焦化加熱爐設(shè)計(jì)與操作

焦化加熱爐的設(shè)計(jì)與操作概述焦化加熱爐設(shè)計(jì)爐型設(shè)計(jì)參數(shù)選擇爐管燃燒器選型及布置余熱回收系統(tǒng)爐襯多點(diǎn)注汽加熱爐進(jìn)料和燃燒系統(tǒng)聯(lián)鎖控制焦化加熱爐的操作工藝介質(zhì)流量控制燃燒器操作過?？諝饪刂茽t膛負(fù)壓控制減少不完全燃燒損失減少散熱損失減少煙囪密封擋板處的煙氣泄露在線清焦（on-linespalling）及雙向燒焦其他概述作為重油加工的主要工藝“延遲焦化”就是要把重油加工過程中所希望進(jìn)行的重油熱裂解－縮合反應(yīng)延遲到加熱爐下游的焦炭塔中進(jìn)行。這種工藝特點(diǎn)就是要求延遲焦化加熱爐必須具有快速把工藝介質(zhì)加熱到所需焦化溫度的良好性能，并具有低結(jié)焦速率、長周期運(yùn)行的特點(diǎn)。這是一對既統(tǒng)一又辯證的矛盾，只有在良好的設(shè)計(jì)和操作中，結(jié)合動(dòng)態(tài)的工況條件優(yōu)化，來求得這對矛盾的統(tǒng)一交點(diǎn)。這就是焦化加熱爐的技術(shù)核心所在，也是它有別于其他煉油加熱爐的地方。延遲焦化是一種利用重油在熱轉(zhuǎn)化深度較低時(shí)不易出現(xiàn)結(jié)焦前體物（結(jié)焦母體）的特性，在焦化加熱爐管內(nèi)獲得重油輕質(zhì)化所需要的能量，然后在焦炭塔內(nèi)完成生焦反應(yīng)的工藝過程。控制焦化加熱爐爐管結(jié)焦速率是確保延遲焦化裝置長周期運(yùn)行的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上確保焦化加熱爐把工藝介質(zhì)加熱到特定爐出口溫度、供給介質(zhì)升溫、部分汽化和反應(yīng)所需要的熱量，增加餾份油產(chǎn)率，減少裝置的焦炭產(chǎn)率，從而使該工藝過程獲得較好經(jīng)濟(jì)效益，由此可見，良好的加熱爐設(shè)計(jì)和操作是延遲焦化裝置實(shí)施“長、滿、安、優(yōu)”生產(chǎn)的技術(shù)關(guān)鍵。良好的焦化加熱爐設(shè)計(jì)應(yīng)該具有如下特點(diǎn)：—針對給定的原料和加熱爐進(jìn)料性質(zhì)以及相應(yīng)的工藝參數(shù)，有很強(qiáng)的適應(yīng)性和可靠性?！椛涫覡t管的熱強(qiáng)度周向不均勻系數(shù)小，火焰對爐管的加熱均勻?！羞m宜均勻的熱強(qiáng)度，使?fàn)t管內(nèi)油品有較短的停留時(shí)間，希望427℃—盡可能均勻的爐膛內(nèi)溫度場和熱強(qiáng)度場，使介質(zhì)有穩(wěn)定的溫升梯度?！^高的管內(nèi)油品冷油流速（>1.83米—具備有多點(diǎn)注汽（或水）、在線清焦（on-linespalling）的功能。—高加熱爐熱效率，一般要求90％以上?！B續(xù)運(yùn)行時(shí)間（在低循環(huán)比工況下），應(yīng)在一年以上。焦化加熱爐工程設(shè)計(jì)爐型由于焦化加熱爐特點(diǎn)是管內(nèi)油品重、加熱溫度高、且管內(nèi)油品存在著汽化和復(fù)雜的裂解及縮合化學(xué)反應(yīng)，爐管內(nèi)部特別容易產(chǎn)生結(jié)焦，所以必須在流速快、停留時(shí)間短、熱強(qiáng)度較高的操作條件下，使油品在加熱爐內(nèi)能夠迅速達(dá)到焦化所需溫度。為適應(yīng)這些特點(diǎn)，保證管內(nèi)介質(zhì)在理想流型狀況下均勻受熱，焦化爐輻射管一般均采用水平方向布置。立管焦化爐與水平管焦化爐比較，主要有兩大缺點(diǎn)：一是兩相流在立管內(nèi)的良好流型范圍很窄，特別容易出現(xiàn)不良流型，油料因局部過熱而裂解；二是在底燒條件下每根立管都要通過爐膛高溫區(qū)，對于焦化爐這樣苛刻的操作條件，很容易造成整個(gè)輻射室爐管全部燒壞的重大事故。這就是焦化爐不能用立管的主要原因。與常規(guī)加熱爐相同，焦化加熱爐由輻射室、對流室、煙囪及煙氣余熱回收系統(tǒng)幾部分構(gòu)成。輻射室為焦化加熱爐的主要傳熱部位，其吸熱量約為總吸熱量的65-75%，而在輻射室內(nèi)約80%以上的熱量是由熱輻射來完成，其余部分是由高溫?zé)煔夂蜖t管的對流傳熱來完成，因此良好的輻射爐管布置對均勻地吸收輻射熱量是非常重要的。單排管雙面輻射與單排管單面輻射（加反射）比起來，其最大的優(yōu)點(diǎn)是熱流沿爐管圓周分布均勻，因而其輻射管表面熱強(qiáng)度是單面輻射的1.5倍。換句話說，輻射管的總長度可縮短33%，即停留時(shí)間縮短33%。這對要求油料在427℃按照輻射室形狀劃分，焦化加熱爐可分為立式爐、箱式爐和階梯爐三種爐型；按照輻射管受熱方式劃分，焦化加熱爐可分為單面輻射爐和雙面輻射爐兩種；按照輻射室內(nèi)爐膛數(shù)量劃分又可分為單室爐、雙室爐及多室爐。如果將以上不同劃分方式產(chǎn)生的爐型進(jìn)行組合即可得出多種可供選擇的爐型。在焦化裝置循環(huán)比為0.2～0.4范圍內(nèi)，焦化加熱爐可根據(jù)裝置處理量的大小選擇管程數(shù)及爐膛數(shù)量，推薦設(shè)計(jì)爐型見表1。表1、焦化加熱爐推薦爐型焦化裝置處理量，萬噸/年<3030-6060-120單面輻射爐單室2管程水平管立式爐單室2管程水平管立式爐雙室4管程水平管箱式爐雙面輻射爐單室1管程水平管立式爐單室1管程水平管階梯爐單室2管程水平管箱式爐雙室2管程水平管箱式爐雙室2管程水平管階梯爐4室4管程水平管箱式爐4室4管程水平管階梯爐圖1、雙管程單面輻射水平管立式爐圖2、四管程單面輻射水平管箱式爐圖3、雙室四管程箱式爐圖4、四室四管程階梯爐（單階梯）圖5、三室六管程箱式爐圖6、六室六管程階梯爐（單階梯）國內(nèi)目前大多數(shù)焦化爐均為單面輻射爐，一般均采用單室2管程水平管立式爐爐型（圖1），如果裝置處理量達(dá)到80萬噸/年以上，還可采用雙室4管程水平管箱式爐爐型（圖2）。單面輻射爐的爐管靠爐墻布置，燃燒器位于爐膛中間，火焰及熱煙氣對爐管呈單面輻射傳熱方式。由于國內(nèi)焦化工藝換熱流程的原因，國內(nèi)此種焦化爐除輻射室布置焦化工藝介質(zhì)外，一般還在對流室布置減壓渣油預(yù)熱段、過熱蒸汽段和注水段，表1為國內(nèi)幾家煉油廠單面輻射爐的主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。表1、典型單面輻射爐的主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)ABCD爐型水平管立式水平管立式水平管立式水平管立式加熱爐處理量萬噸/年30405060操作循環(huán)比0.40.40.40.2全爐熱負(fù)荷MW~13~15~23~18工藝介質(zhì)流量kg/hr(注)52500700008750090000工藝介質(zhì)進(jìn)出爐溫度?C370/500380/500350/500380/500對流減壓渣油流量kg/hr37500500006250075000對流減壓渣油進(jìn)出爐溫度?C170/340170/340180/330280/330輻射室工藝介質(zhì)爐管規(guī)格Ф102x8Ф127x10Ф127x10Ф127x10爐管根數(shù)80767472爐管材質(zhì)Cr5MoCr5MoCr5MoCr5Mo管程數(shù)2222對流室工藝介質(zhì)爐管規(guī)格--Ф127x10Ф127x10爐管根數(shù)--616爐管材質(zhì)--Cr5MoCr5Mo管程數(shù)--22減壓渣油爐管規(guī)格Ф114x8Ф127x10Ф152x10Ф152x10爐管根數(shù)72967632爐管材質(zhì)Cr5MoCr5MoCr5MoCr5Mo管程數(shù)1211過熱蒸汽爐管規(guī)格Ф114x8Ф127x10Ф152x8Ф89x8爐管根數(shù)6866爐管材質(zhì)20#20#20#20#管程數(shù)1113注水爐管規(guī)格Ф89x6Ф60x6Ф89x6Ф89x8爐管根數(shù)8014068100爐管材質(zhì)20#18-820#20#管程數(shù)2222燃燒器數(shù)量（臺）16162626輻射管內(nèi)質(zhì)量流速kg/m2-s1255108113521390輻射管平均熱強(qiáng)度W/m227000~3300027000~3300027000~3300027000~33000設(shè)計(jì)熱效率,η%90909090注：工藝介質(zhì)為減壓渣油和循環(huán)油的混合物單面輻射爐均采用固定在側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)上的鑄造管架來支撐輻射爐管（見圖7），輻射室管架材質(zhì)一般為ZG35Cr25Ni12，對流室中間管板可根據(jù)煙氣溫度的高低可分別選用ZG40Cr25Ni20、ZG35Cr25Ni12或RQTSi-5.0鑄造管板。輻射室管架及對流室中間管板的支撐間距一般不大于35倍管外徑。單面輻射爐的輻射室和對流室均設(shè)置兩端管板及彎頭箱，連接爐管的鑄造回彎頭或急彎彎管位于彎頭箱內(nèi)，由于鑄造回彎頭容易在堵頭處發(fā)生泄露，為減輕維護(hù)工作量，國內(nèi)已有多家煉油廠將鑄造回彎頭改成了急彎彎管，目前新設(shè)計(jì)的單面輻射爐除在個(gè)別位置采用鑄造回彎頭外，其余爐管之間連接均已采用急彎彎管。圖7、單面輻射爐用輻射管架由于單面輻射爐爐管數(shù)量較多，爐膛高度一般均在8~9米，因此單臺燃燒器發(fā)熱量多在1.0~1.2MW，火焰長度一般應(yīng)控制在2~3雙面輻射爐的爐管布置在爐膛中間，管排兩側(cè)布置燃燒器，火焰及熱煙氣對爐管呈雙面輻射傳熱方式。據(jù)資料顯示，美國雙面輻射焦化爐的設(shè)計(jì)始于1994年，從那時(shí)開始，美國新建的延遲焦化裝置有90%以上均采用雙面輻射焦化爐。國內(nèi)第一臺具有國際先進(jìn)水平的雙面輻射焦化爐于1999年底在上海石化股份有限公司建成并順利投產(chǎn)，并且在2001年2月成功地實(shí)施了在線清焦操作。與常規(guī)單面輻射焦化爐相比，雙面輻射焦化爐在操作周期及操作費(fèi)用等方面有著顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。雙面輻射焦化爐爐型基本分為兩種，一種為箱式爐，一種為階梯爐，兩種爐型均在爐頂設(shè)置一個(gè)或多個(gè)對流室（圖3-6）。由于輻射管架設(shè)置在爐膛中間，為避免產(chǎn)生過大的熱膨脹量，雙面輻射焦化爐爐膛高度不易過大，一般在5~6米以下為宜，因此導(dǎo)致爐膛長度方向尺寸較大，燃燒器數(shù)量較多、燃燒器發(fā)熱量較小。多室箱式爐采用垂直向上底燒式燃燒器，為保證爐膛溫度分布的均勻性，燃燒器火焰高度一般應(yīng)達(dá)到爐膛高度的1/3雙面輻射焦化爐輻射管內(nèi)介質(zhì)一般采用自上向下流動(dòng)方式，但也有關(guān)于采用自下向上流動(dòng)方式的報(bào)道。與常規(guī)單面輻射焦化爐不同，雙面輻射焦化爐輻射管之間一般采用急彎彎管連接，并且布置在爐膛內(nèi)部而不設(shè)置彎頭箱。雙面輻射爐采用固定在爐頂或爐底鋼結(jié)構(gòu)上的管架（見圖8）來支撐輻射爐管（即懸吊式結(jié)構(gòu)或下支撐式結(jié)構(gòu)），輻射室中間管架材質(zhì)一般為ZG40Cr25Ni20或離心澆注管HP40Nb，對流室中間管板可根據(jù)煙氣溫度的高低可分別選用ZG40Cr25Ni20、ZG35Cr25Ni12或RQTSi-5.0鑄造管板。輻射室中間管架及對流室中間管板的支撐間距一般不大于35倍管外徑。表2為國內(nèi)幾家煉油廠雙面輻射爐的主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：（一）離心澆注管型（二）靜態(tài)鑄造型圖8、雙面輻射爐用輻射管架表2、國內(nèi)典型雙面輻射爐的主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)ABCD爐型4室水平管箱式4室水平管箱式2室水平管箱式6室水平管箱式加熱爐處理量萬噸/年10014050160操作循環(huán)比0.350.20.40.25全爐熱負(fù)荷MW33.8846.6716.6449.95工藝介質(zhì)流量kg/hr16875021000087500250000工藝介質(zhì)進(jìn)出爐溫度?C327/500317/500340/500300/500輻射室工藝介質(zhì)爐管規(guī)格Ф114.3x8.56Ф127x12Ф114.3x8.56Ф114.3x9.8爐管根數(shù)969648144爐管材質(zhì)Cr9MoCr9MoCr9MoCr9Mo管程數(shù)4426對流室工藝介質(zhì)爐管規(guī)格Ф114.3x8.56Ф127x10Ф114.3x8.56Ф114.3x9.8爐管根數(shù)727236132爐管材質(zhì)Cr9MoCr9MoCr9MoCr9Mo管程數(shù)4426輻射管內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量流速kg/m2-s1580162216381643輻射管平均熱強(qiáng)度W/m242000~5200038000~48600039000~4900035000~45000燃燒器數(shù)量(臺）9612848144設(shè)計(jì)熱效率91.591.591.590.52、設(shè)計(jì)參數(shù)選擇傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是在爐型和管程數(shù)確定以后，按表3選取合適的輻射管平均熱強(qiáng)度、管內(nèi)質(zhì)量流速，根據(jù)輻射室熱負(fù)荷確定輻射管規(guī)格及排管面積（見式1和式2）。----1----2----1----2上二式中：qR—輻射管平均熱強(qiáng)度W/m2QR—輻射室熱負(fù)荷MWAR—輻射排管面積m2GF—輻射管內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量流速kg/m2.sWF—輻射室工藝介質(zhì)流量kg/sDI—輻射管內(nèi)徑MR—輻射室管程數(shù)表3、輻射管平均熱強(qiáng)度及管內(nèi)質(zhì)量流速的設(shè)計(jì)范圍爐型輻射管平均熱強(qiáng)度W/m2管內(nèi)質(zhì)量流速kg/m2.s單面輻射爐28000—310001200—1800雙面輻射爐42000—465001200—1800實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，對于某一種固定的油品來說，影響焦化爐管內(nèi)結(jié)焦速率的關(guān)鍵參數(shù)為管內(nèi)最高油膜溫度和油品在管內(nèi)的停留時(shí)間。管內(nèi)最高油膜溫度越低、油品（＞426℃盡管增大注汽量對縮短停留時(shí)間會起到明顯的作用，然而其副作用是增大了加熱爐熱負(fù)荷、燃料消耗、蒸汽消耗及管內(nèi)壓降，并且會對下游設(shè)備造成不利的影響。另外隨著注汽量的增加，爐出口至焦碳塔管線壓降增加，提高了爐出口及整個(gè)爐管內(nèi)壓力，不利于管內(nèi)油膜因汽化而發(fā)生破裂，反而會加劇管內(nèi)結(jié)焦現(xiàn)象，因此注汽量必須控制在一定范圍之內(nèi)，一般設(shè)計(jì)注汽量為工藝介質(zhì)流量的1～3%，但循環(huán)比增加，則注汽量可減少。隨著實(shí)驗(yàn)研究的不斷深入及計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)，采用專用計(jì)算軟件對焦化爐進(jìn)行全面模擬計(jì)算已成功得以實(shí)現(xiàn)。在已知油品性質(zhì)的前提下，采用該方法對焦化爐管內(nèi)管外進(jìn)行詳細(xì)分區(qū)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可給出管外分區(qū)火焰溫度、煙氣溫度、管壁熱強(qiáng)度及管內(nèi)逐段介質(zhì)溫度、壓力、汽化率、停留時(shí)間、管內(nèi)油膜溫度、管壁溫度、熱轉(zhuǎn)化率，并且可以預(yù)測不同操作時(shí)間后管內(nèi)結(jié)焦厚度。通過調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)（如爐膛尺寸、輻射管規(guī)格、數(shù)量和布置、燃燒器布置、注汽點(diǎn)位置及注汽量等）即可得出不同設(shè)計(jì)方案下計(jì)算結(jié)果，通過對計(jì)算結(jié)果的對比和優(yōu)選可以得出最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。3、爐管3.1爐管材料焦化爐管選材主要考慮管壁溫度、管內(nèi)介質(zhì)腐蝕和鋼材高溫強(qiáng)度等三個(gè)方面的問題。國內(nèi)目前多數(shù)焦化爐爐管材料為Cr5Mo(A335P5)，但當(dāng)爐出口介質(zhì)溫度高達(dá)500°C，管內(nèi)結(jié)焦達(dá)到一定厚度時(shí)，爐內(nèi)最高管壁溫度可達(dá)600°C以上，甚至超過氧化速率迅速上升的拐點(diǎn)溫度，即抗氧化極限溫度。由于Cr5Mo材質(zhì)爐管的最高使用溫度為600°C，抗氧化極限溫為650℃，因此采用Cr5Mo材質(zhì)爐管的焦化爐多存在高溫區(qū)爐管嚴(yán)重氧化爆皮的現(xiàn)象，須定期更換，從而影響了焦化爐的長周期操作。國外延遲焦化爐均采用Cr9Mo(A335P9)爐管，國內(nèi)目前各煉廠的焦化爐設(shè)計(jì)已相繼采用Cr9Mo爐管。由于Cr9Mo材質(zhì)爐管的最高使用溫度可達(dá)爐管選材的另一個(gè)重要依據(jù)是管內(nèi)介質(zhì)的腐蝕。在含硫原料油中，Cr5Mo的腐蝕速率約為Cr9Mo的2.5～3倍。近年來，焦化原料油的硫含量越來越高，這也是新設(shè)計(jì)的焦化爐多選用Cr9Mo作爐管，而很少選用Cr5Mo的原因之一。另外，在一些特殊情況下，例如，克拉瑪依、遼河和蘇丹的超稠油原油直接焦化，由于稠油中酸值太高，焦化爐爐管材質(zhì)用到了ASTMA312的TP316或TP316L。在Cr9Mo的基礎(chǔ)上增加釩（即ASTMA335P91），強(qiáng)度可提高一倍左右，但加釩后焊接性能較差。這種鋼材國內(nèi)目前尚無成熟的使用經(jīng)驗(yàn)。另外，在Cr5Mo管和焊縫的內(nèi)外表面滲鋁，可提高Cr5Mo抗硫腐蝕和抗氧化的能力，但總的費(fèi)用不一定比Cr9Mo低，因此也難推廣。焦化爐出口溫度是一般煉油裝置加熱爐中較高的，高達(dá)500℃表4、焦化爐管材質(zhì)性能比較項(xiàng)目P5(Cr5Mo)P9(Cr9Mo)P91TP316L最高使用溫度℃600650815抗氧化極限溫℃650705850-900極限設(shè)計(jì)金屬溫度℃650705650815100000h許用應(yīng)力MPa550425113575600232680706501313355570031370-400腐蝕速率mm/aS=0.6%0.410.150.013S=2.0%0.660.240.02S≤0.2%TAN=1.6-2.0mg/g1.140.380.38S=0.6-1%TAN＞4mg/g1.020.250.250.13S=2-3%TAN＞6mg/g＞1.8＞0.76＞0.760.253.2爐管尺寸被加熱介質(zhì)的溫度在爐管截面上的分布是不均勻的。煙氣的熱量通過輻射和對流方式傳給爐管，在爐管管壁內(nèi)和靠近管壁的油膜內(nèi)，熱量以傳導(dǎo)方式傳遞，由于油膜的熱導(dǎo)率很小，故其熱阻很大，油膜溫差也很大。從油膜到湍流主體之間，還存在一個(gè)溫度逐步連續(xù)變化的過渡區(qū)。在湍流中心區(qū)傳熱方式以對流為主，由于各部分互相混合得很激烈，各點(diǎn)之間的介質(zhì)溫差很小。通過實(shí)驗(yàn)而整理出的半經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)數(shù)公式表明，管徑越大，油膜傳熱系數(shù)越小，亦即油膜溫差越大。正如前面所述，焦化原料油極易裂解，被加熱的溫度也很高，因此，焦化爐爐管直徑不宜過大，以避免過大的油膜溫差。另外，由于焦化爐管內(nèi)結(jié)焦是不可避免的，因此，焦化爐管直徑又不宜過小，以避免過大的壓降或被結(jié)焦堵死。目前工程上常用的焦化爐管直徑，除處理量很小的針焦焦化爐用較小的管徑外，一般用φ102～φ127的中檔管徑。4、燃燒器選型及布置燃燒器類型及性能對焦化爐操作的好壞有著極其重要的作用。為滿足爐管表面熱強(qiáng)度及煙氣溫度沿爐膛高度方向上分布的均勻性，其火焰高度應(yīng)在爐膛高度的1/3為宜。為滿足爐管表面熱強(qiáng)度及煙氣溫度沿爐管長度方向上分布的均勻性，采用小能量的扁平火焰的氣體燃燒器較為合適。同其他加熱爐一樣，焦化爐也要求燃燒器的火焰穩(wěn)定而不飄散，燃燒器的布置應(yīng)與爐管及爐墻保持足夠的距離，以避免火焰直接沖擊爐管和爐墻，但間距過大將造成設(shè)備占地面積及投資增加，因此應(yīng)根據(jù)燃燒器發(fā)熱量按照有關(guān)規(guī)范合理選取。下表為《一般煉油裝置用火焰加熱爐》（SH/T3036-2003）中對自然通風(fēng)氣體燃燒器安裝尺寸的要求。表5、自然通風(fēng)氣體燃燒器安裝尺寸的要求每臺燃燒器最大放熱量MW最小間距ABCD燃燒器至頂部爐管中心或耐火材料的垂直距離(僅對于垂直燃燒)，m燃燒器中心至靠墻爐管中心的水平距離，m燃燒器中心至無遮蔽耐火材料的水平距離，m對燒燃燒器間的水平距離(水平安裝時(shí))，m0.52.60.60.43.41.03.60.70.64.91.54.60.80.76.52.05.61.00.88.12.56.71.11.09.63.07.71.21.111.1注1：水平安裝的燃燒器，燃燒器中心線與頂部爐管中心或耐火材料間的距離應(yīng)比B列的數(shù)據(jù)大50%。注2：對于普通的氣體燃燒器（非LOW-NOX），間距可減?。罕颈鞟列的數(shù)據(jù)乘0.77的系數(shù)；本表D列的數(shù)據(jù)乘0.67的系數(shù)。注3：表中所列數(shù)據(jù)的中間值，可用內(nèi)插法查出。隨著國內(nèi)環(huán)保意識及有關(guān)法律法規(guī)的加強(qiáng)，對煙氣中氧化氮含量的限制也將更為嚴(yán)格，低氧化氮燃燒器將逐步占踞主導(dǎo)地位。圖9為一典型的雙面輻射焦化加熱爐用的低氧化氮扁平焰氣體燃燒器，該燃燒器采用了燃料分級燃燒及煙氣自循環(huán)技術(shù)，降低了火焰區(qū)的氧濃度及火焰區(qū)燃燒溫度，從而可使煙氣中氧化氮含量降至40PPM（mol）以下。圖9、典型雙面輻射焦化加熱爐用的低氧化氮扁平焰氣體燃燒器5、余熱回收系統(tǒng)焦化加熱爐所耗燃料的能耗約占焦化裝置（不含焦化富氣壓縮和下游單元）總能耗的70％左右，可見要實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效之目標(biāo)，必須首先提高焦化加熱爐的熱效率。國內(nèi)目前所有的焦化加熱爐均設(shè)置了余熱回收系統(tǒng)，利用出對流室的煙氣來預(yù)熱燃燒空氣，降低了最終的排煙溫度，設(shè)計(jì)熱效率一般均在90%以上。余熱回收系統(tǒng)一般由空氣預(yù)熱器、風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)口及煙風(fēng)道組成，根據(jù)空氣預(yù)熱器布置位置可分為上置式和下置式兩種方案,見圖10和圖11。圖10、上置式空氣預(yù)熱器圖11、下置式空氣預(yù)熱器上置式方案將空氣預(yù)熱器設(shè)置在加熱爐對流室上部，出對流室熱煙氣直接進(jìn)入空氣預(yù)熱器與空氣換熱，一般不考慮設(shè)置旁通煙道及煙氣引風(fēng)機(jī)，冷煙氣由爐頂煙囪排入大氣，因此煙囪高度設(shè)計(jì)應(yīng)考慮克服空氣預(yù)熱器內(nèi)的煙氣阻力。由于加熱爐煙囪高度受到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，一般來說空氣預(yù)熱器內(nèi)的煙氣阻力應(yīng)小于50~60Pa，這樣必然造成空氣預(yù)熱器內(nèi)煙氣流速不能過大，管排數(shù)也不能太多，不僅使得煙氣側(cè)傳熱系數(shù)較小，空氣預(yù)熱器的吸熱量的大小也受到限制。該種方案的優(yōu)點(diǎn)是占地面積小、投資較小，缺點(diǎn)是加熱爐爐頂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空氣預(yù)熱器及附屬設(shè)備維護(hù)難度大，當(dāng)回收系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備出現(xiàn)故障須進(jìn)行維修時(shí)加熱爐必須停車，適用于小型焦化爐的熱量回收。下置式方案將空氣預(yù)熱器設(shè)置在地面，出對流室熱煙氣經(jīng)下行熱煙道進(jìn)入空氣預(yù)熱器與空氣換熱，出預(yù)熱器的冷煙氣由引風(fēng)機(jī)經(jīng)冷煙道排入爐頂煙囪或位于地面的獨(dú)立煙囪，空氣則由鼓風(fēng)機(jī)送入空氣預(yù)熱器與煙氣換熱，而后經(jīng)熱風(fēng)道至燃燒器供燃燒使用。由于空氣預(yù)熱器內(nèi)空氣及煙氣側(cè)阻力均可以由風(fēng)機(jī)來克服（一般可選擇1000~2000Pa），因此煙氣側(cè)阻力不受到煙囪抽力的限制，煙氣及空氣側(cè)均可以選擇較大的設(shè)計(jì)流速，從而強(qiáng)化了傳熱，減少了空氣預(yù)熱器的傳熱面積及設(shè)備投資，而且空氣預(yù)熱器的吸熱量也不會受到限制。該種方案的優(yōu)點(diǎn)是操作靈活，設(shè)備維修方便，焦化爐可獨(dú)立操作而不受回收系統(tǒng)限制，缺點(diǎn)是占地面積大、投資較多，適用于大型焦化爐的熱量回收。余熱回收設(shè)備的類型較多，目前較為在焦化加熱爐上廣泛采用的有熱管式和列管式空氣預(yù)熱器。由于熱管式空氣預(yù)熱器可以在煙氣側(cè)和空氣側(cè)均采用擴(kuò)大表面，從而大大提高了換熱效率，其應(yīng)用也比列管式空氣預(yù)熱器更為普遍。在燃料中含硫的情況下，確定加熱爐設(shè)計(jì)熱效率時(shí)要考慮露點(diǎn)腐蝕的問題?？桑☉?yīng)）根據(jù)燃料中硫含量確定露點(diǎn)溫度，一般應(yīng)保證尾部換熱面的最低金屬溫度比露點(diǎn)溫度高15-20℃尾部換熱面采用耐低溫露點(diǎn)腐蝕的材料，如陶瓷管或耐低溫腐蝕鋼（ND鋼）。采用熱空氣循環(huán)方案提高空氣進(jìn)空氣預(yù)熱器溫度，但該方案將增大空氣鼓風(fēng)機(jī)能量消耗。采用冷空氣旁通方案減少進(jìn)空氣預(yù)熱器空氣流量，從而提高煙氣出預(yù)熱器溫度，該方案最為簡單，但其代價(jià)是降低了加熱爐熱效率。采用其他熱源（如蒸汽）先將進(jìn)空氣預(yù)熱器的空氣預(yù)熱。以上幾種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)裝置實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化選擇。6、爐襯目前國內(nèi)焦化爐輻射室常用的爐襯材料主要有噴涂耐火纖維、纖維折疊塊、纖維層鋪毯、纖維可塑料、輕質(zhì)澆注料等，一般很少采用全磚結(jié)構(gòu)爐襯；對流室、煙道及煙囪一般均采用輕質(zhì)澆注料。噴涂耐火纖維結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是施工方便靈活，保溫性能較好，維修簡單，缺點(diǎn)是施工時(shí)粉塵含量大，對施工人員身體健康有害，且施工質(zhì)量難以控制。采用纖維折疊塊爐襯時(shí)應(yīng)保證纖維折疊塊具有一定的預(yù)壓縮量且回彈性良好，否則爐膛升溫后纖維熱收縮易產(chǎn)生縫隙，其優(yōu)點(diǎn)是施工環(huán)境較好，基本上無施工損耗，保溫性能較好，但施工精度要求較高。纖維層鋪毯結(jié)構(gòu)由于錨固件直接暴露在高溫?zé)煔庵?，受熱變形或氧化后易脫落，且施工?fù)雜，已很少采用。纖維可塑料結(jié)構(gòu)施工簡單，可采用手工涂抹或支模方式施工，施工環(huán)境較好，施工損耗也相應(yīng)較少，爐襯強(qiáng)度較高，不宜損壞，但其缺點(diǎn)是熱容量及導(dǎo)熱系數(shù)較上述三種材料略高。輕質(zhì)澆注料的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)最大，但其強(qiáng)度好，施工簡單。上述各種爐襯材料均有不同特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)燃料性質(zhì)等實(shí)際情況綜合評價(jià)后進(jìn)行選擇。輻射室采用纖維結(jié)構(gòu)爐襯可有效地減少散熱損失、降低爐外壁溫度，但應(yīng)考慮采取適當(dāng)?shù)姆乐沟蜏芈饵c(diǎn)腐蝕措施，以避免因保溫釘發(fā)生腐蝕造成爐襯脫落事故。根據(jù)最新API-560規(guī)范規(guī)定，采用纖維類結(jié)構(gòu)爐襯，當(dāng)燃料中硫含量超過10mg/kg時(shí)，應(yīng)在爐內(nèi)壁板及保溫釘根部刷涂一層防低溫腐蝕涂料；當(dāng)燃料中硫含量超過500mg/kg時(shí)，應(yīng)在爐襯內(nèi)部至少高于露點(diǎn)溫度55℃近年來隨著對低溫露點(diǎn)腐蝕的日益關(guān)注，采用輕質(zhì)澆注料和纖維類復(fù)合爐襯成為一種更為人們青睞的選擇方案。該方案背襯層采用80-100毫米厚的輕質(zhì)澆注料，可有效地阻隔煙氣向爐壁板滲透，熱面層采用約100毫米厚的纖維襯里，這樣既可降低爐襯造價(jià)、避免露點(diǎn)腐蝕問題，又可達(dá)到降低爐外壁溫度減少散熱損失的目的。由于該種爐襯形式使用時(shí)間尚短，其使用效果還需要進(jìn)一步考察。對于有在線清焦操作的焦化爐來說，為實(shí)現(xiàn)爐膛溫度的快速升降，宜采用熱容量較低的纖維類爐襯材料。7、多點(diǎn)注汽往加熱爐管內(nèi)注汽（或凝結(jié)水）可增加管內(nèi)介質(zhì)流速，降低停留時(shí)間，尤其是可降低該介質(zhì)裂解溫度以上段停留時(shí)間。另外，可提高管內(nèi)已生軟焦脫離速度，由于這二個(gè)原因，提高了加熱爐運(yùn)行時(shí)間。特別在此要強(qiáng)調(diào)的是采用多點(diǎn)注汽比僅爐入口單點(diǎn)注汽要好。主要反映在：－在同等注汽量下，多點(diǎn)注氣的介質(zhì)流經(jīng)爐管的壓力降小，從而可以降低爐入口壓力，也就降低了加熱爐進(jìn)料泵的軸功率。－可以經(jīng)模擬計(jì)算后，在介質(zhì)面臨峰值熱強(qiáng)度的部位注汽，提高該部位流速，從而可降低油膜厚度和溫度，強(qiáng)化了管內(nèi)傳熱。－由于分段注汽，便于分段調(diào)節(jié)注汽量，由于注汽量相對減少，使管內(nèi)油品氣相中烴分壓增加，緩和了液相油品的特性因數(shù)沿爐管加熱升溫而變小的趨勢，這種現(xiàn)象有利于減緩油膜層生焦速率。國外焦化加熱爐設(shè)計(jì)幾乎都采用多點(diǎn)注汽，并且注入量比國內(nèi)設(shè)計(jì)低，注汽點(diǎn)位置選擇及注汽量的大小對焦化爐的操作是十分重要的，必須采用專業(yè)軟件經(jīng)多次優(yōu)化核算后確定。8、加熱爐進(jìn)料和燃燒系統(tǒng)聯(lián)鎖控制為了保證焦化加熱爐的安全、可靠地長周期運(yùn)行，在加熱爐區(qū)的工藝控制設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮加熱爐每程進(jìn)料量和燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)聯(lián)鎖控制。加熱爐每一路進(jìn)料都設(shè)有流量指示記錄和遙控調(diào)節(jié)閥。保證在任何時(shí)間每一路有流量，其流量值大于低限（低）值，即FSLL值。當(dāng)流量降到FSL值時(shí)報(bào)警，若進(jìn)一步降到FSLL值，ESD邏輯系統(tǒng)信號進(jìn)入BMS邏輯系統(tǒng)中，執(zhí)行BMS邏輯程序，自動(dòng)切斷主燃燒器燃料，加熱爐熄火。緊接著手動(dòng)遙控停加熱爐進(jìn)料泵、注水泵，繼而，往爐管內(nèi)通入吹掃蒸汽，以免爐管內(nèi)介質(zhì)滯留結(jié)焦。采用空氣燃料比例調(diào)節(jié)技術(shù)可最大程度降低過剩空氣系數(shù)以達(dá)到提高熱效率降低燃料消耗的目的。設(shè)計(jì)時(shí)可分別對燃料管線和空氣管道設(shè)置流量計(jì)，根據(jù)燃料組成可計(jì)算出理論空氣用量，從而可設(shè)定實(shí)際的空氣與燃料比例。另外，自動(dòng)快開風(fēng)門及相應(yīng)的報(bào)警連鎖設(shè)置對焦化爐操作的安全性是極其重要的。在鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)或余熱回收設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)打開自動(dòng)快開風(fēng)門及煙囪密封擋板，焦化爐可實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)操作而不影響裝置的正常生產(chǎn)。焦化加熱爐的操作1、工藝介質(zhì)流量、溫度及管壁溫度的監(jiān)測及控制加熱爐操作中應(yīng)盡量保持各管程中工藝介質(zhì)流量、注水或注汽量相同，避免出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，否則極易造成管內(nèi)結(jié)焦。操作中可通過各管程流量計(jì)指示，或在各管程燃燒器發(fā)熱量相同時(shí)的管壁溫度指示來監(jiān)測兩管程流量的均衡，管壁溫度偏高的一側(cè)流量偏小。 應(yīng)嚴(yán)格控制輻射室工藝介質(zhì)出爐溫度，嚴(yán)禁超溫操作。輻射盤管設(shè)置的管壁熱電偶應(yīng)連續(xù)監(jiān)測并記錄管壁溫度，如出現(xiàn)管壁溫度突然升高的情況，應(yīng)立刻檢查燃燒器燃燒狀況及工藝介質(zhì)流量、注汽量、工藝介質(zhì)出爐溫度等操作參數(shù)是否正常，并及時(shí)調(diào)整操作。2、燃燒器操作燃燒器點(diǎn)火前應(yīng)采用鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)或打開滅火蒸汽對爐膛進(jìn)行吹掃，吹掃時(shí)間不小于15分鐘。在對爐膛內(nèi)氣體進(jìn)行檢測并確認(rèn)可燃及爆炸氣體含量指標(biāo)符合要求后方可進(jìn)行燃燒器點(diǎn)火，燃燒器點(diǎn)火程序應(yīng)嚴(yán)格按照安全操作規(guī)程及燃燒器制造廠提供的操作說明進(jìn)行。燃燒器操作的好壞對焦化爐長周期安全運(yùn)行有著決定性的影響，正常操作時(shí)應(yīng)點(diǎn)燃所有燃燒器，并盡量保證每個(gè)燃燒器具有相同的發(fā)熱量，從外觀上看火焰高度、顏色等應(yīng)保持一致，并且應(yīng)保證火焰形狀穩(wěn)定、不發(fā)飄，正常操作時(shí)火焰長度應(yīng)控制在爐膛高度的1/3左右，嚴(yán)禁火焰沖擊爐管。3.過?？諝饪刂萍訜釥t是靠燃料燃燒供給熱量的，在工業(yè)爐中，燃料不可能在化學(xué)平衡的空氣量（理論空氣量）下完全燃燒的，總是要在有一定過?？諝饬康臈l件下才能完全燃燒。燃燒所用實(shí)際空氣量與理論空氣量之比叫做過?？諝庀禂?shù)α。一般煉油加熱爐正常的過?？諝庀禂?shù)在燒氣時(shí)為α=1.05-1.15，燒油時(shí)為α=1.15-1.25。在實(shí)際操作中，如果過?？諝饬吭黾?，排煙時(shí)大量的過?？諝鈱崃繋ё吲湃氪髿猓古艧煋p失增加，熱效率降低。由于過剩的空氣是在排煙溫度下排入大氣的，所以排煙溫度越高，過?？諝鈳ё叩臒崃烤驮蕉啵瑢嵝实挠绊懸簿驮酱?。圖12表示在不同排煙溫度下，過?？諝庀禂?shù)α每增加0.1對熱效率下降值的影響。由此可見，降低過?？諝庀禂?shù)可以有效地減少排煙損失，提高熱效率。降低過剩空氣系數(shù)的辦法很多。首先是要選用性能良好的燃燒器，保證在較低的過?？諝庀禂?shù)下完全燃燒；其次是在操作過程中管好三門一板（風(fēng)門、氣門、油門和煙囪擋板），確保管式爐在合理的過剩空氣系數(shù)下運(yùn)轉(zhuǎn)，既不讓過?？諝饬刻?，也不因過?？諝獠粔蚨霈F(xiàn)不完全燃燒；再者是應(yīng)做好管式爐的堵漏，因?yàn)闊捰凸苁綘t幾乎都是負(fù)壓操作的，如果看火門、人孔門、彎頭箱門等關(guān)閉不嚴(yán)或爐墻有泄漏之處，從這些地方漏入爐內(nèi)的空氣一般都不參與燃燒而白白帶走熱量。圖12過?？諝庀禂?shù)對熱效率的影響國內(nèi)目前焦化爐一般均在輻射室出口設(shè)置氧化鋯以監(jiān)測加熱爐過?？諝饬俊Ｕ２僮鲿r(shí)，氧化鋯指示的氧含量應(yīng)控制在3-4%之間。未投用余熱回收系統(tǒng)時(shí)，爐底氣動(dòng)風(fēng)門應(yīng)打開，通過調(diào)節(jié)每個(gè)燃燒器的進(jìn)風(fēng)口處蝶閥調(diào)節(jié)空氣用量以控制煙氣中氧含量。投用余熱回收系統(tǒng)后，爐底氣動(dòng)風(fēng)門應(yīng)處于全關(guān)位置，每個(gè)燃燒器的進(jìn)風(fēng)口處蝶閥及各支風(fēng)道上調(diào)節(jié)擋板應(yīng)盡量處于全開位置，其作用為各爐膛及各燃燒器進(jìn)風(fēng)量的微調(diào)，由空氣鼓風(fēng)機(jī)入口擋板開度或鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制煙氣中氧含量，這樣可保證所有風(fēng)道及空氣預(yù)熱器內(nèi)的空氣正壓均達(dá)到最小值，從而最大可能減少了空氣的泄露量，減少了熱量損失。開工初期氧含量可控制在6%以內(nèi)，以便能得到較好的火焰形狀，操作正常后應(yīng)緩慢降低到3%左右。對于對流室加熱減壓渣油的焦化爐，過剩空氣系數(shù)的大小對減壓渣油出對流室溫度還有著不利的影響。表6為某廠焦化加熱爐在設(shè)計(jì)工況下不同過?？諝庀禂?shù)的計(jì)算數(shù)據(jù)：表6、過?？諝庀禂?shù)對熱效率、減壓渣油出對流室溫度的影響過?？諝庀禂?shù)煙氣中氧含量MOL%對流減渣出爐溫度℃對流減渣吸熱量MW計(jì)算熱效率%1.152.503286.1391.11.253.863396.7690.21.355.023507.4089.31.456.043618.0588.3由上表可以看出，過剩空氣系數(shù)增加將導(dǎo)致對流減渣出爐溫度升高、加熱爐熱效率下降，加熱爐燃料消耗增加。當(dāng)過?？諝庀禂?shù)超過1.45時(shí)，對流減渣出爐溫度將大大高于設(shè)計(jì)值，嚴(yán)重時(shí)可造成對流管管內(nèi)結(jié)焦，影響裝置正常生產(chǎn)。另外在較大的過?？諝庀禂?shù)下操作還可造成煙氣中氧含量增加，從而加速爐管表面氧化爆皮，縮短爐管使用壽命。氧含量偏高時(shí)還使得煙氣中二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫的速度加快，在較低溫度下三氧化硫和煙氣中冷凝水生成硫酸，造成設(shè)備低溫部位的露點(diǎn)腐蝕。氧含量偏高時(shí)還使得煙氣中氧化氮生成量增加，使得加熱爐排放的有害污染物增加?；谝陨戏N種原因，加熱爐采用大的過剩空氣系數(shù)操作是有百害而無一利的，操作中應(yīng)嚴(yán)格控制過?？諝饬?。4.爐膛負(fù)壓控制正常操作時(shí)應(yīng)將爐膛負(fù)壓（輻射室出口煙氣壓力）控制在-20Pa左右。未投用余熱回收系統(tǒng)時(shí)，可通過煙囪調(diào)節(jié)擋板開度控制該壓力，煙囪密封擋板此時(shí)為全開狀態(tài)，煙氣由煙囪直接放空。投用余熱回收系統(tǒng)后，煙囪密封擋板處于全關(guān)位置，煙囪調(diào)節(jié)擋板應(yīng)盡量處于全開位置，由煙氣引風(fēng)機(jī)入口擋板開度或引風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制爐膛負(fù)壓，煙囪調(diào)節(jié)擋板僅用于輻射室負(fù)壓的微調(diào)，這樣可保證所有煙道及空氣預(yù)熱器內(nèi)的煙氣負(fù)壓的絕對值均達(dá)到最小值，從而最大可能減少了空氣泄露到煙氣中，減少了熱量損失。開工初期爐膛負(fù)壓可控制在-60Pa以內(nèi)，以便能得到較好的火焰形狀，操作正常后應(yīng)緩慢降低到-20Pa左右，以減少爐膛的漏風(fēng)量。5、減少不完全燃燒損失在排煙損失中，除了前面所述煙氣的物理熱損失之外，還有由于不完全燃燒而造成的化學(xué)熱損失。不完全燃燒除造成熱損失，降低熱效率外，還造成大氣污染。機(jī)械不完全燃燒產(chǎn)生的炭粒還會造成對流室爐管表面積灰，影響傳熱效果。減少不完全燃燒損失的措施首先是選用性能良好的燃燒器，并及時(shí)的和定期的維護(hù)，使燃燒器長期保持在良好狀態(tài)下運(yùn)行，以保證在正常操作范圍內(nèi)能完全燃燒。其次是在操作中精心調(diào)節(jié)“三門一板”，以保證過剩空氣量既不太多，也不太少。煉油加熱爐的燃燒器性能一般都較好，自動(dòng)化控制水平也較高，因此不完全燃燒都較少。在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中通常都不考慮不完全燃燒損失。但對那些性能不良或維護(hù)不及時(shí)運(yùn)行狀況不好的燃燒器，以及操作管理不精心的爐子來說，不完全燃燒損失則是不可忽略的。6、減少散熱損失加熱爐外壁以輻射和對流兩種方式向大氣散熱。散熱量與爐外壁溫度、環(huán)境溫度和風(fēng)速等有關(guān)。當(dāng)內(nèi)壁溫度一定，爐墻材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和尺寸已一定時(shí)，環(huán)境溫度下降，爐外壁溫度也降低，實(shí)際溫差變化不大，散熱損失變化也不大。同樣，環(huán)境風(fēng)速增加，外壁溫度也降低，但對流傳熱系數(shù)增加，因此散熱量變化也不大。也就是說，環(huán)境溫度和風(fēng)速對爐外壁溫度影響較大，而對散熱損失雖然有影響，但是影響并不大。新建的煉油管式爐的散熱損失并不大，一般僅占爐子總供熱量的1.5-3%。因此靠減少散熱損失來提高熱效率的余地并不大。但對于已經(jīng)使用多年，爐墻己有損壞的爐子，及時(shí)修補(bǔ)爐墻對減少散熱損失，提高熱效率卻是很有必要的。7、減少煙囪密