加熱爐大型化講座-煉油加熱爐大型化的問題與對策

1、加熱爐大型化講座--煉油加熱爐大型化的問題與對策---1-,目 次,一、常減壓爐的大型化二、制氫轉(zhuǎn)化爐的大型化三、焦化爐的大型化四、重整爐的大型化五、加氫爐的大型化-2-,一、常減壓爐大型化,慨述常減壓裝置單套最大處理量國外1350萬噸/年（印度），國內(nèi)已建成800萬噸/年（鎮(zhèn)海、海南），正在設(shè)計(jì)1000萬噸/年（大青島）和1200萬噸/年（惠州）大型化應(yīng)特別注意降低能耗爐型及結(jié)構(gòu)多流路防止偏流的措

2、施保證長周期安全運(yùn)轉(zhuǎn)的措施,大型化應(yīng)特別注意降低能耗,隨著裝置處理量的增大，能耗每降低一個(gè)百分點(diǎn)，其節(jié)能的絕對值都是很可觀的(這一點(diǎn)對各種加熱爐都一樣，后面不再重復(fù))。降低能耗的主要途徑有：①優(yōu)化換熱流程，降低加熱爐熱負(fù)荷。從前250萬噸/年常壓爐熱負(fù)荷40~48MW，現(xiàn)在1000萬噸/年常壓爐熱負(fù)荷僅70~80MW。換熱終溫前者~220℃，后者300~310℃。②提高加熱爐熱效率。大型化的加熱爐一般設(shè)計(jì)計(jì)算熱效率都要達(dá)到90~9

3、2%。當(dāng)然，如果使用高硫劣質(zhì)燃料，要得到如此高的熱效率是很困難的。③采用變頻送、引風(fēng)機(jī)。大型化加熱爐所用的送、引風(fēng)機(jī)均很大，采用變頻技術(shù)節(jié)能也十分顯著。,爐型及結(jié)構(gòu),①常壓爐和燃料油型減壓爐宜采用立管爐，潤滑油型減壓爐或深拔減壓爐宜采用臥管爐②當(dāng)用立管爐時(shí)，過去30MW以上不宜用圓筒爐而應(yīng)采用箱式爐的限制已被突破，因?yàn)樾聵?biāo)準(zhǔn)（SH/T3036-2003）無此規(guī)定，反而規(guī)定了箱式爐的高寬比與圓筒爐的高徑比一樣，最大2.75，最小1.5

4、。這樣，兩者的占地面積、爐管用量、高合金爐管支撐件、爐襯材料等都差不多，而鋼結(jié)構(gòu)箱式爐要比圓筒爐多30%左右，見下表。據(jù)此，大型化的立管爐，熱負(fù)荷在60MW以下的也可設(shè)計(jì)成單臺(tái)對流-輻射型圓筒爐， 60MW以上的也可以設(shè)計(jì)成雙胞胎圓筒爐，即兩個(gè)圓筒形輻射室，一個(gè)或兩個(gè)對流室，而總煙道和煙囪只有一個(gè)。③臥管爐采用大彎管套小彎管結(jié)構(gòu)在一個(gè)箱式爐膛內(nèi)可排4流路，雙室箱式爐可排8流路。,多流路防止偏流的措施,①各流路水力學(xué)對稱。即各流路水力長

5、度基本相等。②分支流控。即在入口支路上設(shè)置流量變送器和控制閥，保持各流路流量均勻。這種方法只能將各路匯合后的總出口溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，而各支路出口溫度可能超過規(guī)定。為改善這種情況，推薦采用支路均衡控制。③支路均衡控制。其調(diào)節(jié)方法為：保持通過加熱爐的總流量一定，而允許支路流量有變化；各支路的出口溫度自動(dòng)與爐總出口溫度比較，通過公式計(jì)算自動(dòng)調(diào)節(jié)各支路的進(jìn)料流量，維持各支路的溫度均衡。,保證長周期安全運(yùn)轉(zhuǎn)的措施,大型化加熱爐的非正常停

6、工帶來的損失將是巨大的。因此保證其長周期安全運(yùn)轉(zhuǎn)十分必要。這主要通過設(shè)備本身及其自控安全保障系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)（這一點(diǎn)對各種加熱爐都一樣，后面不再重復(fù)）：①選好爐管及其連接件材料，以保證煉劣質(zhì)原油時(shí)能長周期安全運(yùn)轉(zhuǎn)。②設(shè)置燃燒器熄火保護(hù)系統(tǒng)—長明燈、長明燈離子棒火焰監(jiān)測器、紅外或紫外火焰監(jiān)測器。③設(shè)置送、引風(fēng)機(jī)、煙道旁通擋板和自然通風(fēng)門之間的聯(lián)鎖報(bào)警系統(tǒng)，預(yù)熱回收故障時(shí)自動(dòng)切換成自然通風(fēng)操作。④輻射室出口和對流室出口煙氣溫度突然大幅升高

7、時(shí)報(bào)警，可能是爐管燒穿或別的火災(zāi)事故，必要時(shí)緊急停爐。,二、制氫轉(zhuǎn)化爐的大型化,概述轉(zhuǎn)化爐大型化的要求爐型轉(zhuǎn)化管管系國內(nèi)全冷壁下集氣管的研發(fā)SEI全冷壁下集氣管技術(shù)特點(diǎn),概述隨著煉油加工原油劣質(zhì)化和重質(zhì)化比例的逐年增大，而油品需求結(jié)構(gòu)又向輕質(zhì)化轉(zhuǎn)變，以及環(huán)保對清潔燃料的要求日漸提高等因素的影響，加氫裝置已成為煉油廠提高產(chǎn)品品質(zhì)，增加經(jīng)濟(jì)效益必不可少的加工手段。作為提供氫源的制氫裝置及該裝置的核心設(shè)備轉(zhuǎn)化爐必將得到迅速發(fā)展。

8、工業(yè)氫氣的生產(chǎn)方法很多,煤或焦炭水煤氣法，渣油或重油部分氧化法，烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化法，煉廠富氫氣體凈化分離法，電解水法等。由于輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化法工藝成熟可靠，投資低廉，操作方便，煉油廠90%的制氫都采用此法。隨著煉油裝置的大型化，制氫轉(zhuǎn)化爐也逐漸大型化。國外已建成單臺(tái)120000Nm3/h，國內(nèi)已建成最大的60000Nm3/h 。從經(jīng)濟(jì)和目前機(jī)械設(shè)計(jì)的可能性而言，單臺(tái)轉(zhuǎn)化爐最大在140000~150000 Nm3/h為宜。-10-,轉(zhuǎn)化爐大

9、型化的要求轉(zhuǎn)化爐的大型化不能是簡單的一加一等于二，要是這樣，現(xiàn)在10000Nm3/h轉(zhuǎn)化爐用56根（無預(yù)轉(zhuǎn)化，有預(yù)轉(zhuǎn)化44根）轉(zhuǎn)化管， 120000Nm3/h轉(zhuǎn)化爐就要用672（528）根轉(zhuǎn)化管。這樣的大型化恐怕很難實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)化爐大型化的關(guān)鍵主要在于以下幾點(diǎn)：①改進(jìn)催化劑性能，提高空速，提高轉(zhuǎn)化管傳熱強(qiáng)度和轉(zhuǎn)化氣出口溫度，從而提高轉(zhuǎn)化率，減少轉(zhuǎn)化管數(shù)量。目前，在有預(yù)轉(zhuǎn)化的情況下，每10000Nm3/h國外約用32根轉(zhuǎn)化管，而國內(nèi)用4

10、4根。 120000Nm3/h國外約用384根轉(zhuǎn)化管，而國內(nèi)要用528根。轉(zhuǎn)化管表面?zhèn)鳠釓?qiáng)度國外已達(dá)85~91kW/M2，而國內(nèi)僅45~50W/M2 。轉(zhuǎn)化氣出口溫度國內(nèi)最高860℃，國外最高915℃。②采用更高級的轉(zhuǎn)化管材料，以適應(yīng)高熱強(qiáng)度帶來的高溫?，F(xiàn)在一般用HP40Nb，高溫時(shí)可用HP50NbTi。③ 改進(jìn)轉(zhuǎn)化管系結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)大型化轉(zhuǎn)化管數(shù)量的增加。這一點(diǎn)將在后面詳述。,④改善傳熱均勻性。大型化和苛刻的操作條件下，任何傳熱的不

11、均勻性都可能降低轉(zhuǎn)化率、縮短運(yùn)轉(zhuǎn)周期，甚至造成轉(zhuǎn)化管早期損壞。因此需要改進(jìn)燃燒器布置和收集煙氣的煙道設(shè)計(jì)，并用CFX軟件模擬爐內(nèi)溫度場和流動(dòng)場，以得到最均勻的傳熱效果。⑤防止偏流。每根轉(zhuǎn)化管就是一個(gè)流路，大型化后轉(zhuǎn)化管數(shù)量的增加更要求各流路流量均勻。為防止偏流，除各流路嚴(yán)格對稱外，由于轉(zhuǎn)化管內(nèi)要裝填催化劑，還要求在轉(zhuǎn)化爐投運(yùn)前應(yīng)進(jìn)行各流路壓降檢測。每根轉(zhuǎn)化管的壓降一般在0.2~0.3MPa，一般要求各路壓降之差不大于5%，才能保證各路

12、流量偏差不超過2.5%。⑥高度自動(dòng)化。在歐美，制氫裝置的自動(dòng)化程度已達(dá)到無人值夜班。,爐型輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化爐的每一根爐管就是一個(gè)直接火焰加熱的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，其爐管一般也稱為轉(zhuǎn)化管，管內(nèi)裝填有催化劑，工藝介質(zhì)（烴和水蒸汽）在管內(nèi)一邊吸熱，一邊進(jìn)行著復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。制氫爐操作條件是煉油廠加熱爐中最苛刻的，轉(zhuǎn)化管系統(tǒng)使用的都是高鉻鎳合金材料，因此應(yīng)選用單排管雙面輻射爐型。 轉(zhuǎn)化爐常用的爐型有頂燒爐（以I.C.I和 Kellogg為代表）、側(cè)

13、燒爐（Topsφe）和梯臺(tái)爐（ Foster Wheeler ）三種。大型化的制氫爐大都選用頂燒爐（約占75%）。-13-,轉(zhuǎn)化管管系制氫爐轉(zhuǎn)化管管系一般采用單管型，包括轉(zhuǎn)化管、上下尾管和上下集氣管，見圖。大型制氫爐的上、下集氣管一般還分為總集氣管和支集氣管。①轉(zhuǎn)化管轉(zhuǎn)化管在爐膛內(nèi)的為加熱段，爐膛之外的為伸出段。管內(nèi)設(shè)置有支持催化劑的傘形托架，兩端設(shè)置有法蘭和法蘭蓋，以便裝卸催化劑，見圖。每根轉(zhuǎn)化管都是獨(dú)立的，其管心

14、距不受彎頭結(jié)構(gòu)尺寸的限制。管心距增加，管子表面利用率增加，但到管心距為管徑的二倍之后其利用率增加也不明顯，見圖。因此，制氫爐的管心距是根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在二至三倍管徑之間選取。轉(zhuǎn)化管有冷底和熱底兩種結(jié)構(gòu)。冷底結(jié)構(gòu)有上支撐、下支撐和上下支撐三種型式?，F(xiàn)在常用的是下支撐上牽引結(jié)構(gòu)。熱底結(jié)構(gòu)一般為下支撐。 -14-,②尾管尾管一般采用Ф32×3.5或Ф25×2.5的細(xì)管制成柔性結(jié)構(gòu)。其作用除傳送工藝介質(zhì)外，主要是補(bǔ)償高

15、溫下轉(zhuǎn)化管和上、下集氣管的熱膨脹，盡可能地減少熱變形應(yīng)力。為了改善尾管與接頭焊口處的受力狀態(tài)，通常采用恒力彈簧將尾管懸吊起來。③上集氣管由于工藝介質(zhì)進(jìn)口溫度較低，上集氣管直徑一般較小，材質(zhì)也較低。為了解決熱膨脹引起的總集氣管和支集氣管三維位移問題，總集氣管和支集氣管宜采用恒力彈簧懸吊，并對支集氣管采取適當(dāng)?shù)南尬淮胧?15-,④下集氣管和下尾管4.1全熱壁結(jié)構(gòu) ●直連式(Kellogg) ●長尾管式 ●短尾管+推

16、動(dòng)桿式(Foster Wheeler) 4.2冷-熱壁混合結(jié)構(gòu)分集氣管為熱壁，總集氣管為冷壁。幾乎都用長尾管式。4.3全冷壁結(jié)構(gòu)●直連式（德國UHDE）●短尾管式（法國TECHNIP）全冷壁下集氣管，特別是直連式全冷壁下集氣管，爐底危險(xiǎn)點(diǎn)幾乎等于零，爐底干凈整齊，便于目力檢查，特別適用于大型化后轉(zhuǎn)化管數(shù)量多的情況。因此，為適應(yīng)大型化和苛刻的操作條件，國外一些從事制氫和合成氨的大工程公司，如Lurgi,Topsoe, Foste

17、r Wheeler等已先后采用全冷壁下集氣管。-19-,國內(nèi)全冷壁下集氣管的研發(fā)隨著國內(nèi)制氫轉(zhuǎn)化爐大型化和操作條件越來越苛刻的要求，開發(fā)和研制全冷壁下集氣管制氫轉(zhuǎn)化爐已勢在必行。SEI從2000年以來研發(fā)的全冷壁下集氣管已在高橋和滄州先后建造和投用了三臺(tái)轉(zhuǎn)化爐，經(jīng)4年多的使用，性能良好，安全可靠，填補(bǔ)了國內(nèi)在這方面的技術(shù)空白，為國內(nèi)設(shè)計(jì)和建造大型轉(zhuǎn)化爐準(zhǔn)備了條件。年初該技術(shù)已通過總公司鑒定。新開發(fā)的全冷壁下集氣管有以下特點(diǎn)：

18、-23-,SEI全冷壁下集氣管技術(shù)特點(diǎn)①直連式全冷壁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化管直接座落在冷壁下集氣管上。轉(zhuǎn)化管下部呈套管結(jié)構(gòu)，內(nèi)管直接插入冷壁下集氣管的內(nèi)襯套內(nèi)自由膨脹，并將轉(zhuǎn)化氣引入集氣管內(nèi)；內(nèi)管與外管之間，以及冷壁集氣管和內(nèi)襯套之間填塞隔熱耐火材料，以降低外壁溫度；內(nèi)襯套采用無支撐自動(dòng)定位的承插式結(jié)構(gòu)，可自動(dòng)補(bǔ)償高溫?zé)崤蛎?。見附圖②滑板式爐底密封結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化管穿過爐底處采用滑板式密封結(jié)構(gòu)，既防止漏風(fēng)，又允許轉(zhuǎn)化管適度位移，以補(bǔ)償冷壁下集氣管并不

19、太大的熱膨脹。 24,③事故封頭采用快裝式事故封頭，作為個(gè)別轉(zhuǎn)化管破裂時(shí)的應(yīng)急措施。 ④催化劑吸出系統(tǒng)采用包括水環(huán)式真空泵、催化劑沉淀罐和氣水分離器等組成的催化劑吸出系統(tǒng)。以解決檢修時(shí)催化劑卸出問題。 25,-26-,,三、焦化爐的大型化,慨述焦化塔的限制焦化爐大型化受爐管管內(nèi)結(jié)焦因素的制約焦化爐大型化受爐管直徑的限制爐型在線清焦技術(shù)-27-,慨述國外延遲焦化單套平均加工能力為136萬噸/年。我國延遲焦化單套

20、產(chǎn)能以前平均只有64萬噸/年，自2000年引進(jìn)單套能力100萬噸/年以來有了迅速發(fā)展，目前已建成的單套處理量達(dá)160萬噸/年，正在設(shè)計(jì)的單套210萬噸/年。這也許就是單套最大的處理能力了。焦化塔的限制焦化塔是延遲焦化裝置設(shè)備大型化首先需要解決的問題。隨著焦化塔直徑的增加，要求水力除焦的能力也隨之增加，而熱焦冷卻所需的時(shí)間也增加。目前國外最大的焦化塔直徑10.4m（印度），國內(nèi)正在設(shè)計(jì)最大的焦化塔直徑9.8m（惠州）。焦化爐大型化受

21、爐管管內(nèi)結(jié)焦因素的制約大型化設(shè)計(jì)時(shí)必須控制油品在管內(nèi)停留時(shí)間及爐出口熱轉(zhuǎn)化率，才能保證長周期安全運(yùn)轉(zhuǎn)。大型化焦化爐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對爐出口熱轉(zhuǎn)化率、停留時(shí)間進(jìn)行較核，并控制油溫高于427℃以后的停留時(shí)間不超過40秒 ，爐出口熱轉(zhuǎn)化率不超過20%。,焦化爐大型化受爐管直徑的限制油膜傳熱系數(shù)與爐管內(nèi)徑的0.4次方成反比。管徑越大，油膜傳熱系數(shù)越小，油膜溫度越高，熱裂解和結(jié)焦的傾向就越大。從前焦化爐管直徑一般為φ102，現(xiàn)在最大也只用到φ127。

22、再考慮到壓降和停留時(shí)間的限制，單路φ127爐管處理能力約為35萬噸/年。210萬噸/年焦化爐已6路φ127 ，且一路一個(gè)爐膛，再大恐怕就很難做了。爐型焦化爐由于結(jié)焦嚴(yán)重，因此都采用臥管爐。以前采用普通臥管立式爐，單面輻射爐型；大型化的焦化爐一般采用單排臥管雙面輻射爐型。這可以使輻射爐管總長度縮短約34%，停留時(shí)間也縮短約34%。-29-,在線清焦技術(shù)大型化的焦化爐需要長周期安全運(yùn)轉(zhuǎn)，為此必須采用在線清焦技術(shù)。在線清焦技術(shù)有兩種

23、原理：一是水煤氣反應(yīng)，二是急冷急熱。前者用于清除軟焦，在高溫下通入水蒸汽，使之與焦炭反應(yīng)生成水煤氣（CO+H2）排入焦化塔，完成除焦目的。后者用于清除硬焦，先切斷某路爐管進(jìn)料，將其加熱至高溫，突然熄火，靠鋼管的急劇冷縮將焦炭剝離，再用蒸汽吹入焦化塔。為了在線清焦，也為了各流路受熱均衡，每一流路應(yīng)單獨(dú)在一個(gè)爐膛內(nèi)。-30-,四、重整爐的大型化,慨述最早的重整裝置處理量僅15萬噸/年或30萬噸/年。90年代引進(jìn)的連續(xù)重整也僅60萬噸/

24、年或80萬噸/年。國外已建成220萬噸/年（印度），國內(nèi)正在設(shè)計(jì)的200萬噸/年（惠州）。爐型小規(guī)模的半再生重整反應(yīng)器進(jìn)料加熱爐（簡稱重整爐）大多采用幾臺(tái)并列的圓筒爐，已采用三合一的立式爐。連續(xù)重整因壓降要求極小，一般采用U型（UOP）或倒U型（IFP）全輻射爐型。為了對流室布置余熱鍋爐，一般采用四臺(tái)聯(lián)合作一個(gè)對流室結(jié)構(gòu)，即“四合一爐”。,特大型的重整爐，如正在設(shè)計(jì)的200萬噸/年重整爐，其二重整爐要排90根U型爐管，管心距240m

25、m，如排在一個(gè)爐膛長約22米，因?qū)紵鏖g水平距離11~13米的限制，得采用兩爐并聯(lián)，此時(shí)如再聯(lián)合就會(huì)成為五合一爐。由于余熱鍋爐結(jié)構(gòu)上難處理，只好拆成兩爐：一個(gè)二合一，一個(gè)三合一。防止偏流的措施集合管直徑和流向決定了爐管系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的流量是否均勻，偏流會(huì)導(dǎo)致事故，有關(guān)集合管與支管截面之間的關(guān)系以及流向，應(yīng)用CFX軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算的支管φ114.3×6.02mm，35管程?？偨孛娣e287454.76mm2,管心距為26

26、0mm,集合管長34×260=8840mm,集合管走向如下圖 中的A和B，計(jì)算結(jié)果列于下表。計(jì)算結(jié)果表明，流向A優(yōu)于B，集合管截面積等于各支管截面積之和(左右)就能保證各路均勻而不偏流。,U型管排列B流向,五、加氫爐的大型化,概述爐型防止偏流的措施爐管長和流速低時(shí)注意流型變化,概述加氫技術(shù)分加氫處理（≤10%的原料油分子變?。┖图託淞鸦ǎ?0%的原料油分子變?。﹥纱箢?，其工業(yè)應(yīng)用前者始于1950年，后者始于1959年

27、。由于原油的劣質(zhì)化、重質(zhì)化，而油品又要求優(yōu)質(zhì)化和輕質(zhì)化，以及環(huán)保呼聲日高等原因，加氫技術(shù)工業(yè)應(yīng)用雖然比其他煉油技術(shù)晚，但其發(fā)展速度和規(guī)模都很快超過了其他煉油技術(shù)。七、八十年代，加氫裝置僅幾十萬噸/年，九十年代一、二百萬噸/年，目前正在設(shè)計(jì)的加氫裂化裝置是400萬噸/年。沒有查到國外資料，也許這就是目前最大的加氫裝置了。,爐型加氫爐指的是加氫反應(yīng)器進(jìn)料加熱爐。有爐前混氫、爐后混氫、部分混氫以及爐后混油幾種形式。用得最多的是爐前混氫和爐后

28、混油兩種。隨著加氫裝置大型化，出現(xiàn)了部分混氫形式，即在爐前混入部分氫氣，另一部分氫氣在爐后混入，以解決換熱器尺寸太大、爐管流路太多以及總壓降太大等問題。爐后混氫的加氫爐就是一個(gè)油品加熱爐，不必多說。爐前混氫和部分混氫的加氫爐因是兩相流，一般采用臥管。爐后混油的加氫爐實(shí)際上是純氫氣加熱爐，一般采用立管。除爐后混氫外，加氫爐管大都要用價(jià)格昂貴的奧氏體不銹鋼，為了提高爐管的利用率，通常采用單排管雙面輻射爐型。大型化的加氫還采用多室爐，即多個(gè)

29、輻射室一個(gè)對流室的爐型。由于加氫爐管很貴，一般不排在對流室。對流室排分餾爐或重沸爐介質(zhì)，或直接將加氫爐高溫?zé)煔鈨度敕逐s爐或重沸爐對流室。,防止偏流的措施爐后混氫和爐后混油的加氫爐，由于是單向流，采用盤管水力學(xué)對稱和分支流控就能很好地防止偏流。爐前混氫和部分混氫的加氫爐，由于是兩相流，難以分支流控，將盤管及工藝配管嚴(yán)格要求水力學(xué)對稱外，還應(yīng)每一路一個(gè)爐膛，單獨(dú)溫控，以便在出現(xiàn)偏流時(shí)，使其熱力學(xué)均衡，避免超溫和裂解。爐管長和流速低時(shí)注