1、 1延长焦化加热炉运行周期的优化设计蔡明件 邱方清（武汉炼化工程设计有限责任公司 430082）摘要: 本文对延迟焦化装置加热炉的工艺设计进行了说明,重点分析了单面辐射炉炉管结焦的原因,以及在设计中针对炉管结焦原因所采取的一些措施。对新设计的双面辐射加热炉的特点进行了简要说明,并将单面辐射炉和双面辐射炉的工艺设计参数进行了比较,表明双面辐射加热炉是焦化加热炉发展的必然趋势。关键词: 延迟焦化 循环比 加热炉 结焦 单面辐射炉 双面辐射炉 注水注汽 配风比1 概述焦化加热炉是延迟焦化装置的核心设备，它运行的好坏直接影响到焦化装置的长周期生产及经济效益。加热炉炉管的结焦、鼓包、胀径、脱皮、烧穿等现
2、象都将给安全生产带来严重威胁。由于延迟焦化装置的原料油为重质渣油，比重大、粘度高、临界反应温度低、在加热过程中易结焦，但又必须在加热炉内把原料加热到焦化反应所需的温度，因此加热炉辐射炉管的结焦是不可避免的。目前国内延迟焦化装置的检修周期主要是以加热炉管的结焦程度作为依据而决定的，它制约着焦化装置的生产周期，可以说，加热炉设计水平的高低在一定程度上代表着延迟焦化装置设计水平的高低。武汉石化分公司延迟焦化装置原有的一台加热炉设计规模为 40 万吨/年，为单面辐射的卧管立式炉，设计热负荷为 18.2MW。在本次焦化装置 100 万吨/年扩能改造中,新增的加热炉按60 万吨/年设计，为双面辐射的卧管立
3、式炉,以进一步延长加热炉的运行周期。下面对我厂焦化加热炉设计中如何降低炉管结焦,以延长加热炉的开工周期所采取的措施进行简要的说明。2 单面辐射焦化炉的设计对结焦的影响加热炉炉管内壁结焦是由于被加热介质在一定压力、温度条件下，由于裂解、缩合反应生成焦炭，然后沉积并吸附在炉管内壁而形成的，引起炉管结焦的原因很多，它受多方面因素影响:设计、施工、操作、原料本身及燃料气性质等等。综合分析，引起加热炉炉管结焦的主要原因有以下几点： 加热炉辐射炉管的布管方式 辐射炉管注水或注汽点及量 焦化炉燃烧系统的优化，合理配风 辐射炉管表面平均热强度、炉管内介质流速的合理选择。 对流段、辐射段出口温度的控制。 焦化炉
4、进料性质。因此，如能在设计上采取一些有效措施，通过车间技术人员及操作人员的精心操作，即可有效的减缓炉管结焦速率，延长焦化炉开工周期，提高装置的处理量。22.1 辐射进料采用“下进中出”流程据资料介绍 （1） ，油品由 350左右的温度进入加热炉辐射室到加热到 500出辐射室，一般经历了三个加热升温阶段：即裂化加热阶段、缩合加热阶段和过热加热阶段。在不同的加热阶段对传热要求也不同，在裂化加热阶段和过热加热阶段对传热的要求是：大温差、高传热速率；在缩合加热阶段对传热的要求是：小温差、低传热速率，这就是通常简称的“二高一低” 。根据油品在焦化炉辐射室三个加热阶段“二高一低”的传热要求以及辐射室高温区
5、、次高温区和低温区的分布，对焦化炉辐射段炉管流程进行如下优化：油品由辐射室底部第 1 根炉管进入辐射室；当温度升高到临界反应区的下限时抽出经转油线送至辐射室顶部第一根炉管再次进入辐射室，当加热到生产工艺规定温度 500时出辐射室进入焦炭塔。在设计焦化炉辐射管流程时，将油品在辐射室的裂化加热升温阶段设置在次高温区，过热加热阶段设置在高温区，缩合加热升温阶段设置在低温区。这种“下进中出”的流程实现了管外传热与管内油品吸热要求相匹配，从而为减缓加热炉辐射炉管结焦速率，延长开工周期，提高装置的处理能力创造了条件；同时油品与烟气换热为逆流换热，优化了辐射室传热条件，提高了辐射室的传热量。辐射炉管流程与炉
6、膛温度分布曲线见图 1。对于底部设置火咀，介质下进中出的卧管立式炉，辐射室温度分布是不均匀的，因此辐射炉管所承受的表面热强度也是不均匀的。从图中可知，从下往上数，第 8 至 16 根辐射炉管正好位于辐射室的高温区，由于该区烟气温度最高，辐射能力最强，炉管承受的表面热强度最高，同时亦是炉膛热强度分布最不均匀的区域，因此布管时将过热加热阶段的炉管布置在该高温区，使炉管出口位于此区域，尽量避免介质的临界分解段位于此传热不均匀区,尽量减少局部过热和炉管内壁生焦。32.2 辐射炉管采用“双点两级”注水技术作为湍流剂，无论注水或注汽都是可行的，国内焦化加热炉普遍采用注水技术，因为注入的凝水和高温物料混合后
7、能完全汽化，其相变过程对破坏管壁层流更为有利，但增加了加热炉的热负荷，因此，采用注水或注汽最终还是取决于使用二者的方便程度和经济性。尽管如此，相对于“单点一级”注水， “双点两级”注水技术则有更大的优越性。采用“单点一级”注水是指把全部注水量从辐射进料入口一次注入辐射加热炉管，此方法的缺点是：油品由 350左右的温度进入辐射室后，首先要经过一个裂化加热升温阶段，根据自由基反应机理和中间相成焦机理知，在此升温阶段油品发生的热转化反应主要是大分子烃类的裂解反应，由大分子裂解为小分子，长键断裂成短键，形成裂解产物；而渣油中的沥青质含量基本没有变化，油品温度较低，炉管尚不具备结焦条件，在此阶段注水失去
8、注水的意义。注水后油品流速提高，增加了油品流过辐射炉管系统的压力降。在油品的缩合反应阶段（临界反应区） ，焦化炉辐射炉管结焦速率最大；在此阶段注水，既可以提高油品的速率，达到降低炉管结焦速率的目的，又可以利用水转化为水蒸气的吸热增加渣油在缩合反应阶段对热量的需求量，延长油品加热升温时间，为中间相小球体的长大、相互融并和有序排列创造条件。因此，在渣油发生缩合反应阶段注水是科学合理的，可以使注水的作用得到充分发挥。我们在加热炉计算设计时采用“双点两级”注水技术，即以 10%的软化水由辐射进料口注入辐射炉管，用于降低裂解产物的分压，促使渣油中的重组份的进一步发生裂解反应；以 90%的软化水由转油线入
9、口注入辐射炉管，用于提高渣油缩合反应阶段的流速，减缓该阶段辐射炉管结焦速率；同时利用水汽化潜热大，汽化时吸收大量热来延长渣油缩合反应阶段的加热升温时间，为中间相小球体的长大、相互融并和有序排列创造了条件，这有利于降低焦炭产率和提高焦炭质量。 “双点两级”焦化炉辐射室炉管注水法与“单点一级”注水法相比，使注水的目的得以充分发挥，提高了减缓焦化辐射炉管结焦速率的效果，降低了油品流过辐射室炉管系统的压降，同时还可以降低焦炭产率，提高焦炭的质量。目前，采用“双点两级”注水已呈现主导趋势，此技术的优点可以概括为：降低炉管压降和有利于介质的汽化和裂解。2.3 优化焦化炉燃烧系统与合理配风过剩空气系数的大小
10、不但对加热炉的热效率有着直接的影响，而且对辐射室的传热量也有着直接的关系。烟气是依靠三原子气体的辐射将热量传给炉管的 （2） ，三原子气体在烟气中的浓度和烟气的温度决定着烟气的辐射能力，过剩空气系数大小直接决定着三原子气体在烟气中的浓度，对辐射室内的烟气温度也有一定的影响。下表 1 为我厂焦化装置处理量为 40 万吨/年，原料为管输减压渣油，循环比为 0.4，不同的空气过剩系数时加热炉设计计算数据。表 1 不同空气过剩系数对加热炉热效率的影响项目 空 气 过 剩 系 数1.1 1.2 1.4 1.6辐射段热负荷 Mw 13.01 12.52 11.72 11.0对流段热负荷 Mw 5.19 5
11、.68 6.48 7.2辐射管表面平均热强度 w/m2 28265 27200 25462 23898辐射段热负荷/总热负荷 0.715 0.688 0.644 0.604氧含量/烟气总量% 2.9 4.3 6.7 8.5排烟温度 160 168 174 205热效率% 90.1 89.7 87.9 85.84从表 1 可见：过剩空气系数由 1.1 增大到 1.6，辐射管表面平均热强度降低了 18.3%，对流取热比例增加，可见降低过剩空气系数不但可以提高加热炉的热效率，而且可以增加辐射室的传热量，但过低的空气过剩系数则不利于燃料的完全燃烧。众所周知：燃料不完全燃烧对加热炉热效率的影响大于过剩空
12、气系数对加热炉热效率的影响，采用高效率的燃烧器，保证燃料完全燃烧是降低过剩空气系数的前提。由于焦化炉的炉型为卧管立式炉，与立管立式炉和圆筒炉相比，漏风点多、漏风量大，立管立式炉和圆筒炉漏风点集中在对流段，而焦化炉则主要是辐射室漏风；降低过剩空气系数，减少辐射室的漏风量是关键。我们在焦化炉设计中，对焦化炉燃烧系统作如下设计： 单台燃烧器的热负荷为全炉热负荷的 4%5%。 二台燃烧器的中心距离控制在 0.81.0 米范围内。 燃烧器与辐射室炉管中心距为 1.25 米。 燃烧器以烧气体燃料为主，烧液体燃料为辅；过剩空气系数为 1.2，火焰高度控制在2.53 米之间。2.4 合理选择辐射炉管表面平均热
13、强度辐射炉管表面平均热强度是影响炉管结焦的主要因素，它太高会加快结焦速率，太低又会加大炉膛尺寸，增加一次投资。表 2 为我厂 40 万吨/年处理量焦化炉设计的主要工艺设计参数。表 2 焦化加热炉工艺设计参数 循环比（循环油/减压渣油）0.4 循环比 单程转化混合原料油 蒸气 软化水 减压渣油 蒸气 软化水备 注流量 kg/h 70000 2000 1400 50000 2000 1400入口 291 188 305 270 138 164温度 出口 500 309 500 500 240 240入口 1.98 1.2 1.98 1.98 3.6 3.6压力Mpa 出口 0.5 1.192 0.
14、5 0.5 3.592 3.592压降 Mpa 1.48 0.008 0.004 1.48 0.008 0.004计算热负荷 MW 17.55 0.16 0.28 14.27 0.16 0.28全炉计算热负荷 MW 17.99 14.71辐射管平均热强度w/m2 27200 20167SHJ36-91 规定2900032000对流：1.03 对流：0.92冷油流速 m/s辐射：1.11 辐射：0.99对流：1076 对流：738 质量流速 kg/s.m3辐射：1158 辐射：803.2 SHJ36-91 规定12001800TP温度 847 802排烟温度 168 176热效率，% 89.7
15、90.3从表中可以看出，焦化炉辐射炉管表面平均热强度为 27000w/m2左右，小于规范值低限29000 w/m2，为降低结焦因数，并为今后扩能改造留一定的富裕量，选取较低的辐射炉管表面平均热强度是合理的，尽管增加了一些一次投资，但能保证加热炉的长周期运行，在经济上也是可取的。2.4 防止对流段结焦，控制辐射段出口温度当对流段和辐射段管径不变时，在焦化炉的辐射段，目前多采用注水和提高循环比来增加5管线中的冷油流速；而在对流段，由于炉出口的温度相对较低，一般不采取增大流速的措施。但由于焦化炉对流管内原料性质差，处理量不稳定，特别是当处理量下降，对流管内介质流速减小时，对流段炉管的超温结焦问题就变
16、得严重起来。因此，在焦化炉对流段每路进料中，均设置流量控制，以避免产生偏流，同时在每路对流入炉管线上增加辅助注水设施。当处理量减少，对流出口温度超高时，可向对流管线中少量注水以提高流速，防止结焦。加热炉出口温度是焦化反应的关键指标，它的变化直接影响到反应深度、产品收率、开工周期和焦炭质量等许多方面。炉出口温度高，气体、汽油、柴油产率上升，但炉管结焦趋势增大；炉出口温度低则焦炭塔易出软焦，焦炭挥发份上升，焦炭塔泡沫层高度增加，产生雾沫夹带，使夹杂着焦粉的油气经大油气管线至分馏塔，造成加热炉进料性质变坏。3 采用双面辐射和在线清焦技术根据 HOTTEL 数据,对于单排管一面辐射一面反射传热方式的单
17、面辐射加热炉,炉管周向最高热强度为平均热强度的 1.78 倍,而且沿管长及高度范围的热强度亦不均匀,从而会产生额外的应力和变形,还限制了炉管的平均热强度,使炉管的平均热强度较低。尽管国内大多数加热炉炉管采用 Cr5Mo 的材质,其最高热强度约为 58000w/m2,但平均热强度则只有 30000w/m2左右 （3） 。而对于单管排双面辐射传热方式,炉管周向最高热强度仅为平均热强度的 1.2 倍,因此辐射炉管的平均热强度可提高至单排管单面辐射传热方式的 1.5 倍左右,这样就可以大大减少辐射室排管面积,从而降低了炉管材料的用量,同时由于辐射室排管面积的减少,单程盘管的水力长度将随之缩短,辐射管管
18、内压降亦减少。因此,我厂新增的加热炉采用两管程双面辐射设计,采用在线清焦技术,以进一步延长加热炉的运行周期。下表为新设计的双面辐射炉(F-102)与原单面辐射炉(F-101)工艺设计参数的比较。表 3 双面辐射炉与单面辐射炉工艺设计参数比较F-101(40 万吨处理量) F-102(60 万吨处理量)单面辐射炉型 双面辐射炉型项目减渣及循环油 蒸气 软化水 减渣及循环油 蒸气 软化水炉管部位(辐射、对流) 对流 辐射 对流 对流 对流 辐射 对流 对流流量 kg/h 70000 2000 1400 97500 3000 2100入口 291 188 305 290 191 164温度 出口 5
19、00 309 500 500 287 245入口 1.98 1.2 1.98 1.7 1.2 3.6压力Mpa 出口 0.5 1.192 0.5 0.5 1.18 3.56压降 Mpa 1.48 0.008 0.004 1.2 0.02 0.04计算热负荷 MW 17.55 0.16 0.28 23.42 0.21 0.96全炉计算热负荷 MW 17.99 24.59辐射管平均热强度w/m2 27200 40478炉管材料 1Cr5Mo 20# 20# 1Cr5Mo 1Cr9Mo 15CrMo 20#炉管型式 光管 光管+钉 头管 光管 光管 光管 光管+肢片 管 光管 光管质量流速 kg/s
20、.m3 辐射：1158 辐射：1395 100 149排烟温度 168 164热效率，% 89.7 91.3(保证效率 90%)从表中可见,双面辐射炉的平均热强度达 40500w/m2,管程压降只有 1.2MPa,热效率为 91.3%,都优于单面辐射加热炉,双面辐射加热炉是今后焦化炉发展的必然趋势。新设计的加热炉有如下特点:61）辐射炉管采用双面辐射形式排列，以提高其平均热强度，降低峰值热强度，因而可降低最大油膜厚度、管壁温度、物料停留时间。使辐射炉管表面热强度趋于均匀，减少局部过热，降低最高热强度与平均热强度之比，以延缓管内结焦。2）采用“双点三级”新技术注水。根据管内介质不同的加热阶段，在
21、管路系统不同部位分别注入不同比例的水，其作用是：在“裂化反应加热阶段” ，用于降低裂化产物的分压，促使介质中的重组分进一步发生裂化反应；在“缩合反应加热阶段” ，用于提高冷油流速，以利于焦垢的脱离。3）合理布置炉管。根据渣油热转化过程及转化反应机理和渣油在辐射室三个加热阶段“二高一低”的传热要求，科学地布置炉管，不但可以减缓辐射炉管结焦速率，延长开工周期，而且可以降低焦炭产量，提高焦炭质量。4）辐射炉管采用 1Cr9Mo 材质炉管，对流室炉管采用 Cr5Mo 材质炉管，提高其抗氧化、抗腐蚀能力，延长开工周期。6）采用较新型的炉衬材料，减少散热损失。4 小结我厂 40 万吨/年焦化装置最长连续开工周期已达 18 个月，为焦化加热炉的设计和长周期运行提供了宝贵的经验。随着新工艺、新技术的发展,在焦化 100 万吨/年扩能改造中,新增加的加热炉设计，采用双面辐射、在线清焦及“双点三级”注水等新技术，减缓炉管结焦，延长加热炉的运行周期,尽量提高焦化装置的处理量。参考文献1. 李和杰等， 大型化延迟焦化装置扩能改造设计 ，洛阳石化工程公司2. 2 郑占利等， 提高焦化炉处理能力及延长开工周期技术洛阳石化工程公司3 晁可绳等， 消除焦化装置扩能“瓶颈”实现长周期满负荷运行 ，北京设计院
