劉 雁，袁楓彥

（北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176）

煤直接液化裝置的原料為煤粉、循環(huán)溶劑和氫氣，輔助原料為催化劑和助催化劑，產品為液化輕油、液化重油和殘渣。整個工藝采用減壓蒸餾的方式脫除瀝青及固體物，這種方法也是脫除瀝青和固體物成熟有效的方法。減壓爐是減壓蒸餾單元的核心設備，減壓爐加熱的介質為汽液固三相，介質中含有固體顆粒。為減緩沖蝕，一般采用大半徑彎管，其中螺旋跑道型爐管為常用型式[1]。由于介質在減壓爐加熱過程中不斷汽化，隨著汽化率的增高及溫度的升高，爐管內結焦傾向越來越明顯，在出口處結焦加速。減渣等重質物料在加熱及汽化過程中結焦物的生成會造成反應器壓差波動，嚴重的還會造成反應器結焦堵塞，影響整體工藝運行，因此針對螺旋跑道型爐管沸騰傳熱的研究和結焦的判定至關重要。

1 結焦機理

結焦現(xiàn)象的產生是由于爐管內部的原料在溫度超過允許溫度值后發(fā)生裂解，產生游離碳因子，吸附到爐管上。當爐管內開始結焦，將導致爐管的溫度也隨之上升，進一步加劇了爐管壁面的氧化及腐蝕作用，爐管壁面因而減薄。減薄的爐管壁面在壓力以及熱量的作用下發(fā)生變形，長此以往，導致爐管破裂。

由于爐管內復雜的多相條件，往往會在爐管內表面產生結焦層，導致熱阻增加，此時油品中氣、液、固相物質會繼續(xù)滲透到結焦層里面的間隙之中，因此爐管內壁面將會產生越來越厚的結焦層，從而使管壁的溫度升高至超出本身所能承受的范圍。理論與實踐證明，導致加熱爐管結焦的因素主要有[2]：

（1）加熱爐爐管內較高的流體溫度。

（2）爐管內壁面容易產生結焦現(xiàn)象，爐管壁面的溫度影響著爐管內壁面的結焦速度，即爐膛的輻射強度。

（3）爐管內較慢的流體流速，使流體長時間停留在爐管之中，從而導致溫度上升至較高溫度，加速了結焦現(xiàn)象。

（4）加熱爐爐管內流體的流型及流態(tài)。

2 抑制結焦的方法

抑制結焦的方法多種多樣，目前來說主要有優(yōu)化原料、提升爐管內表面處理技術、提升爐管新材料技術、增加結焦抑制劑及提升強化傳熱技術等。其中強化傳熱技術作為主要的方法與手段被采取以增加爐管傳熱效率以及降低結焦。在實際生產中，對于爐管內部膜溫的控制可以有效防止結焦，被廣泛采用。該方法是通過計算使膜溫不超過油品結焦溫度從而防止爐管內物質裂解結焦。計算膜溫與流體介質的平均溫度、爐管外表面的最高熱強度和內膜傳熱系數有關，如下式所示[3]：

式中：ti—內膜溫度，℃

t—介質溫度，℃

Δt—內膜溫差，℃

qmax—最高熱流密度，kW/（m2·K）

hi—內膜傳熱系數，kW/（m2·K）

D0—管外徑，m

Di—管內徑，m

流體介質溫度和內膜溫差的增大將會導致內膜溫度的增大。內膜溫差與外部熱強度成正相關關系，與內膜傳熱系數成負相關關系。同時，管內物料溫度高，內膜溫度也就高，流體介質經過加熱之后出口溫度高。因此在生產中大多控制管道出口處的膜溫不超標，就能有效地控制結焦。由于爐管在輻射室中受到的傳熱是不均勻的，有局部過熱現(xiàn)象的發(fā)生，因此在控制熱流強度的時候，往往選取最大熱流強度進行計算，得到一個計算膜溫的保守值，確保運行值低于計算膜溫。

內膜傳熱系數主要取決于管內流速、流型、流態(tài)及是否含固等，與管徑也有一定關系，小管徑換熱優(yōu)于大管徑；最高熱流密度也就是最高熱強度主要取決于爐管布置形式（單面或雙面）、高度、燃燒器數量、火焰形式及布置形式等。一般工程計算，最高熱強度計算是以平均熱強度為基準，用周向、縱向等不均勻系數進行修正而得到，這個值帶有一定的經驗性。如果想要得到管排各個位置的最高熱強度的準確數值，需要進行Fluent建模計算。建模計算時需把燃燒器燃燒計算和管排的傳熱計算一同進行，從而得出管排各處的熱強度。

3 沸騰傳熱研究與結焦位置判定

對于加熱爐中水平管中流型與流態(tài)的預測一般采用Baker流型[4-5]。水平管中流型的定義為泡狀流、塞狀流、液節(jié)流、層狀流、波狀流、環(huán)狀流及噴霧流。泡狀流為液相連續(xù)，氣相彌散；噴霧流氣相連續(xù)，液相彌散；塞狀流及液節(jié)流為液相連續(xù)，氣相間斷；層狀流、波狀流、環(huán)狀流汽液兩相均為連續(xù)相。這些經典理論主要用于加熱爐爐管的工藝設計，要想準確預測汽相及液相在爐管中的狀態(tài)還需要構件模型進行模擬計算。

構建結焦模型，并與流場模擬軟件Fluent建立接口；建立跑道型橫管結構模型，將爐膛+爐管共軛傳熱研究結果作為爐管壁面溫度分布的邊界條件，采用Mixture多相流型模擬計算爐管結構內部氣、液、固流型，分析并預測爐管結焦位置。

對于跑道型爐管，在加熱過程中爐管內氣液兩相含量不斷地發(fā)生變化，在爐管入口前兩排，氣體較多地聚集在爐管底部，隨著管內油氣流動，氣相溫度不斷上升，由于其密度較小，氣相不斷上升，爐管中部及中上部含量增多，出口段汽化率達到最大值。

對于跑道型爐管，在爐管加熱過程中由于受熱及汽化的原因，整體流速不斷升高。流體在流經彎道時，速度增大，由于流道形狀的變化，在彎道流出段速度最大；彎管的內側區(qū)域速度較??；直管段的速度均勻。以第一圈螺旋跑道型爐管為例，彎管中心處外側流速為2.3 m/s，內側流速為2.13 m/s；彎管流出段外側速度為2.43 m/s，內側速度為1.89 m/s；直管段速度比較均勻，為2.13 m/s。流速是影響管內對流換熱的重要參數，所以彎管內側的對流換熱系數低于外側，尤其是出口段。

圖1的模擬結果表明：由于隨著加熱過程的進行汽化率增加，氣體集中在管段上部，氣體增多導致傳熱弱化；又由于介質溫度不斷上升，所以隨著介質溫度升高汽化率增加，并聚集于爐管上部，介質的結焦也變得更加明顯?，F(xiàn)場運行的情況也證明了：第一，爐管頂部焦層厚度遠遠大于底部[6]；第二，切開若干根爐管，接近出口的管段焦層較厚。結焦模擬位置與結焦趨勢的結果都與現(xiàn)場檢修時觀察到的現(xiàn)象基本符合。

圖1 跑道型爐管溫度分布示意圖

減壓爐中被加熱介質為汽液固三相介質，介質中所含的固體顆粒對沸騰傳熱具有一定的強化作用，三相流的管內對流換熱系數相比于兩相流有所提高。顆粒的固含量、密度、粒徑及物性參數是顆粒影響管內對流換熱的主要因素。模擬結果如圖2及圖3所示。

圖2 不同顆粒濃度對換熱效率的影響關系圖

圖3 不同顆粒直徑對換熱效率的影響關系圖

對于不同顆粒濃度，分析其換熱效率變化規(guī)律，隨著固體顆粒的加入，將增加壁面的沸騰核心，強化對流傳熱；其中固含率較小時，顆粒較易流化，顆粒與壁面的接觸頻率為影響傳熱的主導因素，傳熱系數基本隨著固含率的增加而增大；固含率增大到一定程度時，顆粒流化的阻力增加，顆粒與壁面作用程度減小，傳熱系數有所降低。

對于不同顆粒直徑，隨著固體顆粒的加入，將增加壁面的沸騰核心，強化對流傳熱；顆粒與壁面的接觸頻率為影響傳熱的主導因素，傳熱系數基本隨著顆粒粒徑的增加而增大。

整體上來看加入固體顆粒提升了換熱效率，且在不同顆粒直徑下，隨著顆粒直徑的增大，其換熱效率逐漸增大，隨著固體濃度的逐漸增加其換熱效率先增加后減小。若不考慮固體顆粒對管道的磨損，流體中加入少量的固體顆粒反而可以加強換熱，有利于減緩結焦趨勢。

4 結論

管內沸騰傳熱狀態(tài)是影響結焦的重要因素，汽化率不斷升高，傳熱惡化是造成結焦的關鍵因素。如果流速設計不合理，會造成不良流型，如汽液分層的波狀流，使得爐管上部結焦加快。汽液固三相介質中的固體顆粒會強化傳熱，提高管內的換熱系數，但是提高程度有限，從現(xiàn)場運行結果即反應了這一點[7]。所以選取合理的管徑及受熱面，尤其是出口管段，使管內流速及沸騰傳熱流型處于最優(yōu)狀態(tài)是減緩結焦的重要手段，同時設計合理的燃燒器個數和燃燒器布置位置對于減緩結焦也是至關重要的。

在運行過程中，嚴格控制被加熱介質出口汽化率；保證各個燃燒器負荷均勻，不偏燒；監(jiān)控爐管進出口壓差變化情況，設置管壁熱電偶，及時清焦，避免由于溫度過高燒穿爐管，造成安全事故；支路設置流量計及流量調節(jié)閥，避免偏流。