双面辐射焦化加热炉设计技术

双面辐射焦化加热炉设计技术

中石化工程建设公司

魏学军

SEI第二届延迟焦化年会论文〔4〕

双面辐射焦化加热炉设计技术

魏学军

〔中国石化工程建设公司

100101〕

据国外公司介绍，美国双面辐射焦化炉的设计始于1994年，从那时开始，美国新建的延迟焦化装置有90%以上均采用双面辐射焦化炉。国内第一台具有国际先进水平的双面辐射焦化炉于1999年底在上海石化股份建成并顺利投产，并且在2001年2月成功地实施了在线清焦操作。与常规单面辐射焦化炉相比，双面辐射焦化炉在热效率、操作周期及操作费用等方面有着显著的技术和经济优势。

1.炉型

双面辐射焦化炉炉型根本分为两种，一种为多室箱式炉，一种为多室阶梯炉，两种炉型均在炉顶设置一个公用的对流室〔参见图1、2〕。与常规单面辐射加热炉相比，双面辐射焦化炉炉膛长度较大、炉膛高度较小，这与其燃烧器数量较多、燃烧器发热量较小有着直接的关系。

双面辐射焦化炉辐射管水平布置在炉膛中间，接受布置在其两侧燃烧器产生的火焰及炉墙的高温辐射。管内介质一般采用自上向下流动方式，但也有关于采用自下向上流动方式的报道。与常规单面辐射焦化炉不同，双面辐射焦化炉辐射管之间一般采用急弯弯管连接，并且布置在炉膛内部而不设置弯头箱，辐射管架可采用悬吊式结构或下支撑式结构。

多室箱式炉采用垂直向上底烧式燃烧器，为保证炉膛温度分布的均匀性，燃烧器火焰高度一般应到达炉膛高度的1/3至1/2。处于同一辐射室的两组盘管用中间火墙隔开，以防止操作中相互干扰。而多室阶梯炉采用附墙式底烧燃烧器，燃烧器产生的高温火焰紧贴炉墙向上燃烧，将炉墙加热成为高温辐射体，再由炉墙将热量辐射给炉管。该种炉型每组盘管均位于一个辐射室内，可保证操作中不会出现相互干扰。

2.设计参数选择

传统的设计方法是选取适宜的辐射管平均热强度、管内质量流速及管程数，从而确定辐射管规格及排管面积。根据辐射传热理论可知，在管心距为炉管外径两倍情况下，单面辐射一面反射的炉管周向热强度的不均匀系数〔即周向最高热强度与平均热强度比值〕约为1.78，而双面辐射炉管约为1.2，这样在周向最高热强度相等的前提下，双面辐射炉管的平均热强度设计值可以取单面辐射炉管平均热强度的1.5倍，因此双面辐射焦化炉辐射管面积可以比单面辐射焦化炉减少1/3，即单程炉管总长度减少1/3。在相同的管内流速条件下，双面辐射排管不仅减小了管内压降，并且缩短了油品在管内的停留时间，从而可到达延缓管内结焦，延长加热炉操作周期的目的。

实验研究结果说明，对于某一种固定的油品来说，影响焦化炉管内结焦速率的关键参数为管内最高油膜温度和油品在管内的停留时间，管内最高油膜温度越低且油品在管内的停留时间越短那么意味着管内结焦的可能性越小。从这样一个根本原理出发，焦化炉似乎应采用小管径、多管程、低热强度的设计方案。然而，从现场实际操作考虑，小管径易造成结焦堵塞，而多管程增加了产生偏流可能性，因此管径及管程数应严格在工程经验范围内选择，不能盲目追求理论上的先进性。目前的工程经验数据是控制大于426°C的油品在炉内的停留时间不大于45秒，而炉管规格多在Φ76~Φ127之间选择。

当炉管规格、管程数及注汽量确定后，降低管内最高油膜温度和缩短油品在管内的停留时间是相互矛盾的。降低管内最高油膜温度意味着需要减小辐射管平均热强度，由于热负荷为定值，因此需要增加辐射排管面积，也就是增加炉管长度，其结果就是增大了停留时间。尽管增大注汽量对缩短停留时间会起到明显的作用，然而其副作用是增大了加热炉热负荷、燃料消耗、蒸汽消耗及管内压降，并且会对下游设备造成不利的影响。另外随着注汽量的增加，炉出口至焦碳塔管线压降增加，提高了炉出口及整个盘管内压力，不利于管内油膜因汽化而发生破裂，反而会加剧管内结焦现象。

油品组成中胶质、沥青质及残碳的含量对其结焦反响速率的影响是至关重要的。胶质、沥青质及残碳的含量越高，临界结焦反响温度越低，因此必须采用较低的热强度以控制管内最高油膜温度。

一般来讲，双面辐射焦化炉辐射管平均热强度范围为42000~55000W/m2，管内质量流速范围为1200~1800kg/m2.s。然而，对不同的油品来说，适宜的辐射管平均热强度、管内质量流速及注汽量等设计参数变化范围较大，无法定量给出数值。随着实验研究的不断深入及计算机软件的开发，采用专用计算软件对焦化炉进行模拟计算以确定最优设计参数的方法已成功地得以实现，该方法将为焦化炉的设计带来一场全新的变革。

3.双面辐射焦化炉工艺计算

双面辐射焦化炉工艺计算可分为管内和管外两局部，管外局部一般包括三维分区辐射传热、烟气流动、燃烧及火焰模型等方面的计算，管内局部包括传热、流体流动、汽化、化学反响等方面的计算。由于计算工作量极其庞大，采用手算法是无法完成的。目前我公司和石油大学已成功地合作开发出了焦化炉专用计算软件，可对单面辐射或双面辐射焦化炉进行详细的数值模拟计算，并且在现场操作分析及工程设计等方面得到了广泛的应用。

4.炉管、管架及炉衬材料选择

国内目前绝大多数焦化炉炉管材料为Cr5Mo(A335

P5)，但由于炉出口介质温度高达500°C，在管内到达一定结焦厚度情况下，炉内最高管壁温度可达600°C以上。由于Cr5Mo材质炉管的最高使用温度为600°C，因此采用Cr5Mo材质炉管的焦化炉多存在高温区炉管严重氧化爆皮的现象，均须定期更换，从而影响了焦化炉的长周期操作。根据目前收集到的资料，国外延迟焦化炉均采用Cr9Mo炉管，国内局部炼厂〔如福建、上海金山、安庆等〕也相继采用Cr9Mo炉管。由于Cr5Mo材质炉管的最高使用温度可达650°C，因此几乎没有发生氧化爆皮现象的报导。目前新设计的双面辐射焦化炉一般均采用Cr9Mo炉管。

辐射管架可采用悬吊式或下支撑式结构，通常悬吊式结构管架从稳定性、热膨胀补偿及经济性等方面具有较大的优势。由于焦化炉炉膛温度可最高可达1000°C左右，因此，无论采用何种结构形式的管架，管架材料均须采用Cr25Ni20。

为减少散热损失及减小炉衬的蓄热量，采用在线清焦技术的焦化炉应采用纤维结构炉衬为好，如耐火纤维模块、喷涂纤维、纤维可塑料等。

5.燃烧器选型及布置

燃烧器类型及性能对焦化炉操作的好坏有着极其重要的作用。对于双面辐射焦化炉来说，要求炉膛内沿炉管长度及高度方向上管壁热强度及烟气温度有着更高的均匀性，因此采用能产生一定高度稳定扁平火焰的气体燃烧器是较为适宜的。燃烧器的布置应与炉管及炉墙保持一定的距离，以防止火焰直接冲击炉管和炉墙。

随着国内环保意识及有关法律法规的加强，对烟气中氧化氮含量的限制也将更为严格，低氧化氮燃烧器将逐步占踞主导地位。

6.余热回收设备选择

余热回收设备的类型较多，目前较为广泛采用的有热管式和列管式空气预热器。从传热效率上来说，板式空气预热器具有更大的优势，但由于其烟气侧容易积灰造成堵塞，因而应用较少。由于热管式空气预热器可以在烟气侧和空气侧均采用扩大外表，从而大大提高了换热效率，其应用也比列管式空气预热器更为普遍。

7.多点注汽及在线清焦技术

采用多点注汽技术可明显减少注汽量及管线压降。焦化炉出口及炉管内压力的减小增加了管内油品的汽化及油膜的破裂，从而对延缓管内结焦有着积极的作用。注汽点位置选择及注汽量的大小对焦化炉的操作是十分重要的，必须采用专业软件经屡次优化核算后确定。

在线清焦技术是在焦化炉不停炉情况下对炉管内结焦进行去除的过程。采用在线清焦技术的焦化炉一般应采用4管程，以防止对后续设备操作造成太大的影响。操作时对其中一管程通入蒸汽，其余三管程正常操作，在线清焦用蒸汽及去除的焦碳与其他三管程油品一同进入焦碳塔。在线清焦的原理是利用炉管金属与管内焦垢层热膨胀系数的不同，通过快速增加及降低炉管温度，使得焦碳层与炉管剥离。根据国外资料报道，采用该技术后焦化炉操作周期可延长至两年以上。

8.双向烧焦及机械清焦

双向烧焦是在加热炉进出口管线分别设置烧焦蒸汽及空气接管，实际操作中可由入口至出口进行正常烧焦。当炉靠近炉入口部位管内结焦严重时，采用正常方向烧焦不能有效去除时，还可由出口至入口进行反向烧焦。双向烧焦对具有在线清焦技术的双面辐射焦化炉是十分必要的，这是因为在线清焦操作不当时，有可能使大块焦碳剥离而造成炉管堵塞，此时应停炉，用蒸汽正向及反向交替吹扫加热炉盘管，以去除管内堵塞的焦碳。

目前国际上广泛应用的机械清焦方法是一种与炉管规格匹配的专用清焦器，该清焦器放入炉管内，以蒸汽为动力使清焦器沿炉管向出口方向进行螺旋运动，可以最大程度去除管内结焦。

9.燃烧系统自动控制

采用空气燃料比例调节技术可最大程度降低过剩空气系数以到达提高热效率降低燃料消耗的目的。设计时可分别对燃料管线和空气管道设置流量计，根据燃料组成可计算出理论空气用量，从而可设定实际的空气与燃料比例。另外，自动快开风门及相应的报警连锁设置对焦化炉操作的平安性是极其重要的。在鼓风机、引风机或余热回收设备出现故障时，可自动翻开自动快开风门及烟囱密封挡板，焦化炉可实现自然通风操作而不影响装置的正常生产。