蘭成均 高宏坤 肖家治

【摘要】本文以某廠100萬噸/年焦化加熱爐改造為依托，介紹專利技術(shù)的應(yīng)用及改造后運(yùn)行的效果，焦化加熱爐改造后運(yùn)行能力達(dá)到120萬噸/年，裝置焦炭產(chǎn)率比上一年度下降1%～1.6%，干氣由改造前的大于5%降到3%左右，加熱爐熱效率由90.56%提高到92.94%。

【關(guān)鍵詞】焦化加熱爐；雙面輻射；附墻燃燒；定向反射；新型加熱爐輻射管支架

近年來隨著國外焦化裝置新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備的引進(jìn)，國內(nèi)原有焦化裝置的高能耗，低熱效在新的國際國內(nèi)環(huán)境下必須進(jìn)行深度改造，以適應(yīng)新市場(chǎng)的需求。因擴(kuò)能需要對(duì)原有100萬噸/年延遲焦化裝置擴(kuò)能至120萬噸/年，經(jīng)核算，需要對(duì)焦化加熱爐進(jìn)行擴(kuò)能改造。

1.裝置改造要求及原焦化加熱爐簡介

裝置擴(kuò)能改造周期短，為節(jié)省裝置改造投資，應(yīng)盡量減少改動(dòng)量，充分利用裝置現(xiàn)有主體設(shè)備焦炭塔、壓縮機(jī)、分餾塔等相關(guān)設(shè)備的情況下，要實(shí)現(xiàn)裝置加工能力由100萬噸/年提高到120萬噸/年，必須提高加熱爐的熱負(fù)荷才能滿足工藝要求。

延遲焦化加熱爐是延遲焦化裝置的核心設(shè)備之一，100萬噸/年延遲焦化裝置采用一爐兩塔工藝，加熱爐采用四管程臥管箱式爐、雙面輻射，爐體由兩個(gè)輻射室、兩個(gè)對(duì)流室及一個(gè)煙囪組成。爐底共設(shè)置96臺(tái)低NOx氣體燃燒器，工藝介質(zhì)經(jīng)對(duì)流室進(jìn)入輻射室爐膛加熱至操作所需溫度，輻射盤管由數(shù)個(gè)爐頂?shù)跫苤?。工藝介質(zhì)爐管規(guī)格為φ114.3X8.56、飽和蒸汽爐管規(guī)格為φ127X8、過熱蒸汽爐管與脫氧水爐管規(guī)格為φ60X5，工藝介質(zhì)輻射室爐管與遮蔽管材質(zhì)采用ASTM A335 P9、其余爐管采用ASTM A335 P5，過熱蒸汽爐管與脫氧水爐管均采用15CrMo材質(zhì)。

加熱爐主體鋼結(jié)構(gòu)不變的情況下如何在輻射室空間大小幾乎不變的情況下改善加熱爐受熱條件、如何提高熱負(fù)荷、如何布置輻射加熱盤管以及如何使改造后加熱爐熱效率顯著提高成為改造的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

2.焦化裝置加熱爐擴(kuò)能改造的工程設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化輻射室爐管排布方案

要實(shí)現(xiàn)裝置擴(kuò)能，關(guān)鍵是要提高加熱爐的處理量，根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)限制和擴(kuò)能改造要求，加熱爐在輻射室每管程新增12根輻射爐管，其中規(guī)格為φ114.3X8.56爐管6根，規(guī)格為φ127X10爐管6根，且布置在輻射室末端，介質(zhì)在輻射室內(nèi)部出口段經(jīng)一次擴(kuò)管后進(jìn)焦炭塔，新增爐管材質(zhì)均采用ASTM A335 P9。

重質(zhì)油在焦化加熱爐輻射室中的熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)一般分為裂化反應(yīng)加熱階段、縮合反應(yīng)加熱階段和過熱加熱階段共三個(gè)階段。重質(zhì)油在三個(gè)加熱階段發(fā)生的轉(zhuǎn)化反應(yīng)不同，物性和流動(dòng)狀態(tài)不同，對(duì)熱量的需求量也不同，所以三個(gè)階段對(duì)爐管外煙氣傳熱有著截然不同的要求。重質(zhì)油在裂化反應(yīng)加熱階段和過熱加熱階段對(duì)傳熱的要求是大溫差、高傳熱效率；在縮合加熱階段要求小溫差、低傳熱效率，通常簡稱為“兩高一低”，滿足“兩高一低”的要求就可以減緩輻射室爐管結(jié)焦速率、延長運(yùn)轉(zhuǎn)周期，提高處理能力[1]。

根據(jù)加熱爐改造后的輻射室熱分布分析，重質(zhì)油在輻射室不同加熱階段對(duì)管外傳熱的要求，對(duì)加熱爐輻射進(jìn)料流程進(jìn)行如下優(yōu)化：介質(zhì)從對(duì)流室出來先經(jīng)輻射室爐頂水平布置輻射管后抽出，經(jīng)轉(zhuǎn)油線由輻射室底部第一根爐管再次進(jìn)入輻射室，由輻射室上部抽出進(jìn)入焦炭塔。加熱爐改附墻燃燒后，輻射室底部除傳統(tǒng)的輻射熱以外增加了輻射墻的定向反射熱，因此輻射室底部采用雙排管方案，充分利用輻射室高溫區(qū)的布管空間，同時(shí)兼顧輻射爐管管外傳熱與管內(nèi)介質(zhì)吸熱相匹配的工藝流程，減緩輻射爐管結(jié)焦速率，延長運(yùn)轉(zhuǎn)周期，為提高處理能力創(chuàng)造條件。

2.2 燃燒器改傳統(tǒng)的空間燃燒為附墻燃燒

雙面輻射焦化加熱爐爐底燃燒器的傳統(tǒng)設(shè)置是置于輻射爐管與輻射爐墻之間。經(jīng)過幾代燃燒器的技術(shù)發(fā)展，目前焦化加熱爐主要使用的是低NOX燃燒技術(shù)，低NOX燃燒器需要較大的安裝空間，因此燃燒器中心至爐管中心和爐墻的間距要求更大。

隨著附墻燃燒技術(shù)的引進(jìn)，國內(nèi)煉化裝置加熱爐擴(kuò)能改造離不開燃燒器的更新?lián)Q代。本次焦化加熱爐的擴(kuò)能為有效提高加熱爐熱負(fù)荷，全爐共96臺(tái)低NOX燃燒器全部更換為焦化專用低NOX附墻燃燒器，為使?fàn)t墻溫度分布均勻，單排燃燒器數(shù)量由原來的14臺(tái)更改為17臺(tái)，并采用主輔燃燒器相結(jié)合，進(jìn)一步消除爐墻溫度排布不均的情況。焦化專用附墻燃燒器采用小型、扁平焰、分級(jí)燃燒的低NOX燃燒器，其主要特點(diǎn)是：1）.火焰穩(wěn)定性好，剛度大，按工藝定向設(shè)置不偏離，不添爐管，形狀良好，火苗齊、扁，單排多燃燒器組合燃燒效果好；2）.燃燒器調(diào)節(jié)比高，可調(diào)性好，可按工藝需要進(jìn)行快速升降溫；3）.節(jié)能，附墻燃燒采用熱壁輻射技術(shù)，火焰按工藝要求，舔爐墻貼著爐壁上升，把爐墻加熱成均勻的熱壁載體，傳熱方式由傳統(tǒng)的熱輻射變成爐墻的定向反射熱+輻射熱，爐管受熱更均勻，避免管內(nèi)介質(zhì)局部過熱、結(jié)焦，提高爐管的使用壽命和加熱爐的熱效率；通過強(qiáng)化燃料燃燒，控制燃燒器火焰高度，有效提高輻射室傳熱量占全爐熱負(fù)荷比例，從而提高全爐爐管表平均熱強(qiáng)度和加熱爐的處理能力；[2][3]4）.減排，NOX的排量最低可達(dá)到30ppm以下。

2.3 加熱爐改造后的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.3.1 新型輻射管支吊架設(shè)計(jì)及熱膨脹設(shè)計(jì)

加熱爐原采用單排臥管雙面輻射爐型，經(jīng)擴(kuò)能改造后輻射室排管采用混排型式，輻射爐頂爐管為單排管單面輻射，采用獨(dú)立的輻射管支吊架支撐；輻射室爐底部爐管為雙排管雙面輻射，采用特制的“新型加熱爐輻射管支架”[4]支撐；輻射室其余爐管為單排管雙面輻射，采用與原結(jié)構(gòu)一致的支吊架結(jié)構(gòu)。

加熱爐輻射管架為上端支撐的靜態(tài)鑄造板式結(jié)構(gòu)，支撐點(diǎn)設(shè)置在輻射室爐頂壁外的承重梁上。該管架由上中下三部分組成，各部分采用軸鉸連接，該管架具有沿管長方向允許位移量較大，管架自重較小的優(yōu)點(diǎn)。

輻射爐管支吊架采用鑄鋼HK40+Re材質(zhì)，加熱爐改造以后輻射室內(nèi)最高平均溫度約800℃，輻射爐管支吊架處于高溫環(huán)境下干燒，材質(zhì)的線膨脹系數(shù)比較大，輻射爐管支吊架在熱態(tài)下帶動(dòng)爐管整體向下移動(dòng)，位移量超過90mm。輻射支吊架的熱膨脹對(duì)轉(zhuǎn)油線的影響相當(dāng)大，經(jīng)應(yīng)力分析核算，對(duì)轉(zhuǎn)油線進(jìn)行優(yōu)化布置的同時(shí)，也對(duì)輻射管入口支撐型式進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)，采用隨同爐管同步移動(dòng)的密封結(jié)構(gòu)，既保證密封又保證輻射管隨支吊架上下自由移動(dòng)，開工運(yùn)行至今進(jìn)口爐管無顯著變形、無串氣和泄露現(xiàn)象發(fā)生。

2.3.2 耐火爐墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原加熱爐輻射室采用纖維結(jié)構(gòu)的爐襯，側(cè)墻和中間火墻采用的是傳統(tǒng)空間燃燒器用耐火磚?？臻g燃燒器改為附墻燃燒器后，傳統(tǒng)耐火磚已不適應(yīng)新工藝要求，因此對(duì)輻射室側(cè)墻和中間火墻進(jìn)行改造。

輻射室側(cè)墻改造總高度為3m，其中爐墻高度為2.5m，附墻燃燒器火焰高度控制在2.5m以下，采用附墻燃燒以后，爐側(cè)墻看火孔全部拆除，采用澆注料+高鋁陶瓷耐火纖維+高溫輕質(zhì)莫來石耐火磚復(fù)合襯里結(jié)構(gòu)方案，并按標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置相應(yīng)的拉磚結(jié)構(gòu)，保證爐墻的穩(wěn)定性；爐墻耐火磚以上0.5m的襯里更換為纖維氈+含鋯耐火纖維模塊，有效與利舊部分的內(nèi)襯進(jìn)行銜接。采用附墻燃燒器后爐墻直接承受高溫火焰沖刷，溫度高強(qiáng)度大，為防止高溫?zé)煔馔ㄟ^爐墻膨脹縫串入爐墻內(nèi)部襯里，導(dǎo)致爐墻緊固件失效，設(shè)計(jì)時(shí)將燃燒器與側(cè)墻膨脹縫錯(cuò)開，避免火焰或高溫?zé)煔庵苯哟肱蛎浛p；同時(shí)采用特殊的膨脹縫結(jié)構(gòu)，用耐火纖維對(duì)膨脹縫進(jìn)行塞填。采用澆注料背襯纖維制品的復(fù)合襯里結(jié)構(gòu)除具有良好的隔熱性能以外，還具有較好的抗露點(diǎn)腐蝕的能力。

輻射室中間火墻采用附墻燃燒后，為強(qiáng)化底部傳熱，采用了凹凸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，中間火墻共設(shè)置為三層，底部第一層采用高溫輕質(zhì)莫來石耐火磚，頂部兩層均采用輕質(zhì)高鋁耐火磚，2m以上的高度均設(shè)置折流磚。

輻射室側(cè)墻與中間火墻的改造既要考慮所選用的耐火磚耐火性能指標(biāo)，要求耐火磚有低的導(dǎo)熱系數(shù)，較高的最高使用溫度，還要具有良好的熱穩(wěn)定性，又必須考慮加熱爐原有鋼結(jié)構(gòu)的承載能力與加強(qiáng)方案的可實(shí)施性。

2.3.3 輻射室爐管雙點(diǎn)注汽技術(shù)

加熱爐注汽的目的在于加大重質(zhì)油在爐管中的流速和改變重質(zhì)油在爐管中的流動(dòng)狀態(tài)，將層流最大限度的改變?yōu)橥牧?，湍流不易生焦，但注汽量過大會(huì)影響后續(xù)操作和最終產(chǎn)品，因此注汽點(diǎn)的設(shè)置和注汽量的控制是衡量焦化加熱爐技術(shù)水平高低的重要標(biāo)志之一。

目前國內(nèi)外普遍采用多點(diǎn)注汽技術(shù)減少注汽量及爐管壓降。本加熱爐改造后輻射室第一點(diǎn)注汽設(shè)置在輻射室爐底第一根即輻射進(jìn)料口，用于降低裂化產(chǎn)物分壓，促進(jìn)重質(zhì)油的重組分進(jìn)一步發(fā)生裂化反應(yīng)，第二點(diǎn)注汽設(shè)置在輻射爐管擴(kuò)徑的位置，用于提高重質(zhì)油在爐管內(nèi)的流速，盡可能減少高溫重質(zhì)油在爐管內(nèi)發(fā)生縮合反應(yīng)而生焦。

加熱爐正常生產(chǎn)期間在確保供熱量或出口溫度不變的情況下，可以通過控制注汽量的大小來控制介質(zhì)在管內(nèi)的總停留時(shí)間，從而優(yōu)化加熱爐出口熱轉(zhuǎn)化率、爐管平均熱強(qiáng)度等關(guān)鍵工藝參數(shù)。

2.3.4 爐管管壁熱電偶的設(shè)置

爐管壁溫測(cè)量的準(zhǔn)確性是確保加熱爐安全運(yùn)行和優(yōu)化操作的重要依據(jù)，通過爐管壁溫的變化，可以判定管內(nèi)介質(zhì)流量分布與溫度分布，依此推斷管內(nèi)介質(zhì)反應(yīng)階段，控制加熱爐爐管生焦速率。由于輻射室爐管重新排布，根據(jù)監(jiān)測(cè)需要單程共設(shè)置9個(gè)管壁熱電偶，為確保壁溫?zé)犭娕嫉陌踩y(cè)量有效、準(zhǔn)確，管壁熱電偶設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)明確如下要求：1）.管壁熱電偶測(cè)點(diǎn)定位后應(yīng)采用盡量短的熱電偶導(dǎo)線，且盡量避免導(dǎo)線跨高溫度區(qū)布置；2）.熱電偶導(dǎo)線應(yīng)盡量避免接觸高溫爐支吊架，且固定點(diǎn)不能設(shè)置在高溫爐管支吊架上；3）.熱電偶末端不宜采用刀刃頭，應(yīng)優(yōu)選刀刃片；4）.熱電偶測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在爐管向火面60°范圍內(nèi)；5）.熱電偶測(cè)點(diǎn)定位后應(yīng)設(shè)置屏蔽罩，屏蔽罩內(nèi)用陶瓷耐火纖維填實(shí)。熱電偶末端采用刀刃頭結(jié)構(gòu)雖然制造、安裝方便快捷，但是刀刃頭結(jié)構(gòu)太大，屏蔽罩大小設(shè)置不合理，影響測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確性的同時(shí)也局部影響爐管受熱，改變管內(nèi)介質(zhì)局部溫度場(chǎng)分布，易導(dǎo)致管內(nèi)局部結(jié)焦。

2.3.5 余熱回收系統(tǒng)改造

加熱爐原設(shè)有水熱煤空氣預(yù)熱器，預(yù)熱器排煙溫度180℃左右，充分利用加熱爐煙氣余熱的同時(shí)又有效防止煙氣低溫露點(diǎn)腐蝕。空氣預(yù)熱器是充分回收煙氣余熱、提高加熱爐系統(tǒng)熱效率的主要設(shè)備，隨著余熱回收技術(shù)和抗蝕材料的發(fā)展，為煙氣余熱挖潛提供條件。本次預(yù)熱器進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改造和設(shè)備材質(zhì)升級(jí)，裝置改造運(yùn)行后預(yù)熱器排煙溫度下降至100℃左右，進(jìn)一步提高煙氣余熱的利用率，有效提高加熱爐熱效率。

2.3.6 其他節(jié)能措施

加熱爐采用全密封技術(shù)，嚴(yán)格控制加熱爐散熱和“跑、冒、漏”。加熱爐輻射側(cè)墻爐壁看火孔全部拆除，輻射室端面看火孔全部更換為全密封結(jié)構(gòu)的石英玻璃看火孔，全部拆除爐底看火孔，優(yōu)化加熱爐所有工藝接管進(jìn)出口密封結(jié)構(gòu)，局部更改防爆門與爐體連接結(jié)構(gòu)，有效解決爐體密封問題。

3.加熱爐改造效果

加熱爐擴(kuò)能改造完成后裝置一次性開車成功，設(shè)備處理能力達(dá)到既定目標(biāo)，目前裝置平穩(wěn)運(yùn)行近兩年，各目標(biāo)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。加熱爐改造后，裝置焦炭產(chǎn)率比上一年度下降1%～1.6%，干氣由改造前的大于5%降到3%左右，加熱爐熱效率由90.56%提高到92.94%，達(dá)到節(jié)能降耗增產(chǎn)的目的，獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

4.結(jié)語

1）裝置擴(kuò)能改造應(yīng)實(shí)地調(diào)研設(shè)備運(yùn)行情況，挖掘設(shè)備潛能，兼顧設(shè)備操作靈活性、安全性和可靠性，盡可能利用設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料，準(zhǔn)確核算，慎重取舍，避免在用資源浪費(fèi)。

2）擴(kuò)能改造不僅僅是處理量的擴(kuò)大，更重要的是技術(shù)升級(jí)，合理利用軟件與硬件技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，解決現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)瓶頸。

3）按該技術(shù)方案改造加熱爐，可以提高舊設(shè)備的材料利用率，按設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理布置爐管、充分利用附墻燃燒技術(shù)等優(yōu)化輻射管熱強(qiáng)度，有效提高加熱爐熱效率和設(shè)備處理量，最大限度的減少改造投資。

4）按該技術(shù)方案新建加熱爐，既可以有效提高加熱爐熱效率和處理量，又能節(jié)約設(shè)備建材，減少設(shè)備投資；還可以有效利用裝置平面空間，節(jié)約裝置用地。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭戰(zhàn)利，孫志欽，霍魯光，孟慶凱.一種提高延遲焦化加熱爐能力及延長運(yùn)轉(zhuǎn)周期的技術(shù).煉油設(shè)計(jì)，1999年12月，第29卷第12期.

[2]鄭戰(zhàn)利，孫志欽，霍魯光，孟慶凱.石油化工管式爐“擴(kuò)能”技術(shù)的研究與應(yīng)用.石油化工設(shè)備技術(shù)，1999，20（6）.

[3]梁文彬.雙面輻射階梯爐在延遲焦化裝置上的應(yīng)用.石油化工設(shè)備技術(shù)，2010，31（3）

[4]新型加熱爐輻射管支架.實(shí)用新型專利 ZL 2012 2 0094960.5

作者簡介

蘭成均（1982-），男，漢族，2006年取得西南石油大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)學(xué)士學(xué)位，從事壓力容器設(shè)計(jì)，工程師，取得數(shù)項(xiàng)專利及專利技術(shù)。