焦化加热炉扩能技改新技术的应用

发布时间: 2022-03-30 08:06:41 浏览：次

【摘要】本文以某厂100万吨/年焦化加热炉改造为依托，介绍专利技术的应用及改造后运行的效果，焦化加热炉改造后运行能力达到120万吨/年，装置焦炭产率比上一年度下降1%～1.6%，干气由改造前的大于5%降到3%左右，加热炉热效率由90.56%提高到92.94%。

【关键词】焦化加热炉；双面辐射；附墙燃烧；定向反射；新型加热炉辐射管支架

近年来随着国外焦化装置新工艺、新技术、新设备的引进，国内原有焦化装置的高能耗，低热效在新的国际国内环境下必须进行深度改造，以适应新市场的需求。因扩能需要对原有100万吨/年延迟焦化装置扩能至120万吨/年，经核算，需要对焦化加热炉进行扩能改造。

1.装置改造要求及原焦化加热炉简介

装置扩能改造周期短，为节省装置改造投资，应尽量减少改动量，充分利用装置现有主体设备焦炭塔、压缩机、分馏塔等相关设备的情况下，要实现装置加工能力由100万吨/年提高到120万吨/年，必须提高加热炉的热负荷才能满足工艺要求。

延迟焦化加热炉是延迟焦化装置的核心设备之一，100万吨/年延迟焦化装置采用一炉两塔工艺，加热炉采用四管程卧管箱式炉、双面辐射，炉体由两个辐射室、两个对流室及一个烟囱组成。炉底共设置96台低NOx气体燃烧器，工艺介质经对流室进入辐射室炉膛加热至操作所需温度，辐射盘管由数个炉顶吊架支撑。工艺介质炉管规格为φ114.3X8.56、饱和蒸汽炉管规格为φ127X8、过热蒸汽炉管与脱氧水炉管规格为φ60X5，工艺介质辐射室炉管与遮蔽管材质采用ASTM A335 P9、其余炉管采用ASTM A335 P5，过热蒸汽炉管与脱氧水炉管均采用15CrMo材质。

加热炉主体钢结构不变的情况下如何在辐射室空间大小几乎不变的情况下改善加热炉受热条件、如何提高热负荷、如何布置辐射加热盘管以及如何使改造后加热炉热效率显著提高成为改造的关键节点。

2.焦化装置加热炉扩能改造的工程设计

2.1 优化辐射室炉管排布方案

要实现装置扩能，关键是要提高加热炉的处理量，根据设备结构限制和扩能改造要求，加热炉在辐射室每管程新增12根辐射炉管，其中规格为φ114.3X8.56炉管6根，规格为φ127X10炉管6根，且布置在辐射室末端，介质在辐射室内部出口段经一次扩管后进焦炭塔，新增炉管材质均采用ASTM A335 P9。

重质油在焦化加热炉辐射室中的热转化反应一般分为裂化反应加热阶段、缩合反应加热阶段和过热加热阶段共三个阶段。重质油在三个加热阶段发生的转化反应不同，物性和流动状态不同，对热量的需求量也不同，所以三个阶段对炉管外烟气传热有着截然不同的要求。重质油在裂化反应加热阶段和过热加热阶段对传热的要求是大温差、高传热效率；在缩合加热阶段要求小温差、低传热效率，通常简称为“两高一低”，满足“两高一低”的要求就可以减缓辐射室炉管结焦速率、延长运转周期，提高处理能力[1]。

根据加热炉改造后的辐射室热分布分析，重质油在辐射室不同加热阶段对管外传热的要求，对加热炉辐射进料流程进行如下优化：介质从对流室出来先经辐射室炉顶水平布置辐射管后抽出，经转油线由辐射室底部第一根炉管再次进入辐射室，由辐射室上部抽出进入焦炭塔。加热炉改附墙燃烧后，辐射室底部除传统的辐射热以外增加了辐射墙的定向反射热，因此辐射室底部采用双排管方案，充分利用辐射室高温区的布管空间，同时兼顾辐射炉管管外传热与管内介质吸热相匹配的工艺流程，减缓辐射炉管结焦速率，延长运转周期，为提高处理能力创造条件。

2.2 燃烧器改传统的空间燃烧为附墙燃烧

双面辐射焦化加热炉炉底燃烧器的传统设置是置于辐射炉管与辐射炉墙之间。经过几代燃烧器的技术发展，目前焦化加热炉主要使用的是低NOX燃烧技术，低NOX燃烧器需要较大的安装空间，因此燃烧器中心至炉管中心和炉墙的间距要求更大。

随着附墙燃烧技术的引进，国内炼化装置加热炉扩能改造离不开燃烧器的更新换代。本次焦化加热炉的扩能为有效提高加热炉热负荷，全炉共96台低NOX燃烧器全部更换为焦化专用低NOX附墙燃烧器，为使炉墙温度分布均匀，单排燃烧器数量由原来的14台更改为17台，并采用主辅燃烧器相结合，进一步消除炉墙温度排布不均的情况。焦化专用附墙燃烧器采用小型、扁平焰、分级燃烧的低NOX燃烧器，其主要特点是：1）.火焰稳定性好，刚度大，按工艺定向设置不偏离，不添炉管，形状良好，火苗齐、扁，单排多燃烧器组合燃烧效果好；2）.燃烧器调节比高，可调性好，可按工艺需要进行快速升降温；3）.节能，附墙燃烧采用热壁辐射技术，火焰按工艺要求，舔炉墙贴着炉壁上升，把炉墙加热成均匀的热壁载体，传热方式由传统的热辐射变成炉墙的定向反射热+辐射热，炉管受热更均匀，避免管内介质局部过热、结焦，提高炉管的使用寿命和加热炉的热效率；通过强化燃料燃烧，控制燃烧器火焰高度，有效提高辐射室传热量占全炉热负荷比例，从而提高全炉炉管表平均热强度和加热炉的处理能力；[2][3]4）.减排，NOX的排量最低可达到30ppm以下。

2.3 加热炉改造后的结构特点

2.3.1 新型辐射管支吊架设计及热膨胀设计

加热炉原采用单排卧管双面辐射炉型，经扩能改造后辐射室排管采用混排型式，辐射炉顶炉管为单排管单面辐射，采用独立的辐射管支吊架支撑；辐射室炉底部炉管为双排管双面辐射，采用特制的“新型加热炉辐射管支架”[4]支撑；辐射室其余炉管为单排管双面辐射，采用与原结构一致的支吊架结构。

加热炉辐射管架为上端支撑的静态铸造板式结构，支撑点设置在辐射室炉顶壁外的承重梁上。该管架由上中下三部分组成，各部分采用轴铰连接，该管架具有沿管长方向允许位移量较大，管架自重较小的优点。

辐射炉管支吊架采用铸钢HK40+Re材质，加热炉改造以后辐射室内最高平均温度约800℃，辐射炉管支吊架处于高温环境下干烧，材质的线膨胀系数比较大，辐射炉管支吊架在热态下带动炉管整体向下移动，位移量超过90mm。辐射支吊架的热膨胀对转油线的影响相当大，经应力分析核算，对转油线进行优化布置的同时，也对辐射管入口支撑型式进行特殊的设计，采用随同炉管同步移动的密封结构，既保证密封又保证辐射管随支吊架上下自由移动，开工运行至今进口炉管无显著变形、无串气和泄露现象发生。

2.3.2 耐火炉墙结构设计

原加热炉辐射室采用纤维结构的炉衬，侧墙和中间火墙采用的是传统空间燃烧器用耐火砖。空间燃烧器改为附墙燃烧器后，传统耐火砖已不适应新工艺要求，因此对辐射室侧墙和中间火墙进行改造。

辐射室侧墙改造总高度为3m，其中炉墙高度为2.5m，附墙燃烧器火焰高度控制在2.5m以下，采用附墙燃烧以后，炉侧墙看火孔全部拆除，采用浇注料+高铝陶瓷耐火纤维+高温轻质莫来石耐火砖复合衬里结构方案，并按标准要求设置相应的拉砖结构，保证炉墙的稳定性；炉墙耐火砖以上0.5m的衬里更换为纤维毡+含锆耐火纤维模块，有效与利旧部分的内衬进行衔接。采用附墙燃烧器后炉墙直接承受高温火焰冲刷，温度高强度大，为防止高温烟气通过炉墙膨胀缝串入炉墙内部衬里，导致炉墙紧固件失效，设计时将燃烧器与侧墙膨胀缝错开，避免火焰或高温烟气直接串入膨胀缝；同时采用特殊的膨胀缝结构，用耐火纤维对膨胀缝进行塞填。采用浇注料背衬纤维制品的复合衬里结构除具有良好的隔热性能以外，还具有较好的抗露点腐蚀的能力。

辐射室中间火墙采用附墙燃烧后，为强化底部传热，采用了凹凸结构的设计，中间火墙共设置为三层，底部第一层采用高温轻质莫来石耐火砖，顶部两层均采用轻质高铝耐火砖，2m以上的高度均设置折流砖。

辐射室侧墙与中间火墙的改造既要考虑所选用的耐火砖耐火性能指标，要求耐火砖有低的导热系数，较高的最高使用温度，还要具有良好的热稳定性，又必须考虑加热炉原有钢结构的承载能力与加强方案的可实施性。

2.3.3 辐射室炉管双点注汽技术

加热炉注汽的目的在于加大重质油在炉管中的流速和改变重质油在炉管中的流动状态，将层流最大限度的改变为湍流，湍流不易生焦，但注汽量过大会影响后续操作和最终产品，因此注汽点的设置和注汽量的控制是衡量焦化加热炉技术水平高低的重要标志之一。

目前国内外普遍采用多点注汽技术减少注汽量及炉管压降。本加热炉改造后辐射室第一点注汽设置在辐射室炉底第一根即辐射进料口，用于降低裂化产物分压，促进重质油的重组分进一步发生裂化反应，第二点注汽设置在辐射炉管扩径的位置，用于提高重质油在炉管内的流速，尽可能减少高温重质油在炉管内发生缩合反应而生焦。

加热炉正常生产期间在确保供热量或出口温度不变的情况下，可以通过控制注汽量的大小来控制介质在管内的总停留时间，从而优化加热炉出口热转化率、炉管平均热强度等关键工艺参数。

2.3.4 炉管管壁热电偶的设置

炉管壁温测量的准确性是确保加热炉安全运行和优化操作的重要依据，通过炉管壁温的变化，可以判定管内介质流量分布与温度分布，依此推断管内介质反应阶段，控制加热炉炉管生焦速率。由于辐射室炉管重新排布，根据监测需要单程共设置9个管壁热电偶，为确保壁温热电偶的安全、测量有效、准确，管壁热电偶设计时应明确如下要求：1）.管壁热电偶测点定位后应采用尽量短的热电偶导线，且尽量避免导线跨高温度区布置；2）.热电偶导线应尽量避免接触高温炉支吊架，且固定点不能设置在高温炉管支吊架上；3）.热电偶末端不宜采用刀刃头，应优选刀刃片；4）.热电偶测点应设置在炉管向火面60°范围内；5）.热电偶测点定位后应设置屏蔽罩，屏蔽罩内用陶瓷耐火纤维填实。热电偶末端采用刀刃头结构虽然制造、安装方便快捷，但是刀刃头结构太大，屏蔽罩大小设置不合理，影响测点准确性的同时也局部影响炉管受热，改变管内介质局部温度场分布，易导致管内局部结焦。

2.3.5 余热回收系统改造

加热炉原设有水热煤空气预热器，预热器排烟温度180℃左右，充分利用加热炉烟气余热的同时又有效防止烟气低温露点腐蚀。空气预热器是充分回收烟气余热、提高加热炉系统热效率的主要设备，随着余热回收技术和抗蚀材料的发展，为烟气余热挖潜提供条件。本次预热器进行局部结构改造和设备材质升级，装置改造运行后预热器排烟温度下降至100℃左右，进一步提高烟气余热的利用率，有效提高加热炉热效率。

2.3.6 其他节能措施

加热炉采用全密封技术，严格控制加热炉散热和“跑、冒、漏”。加热炉辐射侧墙炉壁看火孔全部拆除，辐射室端面看火孔全部更换为全密封结构的石英玻璃看火孔，全部拆除炉底看火孔，优化加热炉所有工艺接管进出口密封结构，局部更改防爆门与炉体连接结构，有效解决炉体密封问题。

3.加热炉改造效果

加热炉扩能改造完成后装置一次性开车成功，设备处理能力达到既定目标，目前装置平稳运行近两年，各目标参数均达到设计要求。加热炉改造后，装置焦炭产率比上一年度下降1%～1.6%，干气由改造前的大于5%降到3%左右，加热炉热效率由90.56%提高到92.94%，达到节能降耗增产的目的，获得明显的经济效益。

4.结语

1）装置扩能改造应实地调研设备运行情况，挖掘设备潜能，兼顾设备操作灵活性、安全性和可靠性，尽可能利用设备结构和材料，准确核算，慎重取舍，避免在用资源浪费。

2）扩能改造不仅仅是处理量的扩大，更重要的是技术升级，合理利用软件与硬件技术进行优化分析，解决现有设备技术瓶颈。

3）按该技术方案改造加热炉，可以提高旧设备的材料利用率，按设备结构特点，合理布置炉管、充分利用附墙燃烧技术等优化辐射管热强度，有效提高加热炉热效率和设备处理量，最大限度的减少改造投资。

4）按该技术方案新建加热炉，既可以有效提高加热炉热效率和处理量，又能节约设备建材，减少设备投资；还可以有效利用装置平面空间，节约装置用地。

参考文献

[1]郑战利，孙志钦，霍鲁光，孟庆凯.一种提高延迟焦化加热炉能力及延长运转周期的技术.炼油设计，1999年12月，第29卷第12期.

[2]郑战利，孙志钦，霍鲁光，孟庆凯.石油化工管式炉“扩能”技术的研究与应用.石油化工设备技术，1999，20（6）.