李勇，金宇，武國義，吳雅玉

（蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730314）

隨著石油資源越來越匱乏以及原油劣質(zhì)化、重質(zhì)化越來越嚴(yán)重，煉油廠對重油的煉化技術(shù)又有新的要求。靈活焦化工藝是基于流化焦化和流化催化裂化技術(shù)發(fā)展起來的新技術(shù)、新工藝。首先，在靈活焦化工藝中不設(shè)置加熱爐，大大減小了因爐管結(jié)焦而引起整臺裝置停工的風(fēng)險，且靈活焦化工藝作為一種連續(xù)操作工藝路線，可以將90%的石油焦密閉轉(zhuǎn)化為熱值很低的煤氣[1]。脫硫后的低熱值煤氣經(jīng)過降塵除雜后可作為清潔燃料氣被有效使用，而剩余少量含有重金屬的石油焦粉可進(jìn)一步深化加工后作為金屬回收利用，不僅解決了大量劣質(zhì)石油焦不能被充分利用造成的資源浪費問題，而且避免了在裝置內(nèi)反應(yīng)后產(chǎn)生低價值的高硫焦，焦炭儲存及運輸問題。其次，靈活焦化工藝生產(chǎn)過程全封閉，減少了裝置開工及運行期間引起的一系列粉塵及空氣污染等[2-3]。靈活氣廢熱鍋爐作為靈活焦化工藝生產(chǎn)裝置中的核心設(shè)備，將生產(chǎn)裝置尾部靈活氣重新利用，通過靈活氣余熱鍋爐產(chǎn)生中低壓蒸汽，作為供熱及動力的輔助能源，節(jié)約能源的同時能夠提高熱能的利用率，為劣質(zhì)燃料油實行清潔、環(huán)保、高效生產(chǎn)開創(chuàng)了先例[4-5]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

靈活焦化工藝是美國石油化工企業(yè)?？松梨诠镜膶＠夹g(shù)，該技術(shù)采用流化床工藝，解決了延遲焦化技術(shù)中存在的諸多難題。靈活氣廢熱鍋爐作為靈活焦化工藝生產(chǎn)裝置中的核心設(shè)備，已在國外廣泛應(yīng)用，日本、委內(nèi)瑞拉、美國和希臘等國家靈活焦化裝置已安全運行了30 年，具有工藝技術(shù)成熟可靠，運行安全系數(shù)高，對環(huán)境污染小，設(shè)備運行周期長等特點。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國煉廠尚未采用靈活焦化工藝，大部分煉廠均采用延遲焦化工藝，原油劣質(zhì)化、缺氫缺燃料、環(huán)保要求高等問題是國內(nèi)煉油企業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。靈活焦化工藝作為一項有前瞻性的技術(shù)，是對國內(nèi)煉廠有特殊適用性，在解決這幾個問題上都有自己的突出特點。靈活氣廢熱鍋爐作為靈活焦化工藝生產(chǎn)裝置中的核心設(shè)備，不僅是保證整個裝置能有效運行的前提，而且能保證700 ℃左右的高溫靈活氣被有效利用，在靈活氣蒸汽過熱器中通過換熱產(chǎn)生飽和蒸汽，為工廠節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。

2 靈活氣廢熱鍋爐工作原理及主要設(shè)計參數(shù)

靈活氣廢熱鍋爐是由靈活氣蒸汽發(fā)生器、預(yù)熱器、汽包等設(shè)備組成，是一臺自然循環(huán)的余熱回收鍋爐，既能滿足汽包預(yù)熱給水，又能滿足靈活氣蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生中低壓蒸汽的要求。靈活氣蒸汽發(fā)生器與預(yù)熱器并列布置在氣化系統(tǒng)的框架上，由管道連接在一起。高溫靈活氣從靈活氣蒸汽發(fā)生器頂部進(jìn)入，依次通過靈活氣蒸汽發(fā)生器、連接管道、預(yù)熱器，最終從預(yù)熱器頂部排出再進(jìn)入后續(xù)裝置。鍋爐給水通過給水泵進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱后經(jīng)過專門給水管道進(jìn)入汽包，在汽包內(nèi)混合后經(jīng)下降管進(jìn)入靈活氣蒸汽發(fā)生器。在靈活氣蒸汽發(fā)生器中換熱產(chǎn)生的汽水混合物通過上升管回到汽包，經(jīng)汽包內(nèi)一次分離原件、二次分離原件等分離系統(tǒng)進(jìn)行汽水分離后的水重新進(jìn)入下一輪循環(huán)，而分離出的飽和蒸汽可以通過蒸汽管網(wǎng)用來推動蒸汽輪機(jī)發(fā)電，也可用于生產(chǎn)過程的加熱或供生活取暖。靈活氣廢熱鍋爐布置如圖1 所示。

圖1 靈活氣廢熱鍋爐布置圖Fig.1 Flexible waste heat boiler layout

2.1 靈活氣蒸汽發(fā)生器

靈活氣蒸汽發(fā)生器是靈活氣廢熱鍋爐中的核心設(shè)備，采用立式火管鍋爐結(jié)構(gòu)，殼程介質(zhì)為飽和水，管程介質(zhì)為700 ℃左右的高溫靈活氣。來自氣化爐的高溫靈活氣縱向沖刷換熱管，高溫靈活氣與冷卻水通過換熱產(chǎn)生中壓蒸汽用于后部生產(chǎn)工藝，達(dá)到節(jié)約能源及環(huán)保的目的。

2.1.1 耐火襯里選用

靈活氣蒸汽發(fā)生器入口溫度高達(dá)698 ℃，為滿足管箱金屬壁溫控制在200 ℃以下的要求，在管箱內(nèi)壁設(shè)置輕質(zhì)隔熱耐火材料，達(dá)到隔熱及防磨的作用。耐火襯里與管箱之間通過錨固釘連接，保證耐火襯里與管箱內(nèi)壁緊密結(jié)合，防止高溫靈活氣直接與管箱接觸，造成管箱超溫，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足設(shè)計要求而引起的安全隱患。耐火襯里的厚度計算如圖2 所示，由圖中可以看出設(shè)置150 mm 厚輕質(zhì)隔熱耐火材料后傳遞至管箱金屬的壁溫為187.5 ℃，滿足工藝要求。

圖2 管箱溫度分布圖Fig.2 Temperature distribution of tube box

2.1.2 換熱管與管板焊接接頭處防護(hù)結(jié)構(gòu)

換熱管與管板的連接是保證設(shè)備有效運行的關(guān)鍵因素，由于靈活氣入口端換熱管與管板焊接接頭長期受高速高溫靈活氣的沖刷及侵蝕，必須采取有效的措施防止管板和換熱管焊接連接處因熱疲勞、高溫氣腐蝕和熱應(yīng)力出現(xiàn)裂紋。換熱管與管板焊接接頭熱防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計需注意以下幾點：①在靈活氣蒸汽發(fā)生器靈活氣入口側(cè)換熱管設(shè)置高合金不銹鋼保護(hù)套管；②保護(hù)套管必須插入換熱管一定的深度，且保護(hù)套管與換熱管之間的間隙用陶瓷纖維塞緊，避免保護(hù)套管在換熱管內(nèi)晃動；③在靈活氣入口側(cè)的管板面設(shè)置厚度適當(dāng)?shù)妮p質(zhì)隔熱澆注料，將管板與換熱管焊接部位完全覆蓋，避免了高溫靈活氣與管板、換熱管直接接觸；通過以上幾種方式將換熱管與管板焊接接頭與高溫靈活氣有效隔離，有效降低了傳遞至管板及換熱管的溫度，減小了熱應(yīng)力。

圖3 熱防護(hù)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Thermal protection structure

2.1.3 管板結(jié)構(gòu)

管板是靈活氣蒸汽發(fā)生器整臺設(shè)備中設(shè)計的重中之重，是保證靈活氣蒸汽發(fā)生器有效運行的關(guān)鍵部件。管板的設(shè)計受設(shè)計條件及工藝氣介質(zhì)的影響因素較大，同時因管板所在位置的不同，采用結(jié)構(gòu)形式、材料也不相同。管板根據(jù)實際情況采用分段制造或者整體鍛造，保證達(dá)到預(yù)期使用效果的同時也可節(jié)省材料，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的。

由于管板承受管程及殼程溫度、壓力及介質(zhì)重力等載荷，既要滿足在各種載荷組合作用下的強(qiáng)度要求，又要能吸收由換熱管與殼體由于溫度差引起的熱膨脹。因此管板的設(shè)計一般采用帶R 段的撓性管板結(jié)構(gòu)，利用管板翻邊處的R 段吸收熱應(yīng)力，改善管板的受力狀況，保證管板安全有效地運行。

2.2 預(yù)熱器

預(yù)熱器位于靈活氣蒸汽發(fā)生器的下游，通過管道將其與靈活氣蒸汽發(fā)生器連接在一起。其主要作用是吸收來自靈活氣蒸汽發(fā)生器低溫靈活氣的熱量，將鍋爐給水預(yù)熱為汽包工作壓力下的飽和水，為頂部汽包持續(xù)提供水源。在提高汽包給水溫度的同時，降低了管程靈活氣的溫度，既提高了效率又節(jié)約能 源。

預(yù)熱器管程入口溫度較低，熱應(yīng)力對管板的影響不大，管板的厚度取值可以按照管殼式換熱器用SW6 進(jìn)行強(qiáng)度計算。由于溫度的影響較小，預(yù)熱器材料的選擇相對較低，管殼程材料均可以選擇低合金鋼，節(jié)約成本。

為有效吸收靈活氣的熱能，預(yù)熱器的折流板設(shè)計為雙弓型，設(shè)置較小的間距增加擾流，強(qiáng)化傳熱。

2.3 汽包

汽包作為分離飽和蒸汽的核心設(shè)備，對整個靈活氣廢熱鍋爐系統(tǒng)的安全運行至關(guān)重要。汽包內(nèi)件主要由一次分離原件、二次分離原件、鍋爐給水分配器、排污分配管四大部件組成。分離原件主要是將靈活氣蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的汽水混合物分離，分離后產(chǎn)生的飽和蒸汽進(jìn)入蒸汽管網(wǎng)被用來發(fā)電或者民用，分離出來的飽和水由下降管進(jìn)入靈活氣蒸汽發(fā)生器循環(huán)重復(fù)利用，這樣一種自然循環(huán)的過程不需要外界提供動力。鍋爐給水分配器的主要作用是將鍋爐水均勻地分布在汽包的整個橫向截面，使鍋爐給水與分離原件分離出來的水均勻混合后，通過下降管循環(huán)利用。排污分配器設(shè)在汽包正常液位以下，將汽包中鹽分較大的水通過其喇叭管均勻地排出，防止水汽中鹽分較大，對設(shè)備造成腐蝕。

3 結(jié)束語

未來石油資源將越來越短缺，且隨著原油、天然氣價格的持續(xù)上漲，原油劣質(zhì)化日益加重，延遲焦化生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的高硫石油焦的處理成為一大難題，對能源的浪費以及環(huán)境的破壞非常嚴(yán)重。靈活焦化生產(chǎn)工藝能有效利用劣質(zhì)原油的優(yōu)勢將不斷凸顯出來。靈活氣廢熱鍋爐作為靈活焦化工藝中的核心設(shè)備將有很大市場空間，將不斷地向大型化發(fā)展，應(yīng)用范圍也將會越來越廣泛。通過對靈活焦化工藝中的核心設(shè)備靈活氣廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)及工作原理分析，對設(shè)備的關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行簡單的闡述，為將來研發(fā)設(shè)計此類產(chǎn)品提供借鑒。