1,福建采用强化传热技术改造延迟焦化装置加热炉.doc

采用强化传热技术改造延迟焦化装置加热炉摘要：福建炼油化工有限公司延迟焦化装置加热炉通过采用强化传热技术对燃烧器进行改造，取得了明显的效果：加热炉炉膛挡墙温度和辐射炉管管壁温度明显下降，分别由改造前的856、750下降到改造后的815、660，燃料气单耗由改造前的22.594kg/t下降到改造后的21.434kg/t，可降低装置能耗1.103kg标油/吨原料。采用强化传热技术对燃烧器进行改造不仅可降低了辐射炉管管壁温度，保证了加热炉的长周期安全运行,更重要的是可使燃料气单耗大大降低，达到节能的经济效益。关键词：焦化 加热炉 强化传热 改造 节能1 前言加热炉是延迟焦化装置的关键设备，它的作用是为整个装置提供热量，将原料加热，使其有足够的热量在焦炭塔里进行反应。加热炉运行状况的好坏直接影响到焦化装置的长周期运行和处理量的提高。由于延迟焦化加热炉特殊的工艺条件，它的设计需要满足较为苛刻条件：热传递速度快；高流速或短停留时间；压降小；炉膛的热分配合理，表面热强度均匀。 2 焦化加热炉存在的问题福建炼油化工有限公司延迟焦化装置由原中石化北京设计院（现SEI）设计，最初设计能力为0.40 Mt/a，一炉两塔，加热炉为卧管立式单面辐射加热炉（见焦化加热炉示意图）。辐射炉管水平设置在辐射室的两侧，炉底中央均匀布置着两排共26台B油气联合燃烧器。1997年4月公司实施4.00 Mt/a改扩建工程,经中石化北京设计院核算设计，在不更换主体设计的条件下，主要对加热炉进行改造，通过改热进料，降低循环比，重新调整辐射、对流、注水各段热负荷等手段，将加热炉两排对流管改为辐射管、采用热管式空气预热器、热进料等方式使加热炉热负荷增加了50，加热炉设计总有效热负荷提高到1640万大卡/时，辐射管平均热强度29470大卡/平方米，装置的设计加工能力提高至60 Mt/a。加热炉炉基本参数见表1。表1 焦化加热炉设计数据表炉型数据炉型：单室卧式管立式炉辐射室尺寸（mm） 15000*4600*9200烟囱数量及尺寸（mm） 1个 1800（内径）燃烧器数量：油气联合燃烧器26台吹灰器数量：DG-32台工艺设计数据加热炉总负荷（MW） 19.092加热段名称辐射室对流室介质名称焦化油焦化油减压渣油过热蒸汽注水分段热负荷MW12.2332.333.320.241.06平均管壁热强度W/m2294702417515049105952398介质流量kg/h91500915007500070681500入口/出口温度398/500370/398280/336191/244135/413入口/出口压力Mpa（abs）2.0/0.62.1/2.01.1/0.81.3/1.32.7/2.6入口/出口汽化率wt0/400/100盘管设计数据炉管规格mm127*10127*10152*1089*889*8管程数22132炉管类型/材质光/Cr9Mo光/Cr9Mo钉/Cr5Mo钉/20钉/20光/20炉管根数/炉管排数7216/432/86/136/6，64/10钉头/翅片高度mm252525钉头/翅片间距mm161616钉头直径/翅片厚度mm121212每圈钉头个数1488钉头/翅片材质mmQ235-BFQ235-BFQ235-BF加热面积m2415.1092.24220.8124.24408.17燃烧设计数据燃料类型：燃料气环境温度，：20燃料低热值，kJ/kg：39444热空气温度，：160过剩空气系数，：1.2烟气出对流室温度，：300燃料用量，kg/hr：1923烟气出辐射室温度，：848空气用量，kg/hr：29333设计效率，：90烟气流量，kg/hr：31309烟囱排放高度，m：46余 热 回 收空气预热器型式热管空气预热器负荷，MW1.15空气用量，kg/hr29333烟气流量，kg/hr31309环境温度，20烟气出对流室温度，300热空气温度，160烟气出预热器温度，172空气侧风机型号Y4-73-No12D烟气侧风机型号Y4-73-No12D配用电机型号YA225M-6(30KW)配用电机型号YA225M-6(30KW)1997年7月，装置进行为期四天的负荷标定，标定期间，装置日加工量1737-1830吨/天，负荷率96.5-101.7。由于1997年装置扩能改造是在原设计的基础上进行局部改造，因此，加热炉在改造后的运行过程中出现了一些问题，影响了装置的长周期运行。主要是改造后炉膛操作温度大幅度提高，炉管表面温度超高，局部炉管热负荷过大，全炉热负荷增加。2.1 炉膛超温标定期间加热炉炉膛温度最高达到930，炉火火苗直达斜顶，局部炉管表面微呈暗红色，过热现象极其明显。2.2 高温及过热段辐射管热强度超设计指标虽然标定计算辐射段炉管平均热强度不高，仅21726大卡/平方米，约合25.27KW/m2，符合集团公司延迟焦化炉炉管平均热强度推荐值20.0-32.0KW/m2要求。但由于改造后加热炉辐射段有16根炉管安装在对流室，这些炉管热强度较低，一定程度上削弱了辐射管的平均热强度值。事实上辐射段高温或过热部位炉管热强度已经远超出设计指标。2.3 辐射管表面温度超管材允许承受指标辐射炉管为Cr9Mo管材，按国家标准，Cr9Mo管材管壁极限设计温度为705。1997年标定期间管壁达到810，管壁超温的直接后果是炉管变形，管材球墨化。由于近年来焦化装置处理量一般维持在80左右的负荷率，管壁温度低于满负荷标定值，但仍然经常超过705的极限设计金属温度，自1997年改造以来，因炉管轻度变形已更换辐射管4根。表2为采用普通B型燃烧器的辐射管壁温度实测值。表2 采用普通B型燃烧器的辐射管壁温度实测表 温 度 时 间 东辐射西辐射T17134T17136T17138T17135T17137T171392005年1月06年5月正常生产的数据（日加工量14001500吨/天）560-600660-720670-750640-660660-700680-7502.4 辐射室热负荷偏小在炉膛（挡墙）温度超过850情况下，辐射段热负荷仅达到设计指标的93，而此时管内油品汽化率仅27，未达到40的设计指标。若原料性质变化、汽化率上升，辐射段的热负荷状况将更加恶化，可见辐射室热负荷达不到设计要求，全炉热负荷分布不匹配。2.5 炉管结焦炉管结焦的主要原因是全炉热分配比例不协调、辐射段热负荷过低、炉底供风系统分配不均及火苗燃烧状况差造成局部过热所致。3 造成焦化炉上述问题的原因分析延迟焦化装置焦化炉所存在的问题，主要是延迟焦化工艺即减压渣油深度热裂化本身固有的原料油质重和反应温度高的特点造成的：3.1 2004年5月，公司技术部门按60万吨/年处理量要求对现加热炉进行了模拟核算，辐射管平均热强度、火墙温度、油膜温度均接近规范的允许上限，峰值热强度自第3根辐射管起均超过43000 W/m2，而相应的对流管平均热强度仅达到规范要求的下限值。因此，可以认为，加热炉设计负荷过低，辐射、对流热分布不均是造成炉挡墙、管壁超温并引起上述问题的根本原因。3.2 辐射炉管管内膜热阻大、管壁温度高、容易结焦。结焦后管内膜热阻增大、炉膛（挡墙）温度升高、管壁温度升高、结焦加重。因此，形成了恶性循环。3.3 焦化炉富裕度有限，1997年装置扩能后上述情况更加严重。3.4 以前加热炉没有相应的技术来适应焦化工艺的特殊性，焦化炉采用普通燃烧器使上述现象更是“雪上加霜”。4 改造内容针对焦化加热炉现状，经过技术人员的调研分析，认为采用具有专利技术的管式加热炉强化传热技术及LGH强化传热型燃烧器（下称：LGH燃烧器）对加热炉燃烧器进行改造可以解决上述存在的问题。该项目于2006年2月申报技术改造，2006年8月中旬焦化装置停工检修期间进行改造，9月1投入使用。4.1管式加热炉强化传热技术原理由于炉膛内设置有很大的吸热面，来自炉膛的高温焰烟一旦喷入，立即以辐射和对流两种方式传热给炉管。由于燃烧过程尚未结束，其温度将大幅度降低，这样对提高焰烟喷射速度极为不利，同时对强化与改善炉内传热也极为不利。因此，减少燃料化学能转化为烟气热能过程中有效能的损失及合理利用高温焰烟能量的关键在于提高焰烟初始喷射温度和速度。目前普通燃烧器近一半的燃烧过程是在炉膛内完成的，而强化传热技术通过提高焰烟喷射速度，强化辐射室对流传热，虽然人们已注意到辐射室中的对流传热不可忽视，但是由于它在一般加热炉辐射室的总传热量中仅占10%左右，处于次要地位。因此，对它的计算一向甚为粗略，根据经验式是把对流传热系数hRC作为定值处理：卧管立式炉hRC=11.35W/M2(9.76Kca1/M2h)；高径比为3的圆筒炉hRC=14.19W/M2(12.20Kca1/M2h),或是直接按自然对流考虑；更有将其视为裕量而不计者。强化传热技术可使卧管对流传热系数hRC=34.8946.52W/M2(3040Kca1/M2h)；立管对流传热系数hRC=23.2634.89W/M2(2030Kca1/M2h)； 加热炉辐射室的对流传热量占总传热量40%左右。故采用强化传热技术的加热炉，其“辐射室”的名称已经不确切了，称为“综合传热室”或“综合室”可能比较确切。4.2 LGH强化传热型燃烧器介绍燃烧器是加热炉提供热量的重要组成部分之一。燃烧器是根据炉型、燃料种类和每个火嘴提供热量的多少而选择的。在设计时要考虑火焰和炉管的相对距离，燃烧器相互之间的距离，以达到均一的传热，燃料完全燃烧，火焰不能舔炉管等效果。燃烧器技术性能的优劣以及是否与加热炉工艺要求、炉型结构、传热特点相匹配对加热炉的运行、能耗或环保都有着直接影响。强化传热型燃烧器是一种既强化燃烧又强化传热的节能型燃烧器。与传统的燃烧器相比，采用强化传热技术设计的LGH燃烧器具有明显的特点：（1）提高燃料在转化过程中的转化效率；（2）使燃料转化的能量具有更高的作功能力；（3）能使烟焰的能量更有效地传递给需要加热的介质；（4）可降低炉管在径向和轴向热强度的不均匀系数，大幅度提高炉管表面热强度和加热炉的热效率。5 使用效果 自2006年9月1日焦化第十七生产周期开始运行以来，焦化加热炉运行状况较改造前有了明显改观，取得预期效果。表3为使用LGH燃烧器（改造后）与使用普通燃烧器（改造前）的加热炉运行参数比较，表4 为改造前后（日处理量14001500吨/天）辐射管壁温度对照表。表3 加热炉燃烧器改造前后的运行参数项 目燃烧器种类LGH普 通B入炉介质名称注 水、过热蒸汽、减压渣油、焦化油注 水、过热蒸汽、减压渣油入对流室介质流量， t/h1.6、7.0、63.01.6、7.0、63.0入辐射室介质流量， t/h8585入辐射室介质比重 ，0.9530.956介质入对流/辐射温度 ， 120、180、280/380120、180、280/380介质出对流/辐射温度 ， 347、280、330/494349、280、340/494原料温度 ，150155循环比 3.53.5过剩空气系数，1.231.23加热炉热效率 ， %90.289.6炉膛（挡墙）最高温度 ，815856辐射室炉管平均温度 ，621679辐射室炉管最高温度， 660750燃烧器供风温度 ， 158160燃烧器供风压力 ，Pa15010燃烧器数量，套2626烟气入空气预热器温度 ， 223230分馏塔底温度 ，381381排烟温度 ，170175吨原料燃料气消耗量 ， kg 21.43422.594燃料气单耗 ，kg标油/吨原料20.36221.465表4 加热炉改造前后辐射管管壁温度 温度，火嘴型式东辐射西辐射T17134T17136T17138T17135T17137T17139普通B（05年1月06年5月）560-600660-720670-750640-660660-700680-750LGH（06年9月06年10月）550-580640-650620-640590-619630-660620-6405.1 改造取得的效果从表3可以看出，在装置处理量、入对流室和辐射室流量、循环比、原料温度、过剩空气系数和分馏塔塔底温度等基本参数与采用普通燃烧器基本相等的情况下，采用强化传热型燃烧器取得很好的效果：a.火嘴燃烧和整个炉子供热状况比改造前有较大的改观。改造前，火焰长、飘、软，有时达炉顶，炉膛偏暗；改造后，火焰短且硬朗，炉膛明亮； b.炉膛（挡墙）最高温度815，比改造前的856降低41左右；c.辐射炉管平均温度从改造前的679下降至621，降低了58左右 ；辐射炉管最高温度从改造前的750下降至660，下降了90。从表4可以看出，原热强度最高的东西下部42#辐射炉管的管壁温度（620-640），低于原热强度较低的东西中部30#辐射炉管管壁温度（630-660）；d.加热炉燃料气能耗有大幅度的降低，从改造前的21.465 Kg标油/吨原料下降至20.362Kg标油/吨原料，降低1.103Kg标油/吨原料；e.在对流油入口温度相等的情况下，对流油出口温度从改造前的340下降至330，降低了10左右 ；烟气入空气预热器温度从改造前的230下降至223，降低了7左右 ；说明了加热炉对流室取热有所减少，部分热量从对流室转移到辐射室。5.2 加热炉采用LGH燃烧器进行强化传热的优点从表3、4的数据可知加热炉采用LGH燃烧器进行强化传热具有以下优点:a.提高加热炉热负荷。提高炉管上部低热强度区域的热强度，降低炉管下部局部高温高热强度区域的温度和热强度。保证炉管在材质允许的极限温度下运行。炉管在轴向和径向各个部位热强度及管壁温度非常均匀，炉膛（挡墙）温度下降，有效地减弱了炉管的热点、保护了炉管。辐射室炉膛温差减小，炉管受热不均匀性根本好转，延长炉管使用寿命。b.提高加热炉热效率。采用LGH燃烧器进行强化传热技术改造的加热炉不但减少了表面散热损失，而且降低了排烟温度（进对流室烟气温度低、烟气速度高），辐射室高速回流烟气对炉管结垢还具有自清洗作用。c.燃料气耗量大幅度降低，节能效果明显。吨原料燃料气消耗量从改造前的22.594kg降低到改造后的21.434kg，加热炉燃料气单耗有大幅度的降低，从改造前的21.465 Kg标油/吨原料下降至20.362 Kg标油/吨原料，降低1.