魏学军焦化加热炉设计与操作.docx
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魏学军焦化加热炉设计与操作
焦化加热炉的设计与操作
一、概述
二、焦化加热炉设计
1、炉型
2、设计参数选择
3、炉管
4、燃烧器选型及布置
5、余热回收系统
6、炉衬
7、多点注汽
8、加热炉进料和燃烧系统联锁控制
三、焦化加热炉的操作
1、工艺介质流量控制
2、燃烧器操作
3、过剩空气控制
4、炉膛负压控制
5、减少不完全燃烧损失
6、减少散热损失
7、减少烟囱密封挡板处的烟气泄露
8、在线清焦（on-linespalling）及双向烧焦
9、其他
一、概述
作为重油加工的主要工艺“延迟焦化”就是要把重油加工过程中所希望进行的重油热裂解－缩合反应延迟到加热炉下游的焦炭塔中进行。
这种工艺特点就是要求延迟焦化加热炉必须具有快速把工艺介质加热到所需焦化温度的良好性能，并具有低结焦速率、长周期运行的特点。
这是一对既统一又辩证的矛盾，只有在良好的设计和操作中，结合动态的工况条件优化，来求得这对矛盾的统一交点。
这就是焦化加热炉的技术核心所在，也是它有别于其他炼油加热炉的地方。
延迟焦化是一种利用重油在热转化深度较低时不易出现结焦前体物（结焦母体）的特性，在焦化加热炉管内获得重油轻质化所需要的能量，然后在焦炭塔内完成生焦反应的工艺过程。
控制焦化加热炉炉管结焦速率是确保延迟焦化装置长周期运行的基础，在此基础上确保焦化加热炉把工艺介质加热到特定炉出口温度、供给介质升温、部分汽化和反应所需要的热量，增加馏份油产率，减少装置的焦炭产率，从而使该工艺过程获得较好经济效益，由此可见，良好的加热炉设计和操作是延迟焦化装置实施“长、满、安、优”生产的技术关键。
良好的焦化加热炉设计应该具有如下特点：
—针对给定的原料和加热炉进料性质以及相应的工艺参数，有很强的适应性和可靠性。
—辐射室炉管的热强度周向不均匀系数小，火焰对炉管的加热均匀。
—有适宜均匀的热强度，使炉管内油品有较短的停留时间，希望427℃以上油品停留时间不要超过30秒。
—尽可能均匀的炉膛内温度场和热强度场，使介质有稳定的温升梯度。
—较高的管内油品冷油流速（>1.83米／秒）或质量流速。
—具备有多点注汽（或水）、在线清焦（on-linespalling）的功能。
—高加热炉热效率，一般要求90％以上。
—连续运行时间（在低循环比工况下），应在一年以上。
二、焦化加热炉工程设计
1、炉型
由于焦化加热炉特点是管内油品重、加热温度高、且管内油品存在着汽化和复杂的裂解及缩合化学反应，炉管内部特别容易产生结焦，所以必须在流速快、停留时间短、热强度较高的操作条件下，使油品在加热炉内能够迅速达到焦化所需温度。
为适应这些特点，保证管内介质在理想流型状况下均匀受热，焦化炉辐射管一般均采用水平方向布置。
立管焦化炉与水平管焦化炉比较，主要有两大缺点：
一是两相流在立管内的良好流型范围很窄，特别容易出现不良流型，油料因局部过热而裂解；二是在底烧条件下每根立管都要通过炉膛高温区，对于焦化炉这样苛刻的操作条件，很容易造成整个辐射室炉管全部烧坏的重大事故。
这就是焦化炉不能用立管的主要原因。
与常规加热炉相同，焦化加热炉由辐射室、对流室、烟囱及烟气余热回收系统几部分构成。
辐射室为焦化加热炉的主要传热部位，其吸热量约为总吸热量的65-75%，而在辐射室内约80%以上的热量是由热辐射来完成，其余部分是由高温烟气和炉管的对流传热来完成，因此良好的辐射炉管布置对均匀地吸收辐射热量是非常重要的。
单排管双面辐射与单排管单面辐射（加反射）比起来，其最大的优点是热流沿炉管圆周分布均匀，因而其辐射管表面热强度是单面辐射的1.5倍。
换句话说，辐射管的总长度可缩短33%，即停留时间缩短33%。
这对要求油料在427℃以后要尽量缩短停留时间的焦化炉是非常有利的。
按照辐射室形状划分，焦化加热炉可分为立式炉、箱式炉和阶梯炉三种炉型；按照辐射管受热方式划分，焦化加热炉可分为单面辐射炉和双面辐射炉两种；按照辐射室内炉膛数量划分又可分为单室炉、双室炉及多室炉。
如果将以上不同划分方式产生的炉型进行组合即可得出多种可供选择的炉型。
在焦化装置循环比为0.2～0.4范围内，焦化加热炉可根据装置处理量的大小选择管程数及炉膛数量，推荐设计炉型见表1。
表1、焦化加热炉推荐炉型
焦化装置处理量，万吨/年
<30
30-60
60-120
单面辐射炉
单室2管程水平管立式炉
单室2管程水平管立式炉
双室4管程水平管箱式炉
双面辐射炉
单室1管程水平管立式炉
单室1管程水平管阶梯炉
单室2管程水平管箱式炉
双室2管程水平管箱式炉
双室2管程水平管阶梯炉
4室4管程水平管箱式炉
4室4管程水平管阶梯炉
图1、双管程单面辐射水平管立式炉图2、四管程单面辐射水平管箱式炉
图3、双室四管程箱式炉图4、四室四管程阶梯炉（单阶梯）
图5、三室六管程箱式炉
图6、六室六管程阶梯炉（单阶梯）
国内目前大多数焦化炉均为单面辐射炉，一般均采用单室2管程水平管立式炉炉型（图1），如果装置处理量达到80万吨/年以上，还可采用双室4管程水平管箱式炉炉型（图2）。
单面辐射炉的炉管靠炉墙布置，燃烧器位于炉膛中间，火焰及热烟气对炉管呈单面辐射传热方式。
由于国内焦化工艺换热流程的原因，国内此种焦化炉除辐射室布置焦化工艺介质外，一般还在对流室布置减压渣油预热段、过热蒸汽段和注水段，表1为国内几家炼油厂单面辐射炉的主要设计数据。
表1、典型单面辐射炉的主要设计数据
A
B
C
D
炉型
水平管立式
水平管立式
水平管立式
水平管立式
加热炉处理量万吨/年
30
40
50
60
操作循环比
0.4
0.4
0.4
0.2
全炉热负荷MW
~13
~15
~23
~18
工艺介质流量kg/hr（注）
52500
70000
87500
90000
工艺介质进出炉温度˚C
370/500
380/500
350/500
380/500
对流减压渣油流量kg/hr
37500
50000
62500
75000
对流减压渣油进出炉温度˚C
170/340
170/340
180/330
280/330
辐
射
室
工
艺
介
质
炉管规格
Ф102x8
Ф127x10
Ф127x10
Ф127x10
炉管根数
80
76
74
72
炉管材质
Cr5Mo
Cr5Mo
Cr5Mo
Cr5Mo
管程数
2
2
2
2
对流室
工
艺
介
质
炉管规格
-
-
Ф127x10
Ф127x10
炉管根数
-
-
6
16
炉管材质
-
-
Cr5Mo
Cr5Mo
管程数
-
-
2
2
减
压
渣
油
炉管规格
Ф114x8
Ф127x10
Ф152x10
Ф152x10
炉管根数
72
96
76
32
炉管材质
Cr5Mo
Cr5Mo
Cr5Mo
Cr5Mo
管程数
1
2
1
1
过
热
蒸
汽
炉管规格
Ф114x8
Ф127x10
Ф152x8
Ф89x8
炉管根数
6
8
6
6
炉管材质
20#
20#
20#
20#
管程数
1
1
1
3
注
水
炉管规格
Ф89x6
Ф60x6
Ф89x6
Ф89x8
炉管根数
80
140
68
100
炉管材质
20#
18-8
20#
20#
管程数
2
2
2
2
燃烧器数量（台）
16
16
26
26
辐射管内质量流速kg/m2-s
1255
1081
1352
1390
辐射管平均热强度W/m2
27000~33000
27000~33000
27000~33000
27000~33000
设计热效率,η%
90
90
90
90
注：
工艺介质为减压渣油和循环油的混合物
单面辐射炉均采用固定在侧墙钢结构上的铸造管架来支撑辐射炉管（见图7），辐射室管架材质一般为ZG35Cr25Ni12，对流室中间管板可根据烟气温度的高低可分别选用ZG40Cr25Ni20、ZG35Cr25Ni12或RQTSi-5.0铸造管板。
辐射室管架及对流室中间管板的支撑间距一般不大于35倍管外径。
单面辐射炉的辐射室和对流室均设置两端管板及弯头箱，连接炉管的铸造回弯头或急弯弯管位于弯头箱内，由于铸造回弯头容易在堵头处发生泄露，为减轻维护工作量，国内已有多家炼油厂将铸造回弯头改成了急弯弯管，目前新设计的单面辐射炉除在个别位置采用铸造回弯头外，其余炉管之间连接均已采用急弯弯管。
图7、单面辐射炉用辐射管架
由于单面辐射炉炉管数量较多，炉膛高度一般均在8~9米，因此单台燃烧器发热量多在1.0~1.2MW，火焰长度一般应控制在2~3米为宜。
由于扁平焰气体燃烧器可以减小沿炉管长度方向热强度的不均匀系数，并且相对增加了火焰到炉管的距离，减少了火焰直接冲击炉管的几率，因此应在设计中加以推广。
双面辐射炉的炉管布置在炉膛中间，管排两侧布置燃烧器，火焰及热烟气对炉管呈双面辐射传热方式。
据资料显示，美国双面辐射焦化炉的设计始于1994年，从那时开始，美国新建的延迟焦化装置有90%以上均采用双面辐射焦化炉。
国内第一台具有国际先进水平的双面辐射焦化炉于1999年底在上海石化股份有限公司建成并顺利投产，并且在2001年2月成功地实施了在线清焦操作。
与常规单面辐射焦化炉相比，双面辐射焦化炉在操作周期及操作费用等方面有着显著的技术和经济优势。
双面辐射焦化炉炉型基本分为两种，一种为箱式炉，一种为阶梯炉，两种炉型均在炉顶设置一个或多个对流室（图3-6）。
由于辐射管架设置在炉膛中间，为避免产生过大的热膨胀量，双面辐射焦化炉炉膛高度不易过大，一般在5~6米以下为宜，因此导致炉膛长度方向尺寸较大，燃烧器数量较多、燃烧器发热量较小。
多室箱式炉采用垂直向上底烧式燃烧器，为保证炉膛温度分布的均匀性，燃烧器火焰高度一般应达到炉膛高度的1/3左右为。
处于同一辐射室的两组盘管用中间火墙隔开，以避免操作中相互干扰。
而多室阶梯炉采用附墙式底烧燃烧器，燃烧器产生的高温火焰紧贴炉墙向上燃烧，将炉墙加热成为高温辐射体，再由炉墙将热量辐射给炉管。
该种炉型每组盘管均位于一个辐射室内，可保证操作中不会出现相互干扰。
双面辐射焦化炉辐射管内介质一般采用自上向下流动方式，但也有关于采用自下向上流动方式的报道。
与常规单面辐射焦化炉不同，双面辐射焦化炉辐射管之间一般采用急弯弯管连接，并且布置在炉膛内部而不设置弯头箱。
双面辐射炉采用固定在炉顶或炉底钢结构上的管架（见图8）来支撑辐射炉管（即悬吊式结构或下支撑式结构），辐射室中间管架材质一般为ZG40Cr25Ni20或离心浇注管HP40Nb，对流室中间管板可根据烟气温度的高低可分别选用ZG40Cr25Ni20、ZG35Cr25Ni12或RQTSi-5.0铸造管板。
辐射室中间管架及对流室中间管板的支撑间距一般不大于35倍管外径。
表2为国内几家炼油厂双面辐射炉的主要设计数据：
（一）离心浇注管型
（二）静态铸造型
图8、双面辐射炉用辐射管架
表2、国内典型双面辐射炉的主要设计数据
A
B
C
D
炉型
4室水平管箱式
4室水平管箱式
2室水平管箱式
6室水平管箱式
加热炉处理量万吨/年
100
140
50
160
操作循环比
0.35
0.2
0.4
0.25
全炉热负荷MW
33.88
46.67
16.64
49.95
工艺介质流量kg/hr
168750
210000
87500
250000
工艺介质进出炉温度˚C
327/500
317/500
340/500
300/500
辐
射
室
工
艺
介
质
炉管规格
Ф114.3x8.56
Ф127x12
Ф114.3x8.56
Ф114.3x9.8
炉管根数
96
96
48
144
炉管材质
Cr9Mo
Cr9Mo
Cr9Mo
Cr9Mo
管程数
4
4
2
6
对
流
室
工
艺
介
质
炉管规格
Ф114.3x8.56
Ф127x10
Ф114.3x8.56
Ф114.3x9.8
炉管根数
72
72
36
132
炉管材质
Cr9Mo
Cr9Mo
Cr9Mo
Cr9Mo
管程数
4
4
2
6
辐射管内介质质量流速kg/m2-s
1580
1622
1638
1643
辐射管平均热强度W/m2
42000~52000
38000~486000
39000~49000
35000~45000
燃烧器数量（台）
96
128
48
144
设计热效率
91.5
91.5
91.5
90.5
2、设计参数选择
传统设计方法是在炉型和管程数确定以后，按表3选取合适的辐射管平均热强度、管内质量流速，根据辐射室热负荷确定辐射管规格及排管面积（见式1和式2）。
上二式中：
qR—辐射管平均热强度W/m2
QR—辐射室热负荷MW
AR—辐射排管面积m2
GF—辐射管内介质质量流速kg/m2.s
WF—辐射室工艺介质流量kg/s
DI—辐射管内径
MR—辐射室管程数
表3、辐射管平均热强度及管内质量流速的设计范围
炉型
辐射管平均热强度W/m2
管内质量流速kg/m2.s
单面辐射炉
28000—31000
1200—1800
双面辐射炉
42000—46500
1200—1800
实验研究结果表明，对于某一种固定的油品来说，影响焦化炉管内结焦速率的关键参数为管内最高油膜温度和油品在管内的停留时间。
管内最高油膜温度越低、油品（＞426℃）在管内的停留时间越短，加热炉管内结焦的可能性越小。
然而当炉管规格、管程数及注汽量确定后，降低管内最高油膜温度和缩短油品在管内的停留时间是相互矛盾的。
降低管内最高油膜温度意味着需要减小辐射管平均热强度，由于热负荷为定值，因此需要增加辐射排管面积，也就是增加炉管长度，其结果就是增大了停留时间。
尽管增大注汽量对缩短停留时间会起到明显的作用，然而其副作用是增大了加热炉热负荷、燃料消耗、蒸汽消耗及管内压降，并且会对下游设备造成不利的影响。
另外随着注汽量的增加，炉出口至焦碳塔管线压降增加，提高了炉出口及整个炉管内压力，不利于管内油膜因汽化而发生破裂，反而会加剧管内结焦现象，因此注汽量必须控制在一定范围之内，一般设计注汽量为工艺介质流量的1～3%，但循环比增加，则注汽量可减少。
随着实验研究的不断深入及计算机软件的开发，采用专用计算软件对焦化炉进行全面模拟计算已成功得以实现。
在已知油品性质的前提下，采用该方法对焦化炉管内管外进行详细分区计算，计算结果可给出管外分区火焰温度、烟气温度、管壁热强度及管内逐段介质温度、压力、汽化率、停留时间、管内油膜温度、管壁温度、热转化率，并且可以预测不同操作时间后管内结焦厚度。
通过调整设计参数（如炉膛尺寸、辐射管规格、数量和布置、燃烧器布置、注汽点位置及注汽量等）即可得出不同设计方案下计算结果，通过对计算结果的对比和优选可以得出最优化的设计方案。
3、炉管
3.1炉管材料
焦化炉管选材主要考虑管壁温度、管内介质腐蚀和钢材高温强度等三个方面的问题。
国内目前多数焦化炉炉管材料为Cr5Mo（A335P5），但当炉出口介质温度高达500°C，管内结焦达到一定厚度时，炉内最高管壁温度可达600°C以上，甚至超过氧化速率迅速上升的拐点温度，即抗氧化极限温度。
由于Cr5Mo材质炉管的最高使用温度为600°C，抗氧化极限温为650℃，因此采用Cr5Mo材质炉管的焦化炉多存在高温区炉管严重氧化爆皮的现象，须定期更换，从而影响了焦化炉的长周期操作。
国外延迟焦化炉均采用Cr9Mo（A335P9）炉管，国内目前各炼厂的焦化炉设计已相继采用Cr9Mo炉管。
由于Cr9Mo材质炉管的最高使用温度可达650°C，抗氧化极限温为705℃，因此几乎没有发生氧化爆皮现象的报导。
炉管选材的另一个重要依据是管内介质的腐蚀。
在含硫原料油中，Cr5Mo的腐蚀速率约为Cr9Mo的2.5～3倍。
近年来，焦化原料油的硫含量越来越高，这也是新设计的焦化炉多选用Cr9Mo作炉管，而很少选用Cr5Mo的原因之一。
另外，在一些特殊情况下，例如，克拉玛依、辽河和苏丹的超稠油原油直接焦化，由于稠油中酸值太高，焦化炉炉管材质用到了ASTMA312的TP316或TP316L。
在Cr9Mo的基础上增加钒（即ASTMA335P91），强度可提高一倍左右，但加钒后焊接性能较差。
这种钢材国内目前尚无成熟的使用经验。
另外，在Cr5Mo管和焊缝的内外表面渗铝，可提高Cr5Mo抗硫腐蚀和抗氧化的能力，但总的费用不一定比Cr9Mo低，因此也难推广。
焦化炉出口温度是一般炼油装置加热炉中较高的，高达500℃，被加热的油料又是最重的（一般是减压渣油），炉管内结焦几乎不可避免。
焦层热阻造成的温差会使管壁温度升高，随着操作时间的延续，即使在正常操作状态下运行，焦层的厚度也要增加，到操作末期，管壁温度往往会接近甚至达到管材金属的最高使用温度，这时的许用应力已经很低。
因此，其炉管壁厚必须经过计算确定，并且应按操作末期可能达到的最高管壁温度来计算。
表4列出了焦化炉管材质的性能比较，通过该表的比较能更充分地说明上述观点。
表4、焦化炉管材质性能比较
项目
P5
（Cr5Mo）
P9
（Cr9Mo）
P91
TP316L
最高使用温度℃
600
650
815
抗氧化极限温℃
650
705
850-900
极限设计金属温度℃
650
705
650
815
100000h
许用应力
MPa
550℃
42
51
135
75
600℃
23
26
80
70
650℃
13
13
35
55
700℃
31
370-400℃
腐蚀速率
mm/a
S=0.6%
0.41
0.15
0.013
S=2.0%
0.66
0.24
0.02
S≤0.2%
TAN=1.6-2.0mg/g
1.14
0.38
0.38
S=0.6-1%
TAN＞4mg/g
1.02
0.25
0.25
0.13
S=2-3%
TAN＞6mg/g
＞1.8
＞0.76
＞0.76
0.25
3.2炉管尺寸
被加热介质的温度在炉管截面上的分布是不均匀的。
烟气的热量通过辐射和对流方式传给炉管，在炉管管壁内和靠近管壁的油膜内，热量以传导方式传递，由于油膜的热导率很小，故其热阻很大，油膜温差也很大。
从油膜到湍流主体之间，还存在一个温度逐步连续变化的过渡区。
在湍流中心区传热方式以对流为主，由于各部分互相混合得很激烈，各点之间的介质温差很小。
通过实验而整理出的半经验准数公式表明，管径越大，油膜传热系数越小，亦即油膜温差越大。
正如前面所述，焦化原料油极易裂解，被加热的温度也很高，因此，焦化炉炉管直径不宜过大，以避免过大的油膜温差。
另外，由于焦化炉管内结焦是不可避免的，因此，焦化炉管直径又不宜过小，以避免过大的压降或被结焦堵死。
目前工程上常用的焦化炉管直径，除处理量很小的针焦焦化炉用较小的管径外，一般用φ102～φ127的中档管径。
4、燃烧器选型及布置
燃烧器类型及性能对焦化炉操作的好坏有着极其重要的作用。
为满足炉管表面热强度及烟气温度沿炉膛高度方向上分布的均匀性，其火焰高度应在炉膛高度的1/3为宜。
为满足炉管表面热强度及烟气温度沿炉管长度方向上分布的均匀性，采用小能量的扁平火焰的气体燃烧器较为合适。
同其他加热炉一样，焦化炉也要求燃烧器的火焰稳定而不飘散，燃烧器的布置应与炉管及炉墙保持足够的距离，以避免火焰直接冲击炉管和炉墙，但间距过大将造成设备占地面积及投资增加，因此应根据燃烧器发热量按照有关规范合理选取。
下表为《一般炼油装置用火焰加热炉》（SH/T3036-2003）中对自然通风气体燃烧器安装尺寸的要求。
表5、自然通风气体燃烧器安装尺寸的要求
每台燃烧器最大放热量MW
最小间距
A
B
C
D
燃烧器至顶部炉管中心或耐火材料的垂直距离（仅对于垂直燃烧），m
燃烧器中心至靠墙炉管中心的水平距离，m
燃烧器中心至无遮蔽耐火材料的水平距离，m
对烧燃烧器间的水平距离（水平安装时），m
0.5
2.6
0.6
0.4
3.4
1.0
3.6
0.7
0.6
4.9
1.5
4.6
0.8
0.7
6.5
2.0
5.6
1.0
0.8
8.1
2.5
6.7
1.1
1.0
9.6
3.0
7.7
1.2
1.1
11.1
注1：
水平安装的燃烧器，燃烧器中心线与顶部炉管中心或耐火材料间的距离应比B列的数据大50%。
注2：
对于普通的气体燃烧器（非LOW-NOX），间距可减小：
本表A列的数据乘0.77的系数；本表D列的数据乘0.67的系数。
注3：
表中所列数据的中间值，可用内插法查出。
随着国内环保意识及有关法律法规的加强，对烟气中氧化氮含量的限制也将更为严格，低氧化氮燃烧器将逐步占踞主导地位。
图9为一典型的双面辐射焦化加热炉用的低氧化氮扁平焰气体燃烧器，该燃烧器采用了燃料分级燃烧及烟气自循环技术，降低了火焰区的氧浓度及火焰区燃烧温度，从而可使烟气中氧化氮含量降至40PPM（mol）以下。
图9、典型双面辐射焦化加热炉用的低氧化氮扁平焰气体燃烧器
5、余热回收系统
焦化加热炉所耗燃料的能耗约占焦化装置（不含焦化富气压缩和下游单元）总能耗的70％左右，可见要实现节能增效之目标，必须首先提高焦化加热炉的热效率。
国内目前所有的焦化加热炉均设置了余热回收系统，利用出对流室的烟气来预热燃烧空气，降低了最终的排烟温度，设计热效率一般均在90%以上。
余热回收系统一般由空气预热器、风机、吸风口及烟风道组成，根据空气预热器布置位置可分为上置式和下置式两种方案,见图10和图11。
图10、上置式空气预热器图11、下置式空气预热器
上置式方案将空气预热器设置在加热炉对流室上部，出对流室热烟气直接进入空气预热器与空气换热，一般不考虑设置旁通烟道及烟气引风机，冷烟气由炉顶烟囱排入大气，因此烟囱高度设计应考虑克服空气预热器内的烟气阻力。
由于加热炉烟囱高度受到结构设计的限制，一般来说空气预热器内的烟气阻力应小于50~60Pa，这样必然造成空气预热器内烟气流速不能过大，管排数也不能太多，不仅使得烟气侧传热系数较小，空气预热器的吸热量的大小也受到限制。
该种方案的优点是占地面积小、投资较小，缺点是加热炉炉顶结构复杂，空气预热器及附属设备维护难度大，当回收系统内设备出现故障须进行维修时加热炉必须停车，适用于小型焦化炉的热量回收。
下置式方案将空气预热器设置在地面，出对流室热烟气经下行热烟道进入空气预热器与空气换热，出预热器的冷烟气由引风机经冷烟道排入炉顶烟囱或位于地面的独立烟囱，空气则由鼓风机送入空气预热器与烟气换热，而后经热风道至燃烧器供燃烧使用。
由于空气预热器内空气及烟气侧阻力均可以由风机来克服（一般可选择1000~2000Pa），因此
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