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），國內已建成800萬噸/年（鎮(zhèn)海、海南），正在設計1000萬噸/年（大青島）和1200萬噸/年（惠州）大型化應特別注意降低能耗爐型及結構多流路防止偏流的措

2、施保證長周期安全運轉的措施,大型化應特別注意降低能耗,隨著裝置處理量的增大，能耗每降低一個百分點，其節(jié)能的絕對值都是很可觀的(這一點對各種加熱爐都一樣，后面不再重復)。降低能耗的主要途徑有：①優(yōu)化換熱流程，降低加熱爐熱負荷。從前250萬噸/年常壓爐熱負荷40~48MW，現(xiàn)在1000萬噸/年常壓爐熱負荷僅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計計算熱效率都要達到90~9

3、2%。當然，如果使用高硫劣質燃料，要得到如此高的熱效率是很困難的。③采用變頻送、引風機。大型化加熱爐所用的送、引風機均很大，采用變頻技術節(jié)能也十分顯著。,爐型及結構,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當用立管爐時，過去30MW以上不宜用圓筒爐而應采用箱式爐的限制已被突破，因為新標準（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，而鋼結構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，熱負荷在60MW以下的也可設計成單臺對流-輻射型圓筒爐， 60MW以上的也可以設計成雙胞胎圓筒爐，即兩個圓筒形輻射室，一個或兩個對流室，而總煙道和煙囪只有一個。③臥管爐采用大彎管套小彎管結構在一個箱式爐膛內可排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，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與爐總出口溫度比較，通過公式計算自動調節(jié)各支路的進料流量，維持各支路的溫度均衡。,保證長周期安全運轉的措施,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轉十分必要。這主要通過設備本身及其自控安全保障系統(tǒng)來實現(xiàn)（這一點對各種加熱爐都一樣，后面不再重復）：①選好爐管及其連接件材料，以保證煉劣質原油時能長周期安全運轉。②設置燃燒器熄火保護系統(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設置送、引風機、煙道旁通擋板和自然通風門之間的聯(lián)鎖報警系統(tǒng)，預熱回收故障時自動切換成自然通風操作。④輻射室出口和對流室出口煙氣溫度突然大幅升高

7、時報警，可能是爐管燒穿或別的火災事故，必要時緊急停爐。,二、制氫轉化爐的大型化,概述轉化爐大型化的要求爐型轉化管管系國內全冷壁下集氣管的研發(fā)SEI全冷壁下集氣管技術特點,概述隨著煉油加工原油劣質化和重質化比例的逐年增大，而油品需求結構又向輕質化轉變，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品品質，增加經濟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備轉化爐必將得到迅速發(fā)展。

8、工業(yè)氫氣的生產方法很多,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，制氫轉化爐也逐漸大型化。國外已建成單臺120000Nm3/h，國內已建成最大的60000Nm3/h 。從經濟和目前機械設計的可能性而言，單臺轉化爐最大在140000~150000 Nm3/h為宜。-10-,轉化爐大

9、型化的要求轉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轉化爐用56根（無預轉化，有預轉化44根）轉化管， 120000Nm3/h轉化爐就要用672（528）根轉化管。這樣的大型化恐怕很難實現(xiàn)。轉化爐大型化的關鍵主要在于以下幾點：①改進催化劑性能，提高空速，提高轉化管傳熱強度和轉化氣出口溫度，從而提高轉化率，減少轉化管數(shù)量。目前，在有預轉化的情況下，每10000Nm3/h國外約用32根轉化管，而國內用4

10、4根。 120000Nm3/h國外約用384根轉化管，而國內要用528根。轉化管表面?zhèn)鳠釓姸葒庖堰_85~91kW/M2，而國內僅45~50W/M2 。轉化氣出口溫度國內最高860℃，國外最高915℃。②采用更高級的轉化管材料，以適應高熱強度帶來的高溫?，F(xiàn)在一般用HP40Nb，高溫時可用HP50NbTi。③ 改進轉化管系結構，以適應大型化轉化管數(shù)量的增加。這一點將在后面詳述。,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化率、縮短運轉周期，甚至造成轉化管早期損壞。因此需要改進燃燒器布置和收集煙氣的煙道設計，并用CFX軟件模擬爐內溫度場和流動場，以得到最均勻的傳熱效果。⑤防止偏流。每根轉化管就是一個流路，大型化后轉化管數(shù)量的增加更要求各流路流量均勻。為防止偏流，除各流路嚴格對稱外，由于轉化管內要裝填催化劑，還要求在轉化爐投運前應進行各流路壓降檢測。每根轉化管的壓降一般在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高度自動化。在歐美，制氫裝置的自動化程度已達到無人值夜班。,爐型輕烴蒸汽轉化爐的每一根爐管就是一個直接火焰加熱的轉化反應器，其爐管一般也稱為轉化管，管內裝填有催化劑，工藝介質（烴和水蒸汽）在管內一邊吸熱，一邊進行著復雜的化學反應。制氫爐操作條件是煉油廠加熱爐中最苛刻的，轉化管系統(tǒng)使用的都是高鉻鎳合金材料，因此應選用單排管雙面輻射爐型。 轉化爐常用的爐型有頂燒爐（以I.C.I和 Kellogg為代表）、側

13、燒爐（Topsφe）和梯臺爐（ Foster Wheeler ）三種。大型化的制氫爐大都選用頂燒爐（約占75%）。-13-,轉化管管系制氫爐轉化管管系一般采用單管型，包括轉化管、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轉化管轉化管在爐膛內的為加熱段，爐膛之外的為伸出段。管內設置有支持催化劑的傘形托架，兩端設置有法蘭和法蘭蓋，以便裝卸催化劑，見圖。每根轉化管都是獨立的，其管心

14、距不受彎頭結構尺寸的限制。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)結構設計在二至三倍管徑之間選取。轉化管有冷底和熱底兩種結構。冷底結構有上支撐、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構。熱底結構一般為下支撐。 -14-,②尾管尾管一般采用Ф32×3.5或Ф25×2.5的細管制成柔性結構。其作用除傳送工藝介質外，主要是補償高

15、溫下轉化管和上、下集氣管的熱膨脹，盡可能地減少熱變形應力。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進口溫度較低，上集氣管直徑一般較小，材質也較低。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?shù)南尬淮胧?15-,④下集氣管和下尾管4.1全熱壁結構 ●直連式(Kellogg) ●長尾管式 ●短尾管+推

16、動桿式(Foster Wheeler) 4.2冷-熱壁混合結構分集氣管為熱壁，總集氣管為冷壁。幾乎都用長尾管式。4.3全冷壁結構●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，爐底危險點幾乎等于零，爐底干凈整齊，便于目力檢查，特別適用于大型化后轉化管數(shù)量多的情況。因此，為適應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-,國內全冷壁下集氣管的研發(fā)隨著國內制氫轉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轉化爐，經4年多的使用，性能良好，安全可靠，填補了國內在這方面的技術空白，為國內設計和建造大型轉化爐準備了條件。年初該技術已通過總公司鑒定。新開發(fā)的全冷壁下集氣管有以下特點：

18、-23-,SEI全冷壁下集氣管技術特點①直連式全冷壁結構轉化管直接座落在冷壁下集氣管上。轉化管下部呈套管結構，內管直接插入冷壁下集氣管的內襯套內自由膨脹，并將轉化氣引入集氣管內；內管與外管之間，以及冷壁集氣管和內襯套之間填塞隔熱耐火材料，以降低外壁溫度；內襯套采用無支撐自動定位的承插式結構，可自動補償高溫熱膨脹。見附圖②滑板式爐底密封結構轉化管穿過爐底處采用滑板式密封結構，既防止漏風，又允許轉化管適度位移，以補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，作為個別轉化管破裂時的應急措施。 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結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-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、產能以前平均只有64萬噸/年，自2000年引進單套能力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160萬噸/年，正在設計的單套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間也增加。目前國外最大的焦化塔直徑10.4m（印度），國內正在設計最大的焦化塔直徑9.8m（惠州）。焦化爐大型化受

21、爐管管內結焦因素的制約大型化設計時必須控制油品在管內停留時間及爐出口熱轉化率，才能保證長周期安全運轉。大型化焦化爐設計時應對爐出口熱轉化率、停留時間進行較核，并控制油溫高于427℃以后的停留時間不超過40秒 ，爐出口熱轉化率不超過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 ，且一路一個爐膛，再大恐怕就很難做了。爐型焦化爐由于結焦嚴重，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%，停留時間也縮短約34%。-29-,在線清焦技術大型化的焦化爐需要長周期安全運轉，為此必須采用在線清焦技術。在線清焦技術有兩種

23、原理：一是水煤氣反應，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，每一流路應單獨在一個爐膛內。-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），國內正在設計的200萬噸/年（惠州）。爐型小規(guī)模的半再生重整反應器進料加熱爐（簡稱重整爐）大多采用幾臺并列的圓筒爐，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，一般采用四臺聯(lián)合作一個對流室結構，即“四合一爐”。,特大型的重整爐，如正在設計的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，如排在一個爐膛長約22米，因對燒燃燒器間水平距離11~13米的限制，得采用兩爐并聯(lián)，此時如再聯(lián)合就會成為五合一爐。由于余熱鍋爐結構上難處理，只好拆成兩爐：一個二合一，一個三合一。防止偏流的措施集合管直徑和流向決定了爐管系統(tǒng)內介質的流量是否均勻，偏流會導致事故，有關集合管與支管截面之間的關系以及流向，應用CFX軟件進行模擬計算，計算的支管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，計算結果列于下表。計算結果表明，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注意流型變化,概述加氫技術分加氫處理（≤10%的原料油分子變小）和加氫裂化（＞10%的原料油分子變?。﹥纱箢?，其工業(yè)應用前者始于1950年，后者始于1959年

27、。由于原油的劣質化、重質化，而油品又要求優(yōu)質化和輕質化，以及環(huán)保呼聲日高等原因，加氫技術工業(yè)應用雖然比其他煉油技術晚，但其發(fā)展速度和規(guī)模都很快超過了其他煉油技術。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，目前正在設計的加氫裂化裝置是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器進料加熱爐。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

29、輻射室一個對流室的爐型。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，或直接將加氫爐高溫煙氣兌入分餾爐或重沸爐對流室。,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格要求水力學對稱外，還應每一路一個爐膛，單獨溫控，以便在出現(xiàn)偏流時，使其熱力學均衡，避免超溫和裂解。爐管長和流速低時注