱強(qiáng)度與平均熱強(qiáng)度比值〕約為1.78，而雙面輻射爐管約為1.2，這樣在周向最高熱強(qiáng)度相等的前提下，雙面輻射爐管的平均熱強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可以取單面輻射爐管平均熱強(qiáng)度的1.5倍，因此雙面輻射焦化爐輻射管面積可以比單面輻射焦化爐減少1/3，即單程爐管總長度減少1/3。在相同的管內(nèi)流速條件下，雙面輻射排管不僅減小了管內(nèi)壓降，并且縮短了油品在管內(nèi)的停留時(shí)間，從而可到達(dá)延緩管內(nèi)結(jié)焦，延長加熱爐操作周期的目的。

實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果說明，對(duì)于某一種固定的油品來說，影響焦化爐管內(nèi)結(jié)焦速率的關(guān)鍵參數(shù)為管內(nèi)最高油膜溫度和油品在管內(nèi)的停留時(shí)間，管內(nèi)最高油膜溫度越低且油品在管內(nèi)的停留時(shí)間越短那么意味著管內(nèi)結(jié)焦的可能性越小。從這樣一個(gè)根本原理出發(fā)，焦化爐似乎應(yīng)采用小管徑、多管程、低熱強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方案。然而，從現(xiàn)場實(shí)際操作考慮，小管徑易造成結(jié)焦堵塞，而多管程增加了產(chǎn)生偏流可能性，因此管徑及管程數(shù)應(yīng)嚴(yán)格在工程經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)選擇，不能盲目追求理論上的先進(jìn)性。目前的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是控制大于426°C的油品在爐內(nèi)的停留時(shí)間不大于45秒，而爐管規(guī)格多在Φ76~Φ127之間選擇。

當(dāng)爐管規(guī)格、管程數(shù)及注汽量確定后，降低管內(nèi)最高油膜溫度和縮短油品在管內(nèi)的停留時(shí)間是相互矛盾的。降低管內(nèi)最高油膜溫度意味著需要減小輻射管平均熱強(qiáng)度，由于熱負(fù)荷為定值，因此需要增加輻射排管面積，也就是增加爐管長度，其結(jié)果就是增大了停留時(shí)間。盡管增大注汽量對(duì)縮短停留時(shí)間會(huì)起到明顯的作用，然而其副作用是增大了加熱爐熱負(fù)荷、燃料消耗、蒸汽消耗及管內(nèi)壓降，并且會(huì)對(duì)下游設(shè)備造成不利的影響。另外隨著注汽量的增加，爐出口至焦碳塔管線壓降增加，提高了爐出口及整個(gè)盤管內(nèi)壓力，不利于管內(nèi)油膜因汽化而發(fā)生破裂，反而會(huì)加劇管內(nèi)結(jié)焦現(xiàn)象。

油品組成中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)及殘?zhí)嫉暮繉?duì)其結(jié)焦反響速率的影響是至關(guān)重要的。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)及殘?zhí)嫉暮吭礁撸R界結(jié)焦反響溫度越低，因此必須采用較低的熱強(qiáng)度以控制管內(nèi)最高油膜溫度。

一般來講，雙面輻射焦化爐輻射管平均熱強(qiáng)度范圍為42000~55000W/m2，管內(nèi)質(zhì)量流速范圍為1200~1800kg/m2.s。然而，對(duì)不同的油品來說，適宜的輻射管平均熱強(qiáng)度、管內(nèi)質(zhì)量流速及注汽量等設(shè)計(jì)參數(shù)變化范圍較大，無法定量給出數(shù)值。隨著實(shí)驗(yàn)研究的不斷深入及計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)，采用專用計(jì)算軟件對(duì)焦化爐進(jìn)行模擬計(jì)算以確定最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)的方法已成功地得以實(shí)現(xiàn)，該方法將為焦化爐的設(shè)計(jì)帶來一場全新的變革。

3.雙面輻射焦化爐工藝計(jì)算

雙面輻射焦化爐工藝計(jì)算可分為管內(nèi)和管外兩局部，管外局部一般包括三維分區(qū)輻射傳熱、煙氣流動(dòng)、燃燒及火焰模型等方面的計(jì)算，管內(nèi)局部包括傳熱、流體流動(dòng)、汽化、化學(xué)反響等方面的計(jì)算。由于計(jì)算工作量極其龐大，采用手算法是無法完成的。目前我公司和石油大學(xué)已成功地合作開發(fā)出了焦化爐專用計(jì)算軟件，可對(duì)單面輻射或雙面輻射焦化爐進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值模擬計(jì)算，并且在現(xiàn)場操作分析及工程設(shè)計(jì)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

4.爐管、管架及爐襯材料選擇

國內(nèi)目前絕大多數(shù)焦化爐爐管材料為Cr5Mo(A335

P5)，但由于爐出口介質(zhì)溫度高達(dá)500°C，在管內(nèi)到達(dá)一定結(jié)焦厚度情況下，爐內(nèi)最高管壁溫度可達(dá)600°C以上。由于Cr5Mo材質(zhì)爐管的最高使用溫度為600°C，因此采用Cr5Mo材質(zhì)爐管的焦化爐多存在高溫區(qū)爐管嚴(yán)重氧化爆皮的現(xiàn)象，均須定期更換，從而影響了焦化爐的長周期操作。根據(jù)目前收集到的資料，國外延遲焦化爐均采用Cr9Mo爐管，國內(nèi)局部煉廠〔如福建、上海金山、安慶等〕也相繼采用Cr9Mo爐管。由于Cr5Mo材質(zhì)爐管的最高使用溫度可達(dá)650°C，因此幾乎沒有發(fā)生氧化爆皮現(xiàn)象的報(bào)導(dǎo)。目前新設(shè)計(jì)的雙面輻射焦化爐一般均采用Cr9Mo爐管。

輻射管架可采用懸吊式或下支撐式結(jié)構(gòu)，通常懸吊式結(jié)構(gòu)管架從穩(wěn)定性、熱膨脹補(bǔ)償及經(jīng)濟(jì)性等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。由于焦化爐爐膛溫度可最高可達(dá)1000°C左右，因此，無論采用何種結(jié)構(gòu)形式的管架，管架材料均須采用Cr25Ni20。

為減少散熱損失及減小爐襯的蓄熱量，采用在線清焦技術(shù)的焦化爐應(yīng)采用纖維結(jié)構(gòu)爐襯為好，如耐火纖維模塊、噴涂纖維、纖維可塑料等。

5.燃燒器選型及布置

燃燒器類型及性能對(duì)焦化爐操作的好壞有著極其重要的作用。對(duì)于雙面輻射焦化爐來說，要求爐膛內(nèi)沿爐管長度及高度方向上管壁熱強(qiáng)度及煙氣溫度有著更高的均勻性，因此采用能產(chǎn)生一定高度穩(wěn)定扁平火焰的氣體燃燒器是較為適宜的。燃燒器的布置應(yīng)與爐管及爐墻保持一定的距離，以防止火焰直接沖擊爐管和爐墻。

隨著國內(nèi)環(huán)保意識(shí)及有關(guān)法律法規(guī)的加強(qiáng)，對(duì)煙氣中氧化氮含量的限制也將更為嚴(yán)格，低氧化氮燃燒器將逐步占踞主導(dǎo)地位。

6.余熱回收設(shè)備選擇

余熱回收設(shè)備的類型較多，目前較為廣泛采用的有熱管式和列管式空氣預(yù)熱器。從傳熱效率上來說，板式空氣預(yù)熱器具有更大的優(yōu)勢(shì)，但由于其煙氣側(cè)容易積灰造成堵塞，因而應(yīng)用較少。由于熱管式空氣預(yù)熱器可以在煙氣側(cè)和空氣側(cè)均采用擴(kuò)大外表，從而大大提高了換熱效率，其應(yīng)用也比列管式空氣預(yù)熱器更為普遍。

7.多點(diǎn)注汽及在線清焦技術(shù)

采用多點(diǎn)注汽技術(shù)可明顯減少注汽量及管線壓降。焦化爐出口及爐管內(nèi)壓力的減小增加了管內(nèi)油品的汽化及油膜的破裂，從而對(duì)延緩管內(nèi)結(jié)焦有著積極的作用。注汽點(diǎn)位置選擇及注汽量的大小對(duì)焦化爐的操作是十分重要的，必須采用專業(yè)軟件經(jīng)屢次優(yōu)化核算后確定。

在線清焦技術(shù)是在焦化爐不停爐情況下對(duì)爐管內(nèi)結(jié)焦進(jìn)行去除的過程。采用在線清焦技術(shù)的焦化爐一般應(yīng)采用4管程，以防止對(duì)后續(xù)設(shè)備操作造成太大的影響。操作時(shí)對(duì)其中一管程通入蒸汽，其余三管程正常操作，在線清焦用蒸汽及去除的焦碳與其他三管程油品一同進(jìn)入焦碳塔。在線清焦的原理是利用爐管金屬與管內(nèi)焦垢層熱膨脹系數(shù)的不同，通過快速增加及降低爐管溫度，使得焦碳層與爐管剝離。根據(jù)國外資料報(bào)道，采用該技術(shù)后焦化爐操作周期可延長至兩年以上。

8.雙向燒焦及機(jī)械清焦

雙向燒焦是在加熱爐進(jìn)出口管線分別設(shè)置燒焦蒸汽及空氣接管，實(shí)際操作中可由入口至出口進(jìn)行正常燒焦。當(dāng)爐靠近爐入口部位管內(nèi)結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)，采用正常方向燒焦不能有效去除時(shí)，還可由出口至入口進(jìn)行反向燒焦。雙向燒焦對(duì)具有在線清焦技術(shù)的雙面輻射焦化爐是十分必要的，這是因?yàn)樵诰€清焦操作不當(dāng)時(shí)，有可能使大塊焦碳剝離而造成爐管堵塞，此時(shí)應(yīng)停爐，用蒸汽正向及反向交替吹掃加熱爐盤管，以去除管內(nèi)堵塞的焦碳。

目前國際上廣泛應(yīng)用的機(jī)械清焦方法是一種與爐管規(guī)格匹配的專用清焦器，該清焦器放入爐管內(nèi)，以蒸汽為動(dòng)力使清焦器沿爐管向出口方向進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)，可以最大程度去除管內(nèi)結(jié)焦。

9.燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制

采用空氣燃料比例調(diào)節(jié)技術(shù)可最大程度降低過剩空氣系數(shù)以到達(dá)提高熱效率降低燃料消耗的目的。設(shè)計(jì)時(shí)可分別對(duì)燃料管線和空氣管道設(shè)置流量計(jì)，根據(jù)燃料組成可計(jì)算出理論空氣用量，從而可設(shè)定實(shí)際的空氣與燃料比例。另外，自動(dòng)快開風(fēng)門及相應(yīng)的報(bào)警連鎖設(shè)置對(duì)焦化爐操作的平安性是極其重要的。在鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)或余熱回收設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)翻開自動(dòng)快開風(fēng)門及煙囪密封擋板，焦化爐可實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)操作而不影響裝置的正常生產(chǎn)。