魏学军：焦化加热炉设计与操作

91焦化加热炉的设计与操作一、概述二、焦化加热炉设计1、炉型2、设计参数选择3、炉管4、燃烧器选型及布置5、余热回收系统6、炉衬7、多点注汽8、加热炉进料和燃烧系统联锁控制三、焦化加热炉的操作1、工艺介质流量控制2、燃烧器操作3、过剩空气控制4、炉膛负压控制5、减少不完全燃烧损失6、减少散热损失7、减少烟囱密封挡板处的烟气泄露8、在线清焦（on-linespalling）及双向烧焦9、其他92一、概述作为重油加工的主要工艺“延迟焦化”就是要把重油加工过程中所希望进行的重油热裂解－缩合反应延迟到加热炉下游的焦炭塔中进行。这种工艺特点就是要求延迟焦化加热炉必须具有快速把工艺介质加热到所需焦化温度的良好性能，并具有低结焦速率、长周期运行的特点。这是一对既统一又辩证的矛盾，只有在良好的设计和操作中，结合动态的工况条件优化，来求得这对矛盾的统一交点。这就是焦化加热炉的技术核心所在，也是它有别于其他炼油加热炉的地方。延迟焦化是一种利用重油在热转化深度较低时不易出现结焦前体物（结焦母体）的特性，在焦化加热炉管内获得重油轻质化所需要的能量，然后在焦炭塔内完成生焦反应的工艺过程。控制焦化加热炉炉管结焦速率是确保延迟焦化装置长周期运行的基础，在此基础上确保焦化加热炉把工艺介质加热到特定炉出口温度、供给介质升温、部分汽化和反应所需要的热量，增加馏份油产率，减少装置的焦炭产率，从而使该工艺过程获得较好经济效益，由此可见，良好的加热炉设计和操作是延迟焦化装置实施“长、满、安、优”生产的技术关键。良好的焦化加热炉设计应该具有如下特点：—针对给定的原料和加热炉进料性质以及相应的工艺参数，有很强的适应性和可靠性。—辐射室炉管的热强度周向不均匀系数小，火焰对炉管的加热均匀。—有适宜均匀的热强度，使炉管内油品有较短的停留时间，希望427℃以上油品停留时间不要超过30秒。—尽可能均匀的炉膛内温度场和热强度场，使介质有稳定的温升梯度。—较高的管内油品冷油流速（1.83米／秒）或质量流速。—具备有多点注汽（或水）、在线清焦（on-linespalling）的功能。—高加热炉热效率，一般要求90％以上。—连续运行时间（在低循环比工况下），应在一年以上。二、焦化加热炉工程设计1、炉型由于焦化加热炉特点是管内油品重、加热温度高、且管内油品存在着汽化和复杂的裂解及缩合化学反应，炉管内部特别容易产生结焦，所以必须在流速快、停留时间短、热强93度较高的操作条件下，使油品在加热炉内能够迅速达到焦化所需温度。为适应这些特点，保证管内介质在理想流型状况下均匀受热，焦化炉辐射管一般均采用水平方向布置。立管焦化炉与水平管焦化炉比较，主要有两大缺点：一是两相流在立管内的良好流型范围很窄，特别容易出现不良流型，油料因局部过热而裂解；二是在底烧条件下每根立管都要通过炉膛高温区，对于焦化炉这样苛刻的操作条件，很容易造成整个辐射室炉管全部烧坏的重大事故。这就是焦化炉不能用立管的主要原因。与常规加热炉相同，焦化加热炉由辐射室、对流室、烟囱及烟气余热回收系统几部分构成。辐射室为焦化加热炉的主要传热部位，其吸热量约为总吸热量的65-75%，而在辐射室内约80%以上的热量是由热辐射来完成，其余部分是由高温烟气和炉管的对流传热来完成，因此良好的辐射炉管布置对均匀地吸收辐射热量是非常重要的。单排管双面辐射与单排管单面辐射（加反射）比起来，其最大的优点是热流沿炉管圆周分布均匀，因而其辐射管表面热强度是单面辐射的1.5倍。换句话说，辐射管的总长度可缩短33%，即停留时间缩短33%。这对要求油料在427℃以后要尽量缩短停留时间的焦化炉是非常有利的。按照辐射室形状划分，焦化加热炉可分为立式炉、箱式炉和阶梯炉三种炉型；按照辐射管受热方式划分，焦化加热炉可分为单面辐射炉和双面辐射炉两种；按照辐射室内炉膛数量划分又可分为单室炉、双室炉及多室炉。如果将以上不同划分方式产生的炉型进行组合即可得出多种可供选择的炉型。在焦化装置循环比为0.2～0.4范围内，焦化加热炉可根据装置处理量的大小选择管程数及炉膛数量，推荐设计炉型见表1。表1、焦化加热炉推荐炉型焦化装置处理量，万吨/年3030-6060-120单面辐射炉单室2管程水平管立式炉单室2管程水平管立式炉双室4管程水平管箱式炉双面辐射炉单室1管程水平管立式炉单室1管程水平管阶梯炉单室2管程水平管箱式炉双室2管程水平管箱式炉双室2管程水平管阶梯炉4室4管程水平管箱式炉4室4管程水平管阶梯炉94图1、双管程单面辐射水平管立式炉图2、四管程单面辐射水平管箱式炉图3、双室四管程箱式炉图4、四室四管程阶梯炉（单阶梯）95图5、三室六管程箱式炉图6、六室六管程阶梯炉（单阶梯）国内目前大多数焦化炉均为单面辐射炉，一般均采用单室2管程水平管立式炉炉型96（图1），如果装置处理量达到80万吨/年以上，还可采用双室4管程水平管箱式炉炉型（图2）。单面辐射炉的炉管靠炉墙布置，燃烧器位于炉膛中间，火焰及热烟气对炉管呈单面辐射传热方式。由于国内焦化工艺换热流程的原因，国内此种焦化炉除辐射室布置焦化工艺介质外，一般还在对流室布置减压渣油预热段、过热蒸汽段和注水段，表1为国内几家炼油厂单面辐射炉的主要设计数据。表1、典型单面辐射炉的主要设计数据ABCD炉型水平管立式水平管立式水平管立式水平管立式加热炉处理量万吨/年30405060操作循环比0.40.40.40.2全炉热负荷MW~13~15~23~18工艺介质流量kg/hr(注)52500700008750090000工艺介质进出炉温度˚C370/500380/500350/500380/500对流减压渣油流量kg/hr37500500006250075000对流减压渣油进出炉温度˚C170/340170/340180/330280/330辐射室工艺介质炉管规格Ф102x8Ф127x10Ф127x10Ф127x10炉管根数80767472炉管材质Cr5MoCr5MoCr5MoCr5Mo管程数2222对流室工艺介质炉管规格--Ф127x10Ф127x10炉管根数--616炉管材质--Cr5MoCr5Mo管程数--22减压渣油炉管规格Ф114x8Ф127x10Ф152x10Ф152x10炉管根数72967632炉管材质Cr5MoCr5MoCr5MoCr5Mo管程数1211过热蒸汽炉管规格Ф114x8Ф127x10Ф152x8Ф89x8炉管根数6866炉管材质20#20#20#20#管程数1113注水炉管规格Ф89x6Ф60x6Ф89x6Ф89x8炉管根数8014068100炉管材质20#18-820#20#管程数2222燃烧器数量（台）16162626辐射管内质量流速kg/m2-s1255108113521390辐射管平均热强度W/m227000~3300027000~3300027000~3300027000~33000设计热效率,η%90909090注：工艺介质为减压渣油和循环油的混合物97单面辐射炉均采用固定在侧墙钢结构上的铸造管架来支撑辐射炉管（见图7），辐射室管架材质一般为ZG35Cr25Ni12，对流室中间管板可根据烟气温度的高低可分别选用ZG40Cr25Ni20、ZG35Cr25Ni12或RQTSi-5.0铸造管板。辐射室管架及对流室中间管板的支撑间距一般不大于35倍管外径。单面辐射炉的辐射室和对流室均设置两端管板及弯头箱，连接炉管的铸造回弯头或急弯弯管位于弯头箱内，由于铸造回弯头容易在堵头处发生泄露，为减轻维护工作量，国内已有多家炼油厂将铸造回弯头改成了急弯弯管，目前新设计的单面辐射炉除在个别位置采用铸造回弯头外，其余炉管之间连接均已采用急弯弯管。图7、单面辐射炉用辐射管架由于单面辐射炉炉管数量较多，炉膛高度一般均在8~9米，因此单台燃烧器发热量多在1.0~1.2MW，火焰长度一般应控制在2~3米为宜。由于扁平焰气体燃烧器可以减小沿炉管长度方向热强度的不均匀系数，并且相对增加了火焰到炉管的距离，减少了火焰直接冲击炉管的几率，因此应在设计中加以推广。双面辐射炉的炉管布置在炉膛中间，管排两侧布置燃烧器，火焰及热烟气对炉管呈双面辐射传热方式。据资料显示，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有限公司建成并顺利投产，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，双面辐射焦化炉在操作周期及操作费用等方面有着显著的技术和经济优势。双面辐射焦化炉炉型基本分为两种，一种为箱式炉，一种为阶梯炉，两种炉型均在炉98顶设置一个或多个对流室（图3-6）。由于辐射管架设置在炉膛中间，为避免产生过大的热膨胀量，双面辐射焦化炉炉膛高度不易过大，一般在5~6米以下为宜，因此导致炉膛长度方向尺寸较大，燃烧器数量较多、燃烧器发热量较小。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达到炉膛高度的1/3左右为。处于同一辐射室的两组盘管用中间火墙隔开，以避免操作中相互干扰。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。双面辐射焦化炉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。双面辐射炉采用固定在炉顶或炉底钢结构上的管架（见图8）来支撑辐射炉管（即悬吊式结构或下支撑式结构），辐射室中间管架材质一般为ZG40Cr25Ni20或离心浇注管HP40Nb，对流室中间管板可根据烟气温度的高低可分别选用ZG40Cr25Ni20、ZG35Cr25Ni12或RQTSi-5.0铸造管板。辐射室中间管架及对流室中间管板的支撑间距一般不大于35倍管外径。表2为国内几家炼油厂双面辐射炉的主要设计数据：（一）离心浇注管型（二）静态铸造型图8、双面辐射炉用辐射管架99表2、国内典型双面辐射炉的主要设计数据ABCD炉型4室水平管箱式4室水平管箱式2室水平管箱式6室水平管箱式加热炉处理量万吨/年10014050160操作循环比0.350.20.40.25全炉热负荷MW33.8846.6716.6449.95工艺介质流量kg/hr16875021000087500250000工艺介质进出炉温度˚C327/500317/500340/500300/500辐射室工艺介质炉管规格Ф114.3x8.56Ф127x12Ф114.3x8.56Ф114.3x9.8炉管根数969648144炉管材质Cr9MoCr9MoCr9MoCr9Mo管程数4426对流室工艺介质炉管规格Ф114.3x8.56Ф127x10Ф114.3x8.56Ф114.3x9.8炉管根数727236132炉管材质Cr9MoCr9MoCr9MoCr9Mo管程数4426辐射管内介质质量流速kg/m2-s1580162216381643辐射管平均热强度W/m242000~5200038000~48600039000~4900035000~45000燃烧器数量(台）9612848144设计热效率91.591.591.590.52、设计参数选择传统设计方法是在炉型和管程数确定以后，按表3选取合适的辐射管平均热强度、管内质量流速，根据辐射室热负荷确定辐射管规格及排管面积（见式1和式2）。RiFFRRRMDWGAQq24上二式中：qR—辐射管平均热强度W/m2QR—辐射室热负荷MWAR—辐射排管面积m2GF—辐射管内介质质量流速kg/m2.sWF—辐射室工艺介质流量kg/s----1----2910DI—辐射管内径MR—辐射室管程数表3、辐射管平均热强度及管内质量流速的设计范围炉型辐射管平均热强度W/m2管内质量流速kg/m2.s单面辐射炉28000—310001200—180