魏学军：焦化加热炉设计与操作

焦化加热炉的与操作一、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91一、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92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<3030-6060-120量，万吨/年单室2管程水单室2管程水平管双室4管程水平管箱单面辐射炉平管立式炉立式炉式炉单室1管程水单室2管程水平管4室4管程水平管箱双面辐射炉平管立式炉箱式炉式炉单室1管程水双室2管程水平管4室4管程水平管阶平管阶梯炉箱式炉梯炉双室2管程水平管阶梯炉93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）94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95（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ABCD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30405060操作循环比0.40.40.40.2全炉热负荷MW~13~15~23~18工艺介质流量kg/hr(注)52500700008750090000工艺介质进出炉温度˚C370/500380/500350/500380/500对流减压渣油流量kg/hr37500500006250075000对流减压渣油进出炉温度˚C170/340170/340180/330280/330工炉管规格Ф102x8Ф127x10Ф127x10Ф127x10辐艺炉管根数80767472射介炉管材质Cr5MoCr5MoCr5MoCr5Mo室质管程数2222工炉管规格--Ф127x10Ф127x10艺炉管根数--616介炉管材质--Cr5MoCr5Mo质管程数--22减炉管规格Ф114x8Ф127x10Ф152x10Ф152x10压炉管根数72967632渣炉管材质Cr5MoCr5MoCr5MoCr5Mo对油管程数1211流过炉管规格Ф114x8Ф127x10Ф152x8Ф89x8室热炉管根数6866蒸炉管材质20#20#20#20#汽管程数1113炉管规格Ф89x6Ф60x6Ф89x6Ф89x8注炉管根数8014068100水炉管材质20#18-820#20#管程数2222燃烧器数量（台）16162626辐射管内质量流速kg/m2-s1255108113521390辐射管平均热强度W/m227000~3300027000~3300027000~3300027000~33000设计热效率,η%90909090注：工艺介质为减压渣油和循环油的混合物96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97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98表2、国内典型双面辐射炉的主要设计数据ABCD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10014050160操作循环比0.350.20.40.25全炉热负荷MW33.8846.6716.6449.95工艺介质流量kg/hr16875021000087500250000工艺介质进出炉温度˚C327/500317/500340/500300/500辐工炉管规格Ф114.3x8.56Ф127x12Ф114.3x8.56Ф114.3x9.8射艺炉管根数969648144室介炉管材质Cr9MoCr9MoCr9MoCr9Mo质管程数4426对工炉管规格Ф114.3x8.56Ф127x10Ф114.3x8.56Ф114.3x9.8流艺炉管根数727236132室介炉管材质Cr9MoCr9MoCr9MoCr9Mo质管程数4426辐射管内介质质量流速1580162216381643kg/m2-s辐射管平均热强度W/m242000~5200038000~48600039000~4900035000~45000燃烧器数量(台）9612848144设计热效率91.591.591.590.52、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）。QqRRAR----1WGFFD2M----24iR上二式中：q—辐射管平均热强度W/m2RQ—辐射室热负荷MWRA—辐射排管面积m2RG—辐射管内介质质量流速kg/m2.sFW—辐射室工艺介质流量kg/sF99D—辐射管内径IM—辐射室管程数R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—310001200—1800双面辐射炉42000—465001200—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910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P5P9P91项目TP316L(Cr5Mo)(Cr9Mo)最高使用温度℃600650815抗氧化极限温℃650705850-900极限设计金属温度℃650705650815100000h550℃425113575许用应力600℃23268070MPa650℃13133555911700℃31S=0.6%0.410.150.013S=2.0%0.660.240.02S≤0.2%370-400℃1.140.380.38TAN=1.6-2.0mg/g腐蚀速率S=0.6-1%mm/a1.020.250.250.13TAN＞4mg/gS=2-3%＞1.8＞0.76＞0.760.25TAN＞6mg/g3.2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。912表5、自然通风气体燃烧器安装尺寸的要求最小间距每台燃ABCD烧器最燃烧器至顶部炉管燃烧器中心至靠墙燃烧器中心至无对烧燃烧器间大放热中心或耐火材料的炉管中心的水平距遮蔽耐火材料的的水平距离(水量MW垂直距离(仅对于垂离，m水平距离，m平安装时)，m直燃烧)，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9135、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，914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），因此烟气侧阻力不受到烟囱抽力的限制，烟气及空气侧均可以选择较大的设计流速，从而强化了传热，减少了空气预热器的传热面积及设备投资，而且空气预热器的吸热量也不会受到限制。该种方案的优点是操作灵活，设备维修方便，焦化炉可独立操作而不受回收系统限制，缺点是占地面积大、投资较多，适用于大型焦化炉的热量回收。余热回收设备的类型较多，目前较为在焦化加热炉上广泛采用的有热管式和列管式空气预热器。由于热管式空气预热器可以在烟气侧和空气侧均采用扩大表面，从而大大提高了换热效率，其应用也比列管式空气预热器更为普遍。在燃料中含硫的情况下，确定加热炉设计热效率时要考虑露点腐蚀的问题。可（应）根据燃料中硫含量确定露点温度，一般应保证尾部换热面的最低金属温度比露点温度高15-20℃为宜。避免空气预热器内发生露点腐蚀一般有如下几种措施：尾部换热面采用耐低温露点腐蚀的材料，如陶瓷管或耐低温腐蚀钢（ND钢）。采用热空气循环方案提高空气进空气预热器温度，但该方案将增大空气鼓风机能量消耗。采用冷空气旁通方案减少进空气预热器空气流量，从而提高烟气出预热器温度，该方案最为简单，但其代价是降低了加热炉热效率。采用其他热源（如蒸汽）先将进空气预热器的空气预热。以上几种方案各有优缺点，应根据装置实际情况进行优化选择。6、炉衬目前国内焦化炉辐射室常用的炉衬材料主要有喷涂耐火纤维、纤维折叠块、纤维层铺毯、纤维可塑料、轻质浇注料等，一般很少采用全砖结构炉衬；对流室、烟道及烟囱一般均采用轻质浇注料。喷涂耐火纤维结构的优点是施工方便灵活，保温性能较好，维修简单，缺点是施工时粉尘含量大，对施工人员身体健康有害，且施工质量难以控制。采用纤维折叠块炉衬时应保证纤维折叠块具有一定的预压缩量且回弹性良好，否则炉膛升温后纤维热收缩易产生缝隙，其优点是施工环境较好，基本上无施工损耗，保温性能较好，但施工精度要求较高。915纤维层铺毯结构由于锚固件直接暴露在高温烟气中，受热变形或氧化后易脱落，且施工复杂，已很少采用。纤维可塑料结构施工简单，可采用手工涂抹或支模方式施工，施工环境较好，施工损耗也相应较少，炉衬强度较高，不宜损坏，但其缺点是热容量及导热系数较上述三种材料略高。轻质浇注料的热容量和导热系数最大，但其强度好，施工简单。上述各种炉衬材料均有不同特点，设计时应根据燃料性质等实际情况综合后进行选择。辐射室采用纤维结构炉衬可有效地减少散热损失、降低炉外壁温度，但应考虑采取适当的防止低温露点腐蚀措施，以避免因保温钉发生腐蚀造成炉衬脱落事故。根据最新API-560规范规定，采用纤维类结构炉衬，当燃料中硫含量超过10mg/kg时，应在炉内壁板及保温钉根部刷涂一层防低温腐蚀涂料；当燃料中硫含量超过500mg/kg时，应在炉衬内部至少高于露点温度55℃部位设置不锈钢板阻气层。近年来随着对低温露点腐蚀的日益关注，采用轻质浇注料和纤维类复合炉衬成为一种更为人们青睐的选择方案。该方案背衬层采用80-100毫米厚的轻质浇注料，可有效地阻隔烟气向炉壁板渗透，热面层采用约100毫米厚的纤维衬里，这样既可降低炉衬造价、避免露点腐蚀问题，又可达到降低炉外壁温度减少散热损失的目的。由于该种炉衬形式使用时间尚短，其使用效果还需要进一步考察。对于有在线清焦操作的焦化炉来说，为实现炉膛温度的快速升降，宜采用热容量较低的纤维类炉衬材料。7、多点注汽往加热炉管内注汽（或凝结水）可增加管内介质流速，降低停留时间，尤其是可降低该介质裂解温度以上段停留时间。另外，可提高管内已生软焦脱离速度，由于这二个原因，提高了加热炉运行时间。特别在此要强调的是采用多点注汽比仅炉入口单点注汽要好。主要反映在：－在同等注汽量下，多点注气的介质流经炉管的压力降小，从而可以降低炉入口压力，也就降低了加热炉进料泵的轴功率。－可以经模拟计算后，在介质面临峰值热强度的部位注汽，提高该部位流速，从而可降低油膜厚度和温度，强化了管内传热。－由于分段注汽，便于分段调节注汽量，由于注汽量相对减少，使管内油品气相中916烃分压增加，缓和了液相油品的特性因数沿炉管加热升温而变小的趋势，这种现象有利于减缓油膜层生焦速率。国外焦化加热炉设计几乎都采用多点注汽，并且注入量比国内设计低，注汽点位置选择及注汽量的大小对焦化炉的操作是十分重要的，必须采用专业软件经多次优化核算后确定。8、加热炉进料和燃烧系统联锁控制为了保证焦化加热炉的安全、可靠地长周期运行，在加热炉区的工艺控制设计中，应该考虑加热炉每程进料量和燃烧系统的自动联锁控制。加热炉每一路进料都设有流量指示记录和遥控调节阀。保证在任何时间每一路有流量，其流量值大于低限（低）值，即FSLL值。当流量降到FSL值时报警，若进一步降到FSLL值，ESD逻辑系统信号进入BMS逻辑系统中，执行BMS逻辑程序，自动切断主燃烧器燃料，加热炉熄火。紧接着手动遥控停加热炉进料泵、注水泵，继而，往炉管内通入吹扫蒸汽，以免炉管内介质滞留结焦。采用空气燃料比例调节技术可最大程度降低过剩空气系数以达到提高热效率降低燃料消耗的目的。设计时可分别对燃料管线和空气管道设置流量计，根据燃料组成可计算出理论空气用量，从而可设定实际的空气与燃料比例。另外，自动快开风门及相应的报警连锁设置对焦化炉操作的安全性是极其重要的。在鼓风机、引风机或余热回收设备出现故障时，可自动打开自动快开风门及烟囱密封挡板，焦化炉可实现自然通风操作而不影响装置的正常生产。三、焦化加热炉的操作1、工艺介质流量、温度及管壁温度的监测及控制加热炉操作中应尽量保持各管程中工艺介质流量、注水或注汽量相同，避免出现偏流现象，否则极易造成管内结焦。操作中可通过各管程流量计指示，或在各管程燃烧器发热量相同时的管壁温度指示来监测两管程流量的均衡，管壁温度偏高的一侧流量偏小。应严格控制辐射室工艺介质出炉温度，严禁超温操作。辐射盘管设置的管壁热电偶应连续监测并记录管壁温度，如出现管壁温度突然升高的情况，应立刻检查燃烧器燃烧状况及工艺介质流量、注汽量、工艺介质出炉温度等操作参数是否正常，917并及时调整操作。2、燃烧器操作燃烧器点火前应采用鼓风机通风或打开灭火蒸汽对炉膛进行吹扫，吹扫时间不小于15分钟。在对炉膛内气体进行检测并确认可燃及爆炸气体含量指标符合要求后方可进行燃烧器点火，燃烧器点火程序应严格按照安全操作规程及燃烧器制造厂提供的操作说明进行。燃烧器操作的好坏对焦化炉长周期安全运行有着决定性的影响，正常操作时应点燃所有燃烧器，并尽量保证每个燃烧器具有相同的发热量，从外观上看火焰高度、颜色等应保持一致，并且应保证火焰形状稳定、不发飘，正常操作时火焰长度应控制在炉膛高度的1/3左右，严禁火焰冲击炉管。3.过剩空气控制加热炉是靠燃料燃烧供给热量的，在工业炉中，燃料不可能在化学平衡的空气量（理论空气量）下完全燃烧的，总是要在有一定过剩空气量的条件下才能完全燃烧。燃烧所用实际空气量与理论空气量之比叫做过剩空气系数α。一般炼油加热炉正常的过剩空气系数在烧气时为α=1.05-1.15，烧油时为α=1.15-1.25。在实际操作中，如果过剩空气量增加，排烟时大量的过剩空气将热量带走排入大气，使排烟损失增加，热效率降低。由于过剩的空气是在排烟温度下排入大气的，所以排烟温度越高，过剩空气带走的热量就越多，对热效率的影响也就越大。图12表示在不同排烟温度下，过剩空气系数α每增加0.1对热效率下降值的影响。由此可见，降低过剩空气系数可以有效地减少排烟损失，提高热效率。降低过剩空气系数的办法很多。首先是要选用性能良好的燃烧器，保证在较低的过剩空气系数下完全燃烧；其次是在操作过程中管好三门一板（风门、气门、油门和烟囱挡板），确保管式炉在合理的过剩空气系数下运转，既不让过剩空气量太大，也不因过剩空气不够而出现不完全燃烧；再者是应做好管式炉的堵漏，因为炼油管式炉几乎都是负压操作的，如果看火门、人孔门、弯头箱门等关闭不严或炉墙有泄漏之处，从这些地方漏入炉内的空气一般都不参与燃烧而白白带走热量。图12过剩空气系数对热效率的影响国内目前焦化炉一般均在辐射室出口设置氧化锆以监测加热炉过剩空气量。正常操作918时，氧化锆指示的氧含量应控制在3-4%之间。未投用余热回收系统时，炉底气动风门应打开，通过调节每个燃烧器的进风口处蝶阀调节空气用量以控制烟气中氧含量。投用余热回收系统后，炉底气动风门应处于全关位置，每个燃烧器的进风口处蝶阀及各支风道上调节挡板应尽量处于全开位置，其作用为各炉膛及各燃烧器进风量的微调，由空气鼓风机入口挡板开度或鼓风机电机转速控制烟气中氧含量，这样可保证所有风道及空气预热器内的空气正压均达到最小值，从而最大可能减少了空气的泄露量，减少了热量损失。开工初期氧含量可控制在6%以内，以便能得到较好的火焰形状，操作正常后应缓慢降低到3%左右。对于对流室加热减压渣油的焦化炉，过剩空气系数的大小对减压渣油出对流室温度还有着不利的影响。表6为某厂焦化加热炉在设计工况下不同过剩空气系数的计算数据：表6、过剩空气系数对热效率、减压渣油出对流室温度的影响过剩空气系数烟气中氧含量对流减渣出炉温对流减渣吸热量计算热效率MOL%度℃MW%1.152.503286.1391.11.253.863396.7690.21.355.023507.4089.31.456.043618.0588.3由上表可以看出，过剩空气系数增加将导致对流减渣出炉温度升高、加热炉热效率下降，加热炉燃料消耗增加。当过剩空气系数超过1.45时，对流减渣出炉温度将大大高于设计值，严重时可造成对流管管内结焦，影响装置正常生产。另外在较大的过剩空气系数下操作还可造成烟气中氧含量增加，从而加速炉管表面氧化爆皮，缩短炉管使用寿命。氧含量偏高时还使得烟气中二氧化硫转化为三氧化硫的速度加快，在较低温度下三氧化硫和烟气中冷凝水生成硫酸，造成设备低温部位的露点腐蚀。氧含量偏高时还使得烟气中氧化氮生成量增加，使得加热炉排放的有害污染物增加。基于以上种种原因，加热炉采用大的过剩空气系数操作是有百害而无一利的，操作中应严格控制过剩空气量。4.炉膛负压控制正常操作时应将炉膛负压（辐射室出口烟气压力）控制在-20Pa左右。未投用余热回收系统时，可通过烟囱调节挡板开度控制该压力，烟囱密封挡板此时为全开状态，烟气由烟囱直接放空。投用余热回收系统后，烟囱密封挡板处于全关位置，烟囱调节挡板应尽量处于全开位置，由烟气引风机入口挡板开度或引风机电机转速控制炉膛负压，烟囱调节挡919板仅用于辐射室负压的微调，这样可保证所有烟道及空气预热器内的烟气负压的绝对值均达到最小值，从而最大可能减少了空气泄露到烟气中，减少了热量损失。开工初期炉膛负压可控制在-60Pa以内，以便能得到较好的火焰形状，操作正常后应缓慢降低到-20Pa左右，以减少炉膛的漏风量。5、减少不完全燃烧损失在排烟损失中，除了前面所述烟气的物理热损失之外，还有由于不完全燃烧而造成的化学热损失。不完全燃烧除造成热损失，降低热效率外，还造成大气污染。机械不完全燃烧产生的炭粒还会造成对流室炉管表面积灰，影响传热效果。减少不完全燃烧损失的措施首先是选用性能良好的燃烧器，并及时的和定期的维护，使燃烧器长期保持在良好状态下运行，以保证在正常操作范围内能完全燃烧。其次是在操作中精心调节“三门一板”，以保证过剩空气量既不太多，也不太少。炼油加热炉的燃烧器性能一般都较好，自动化控制水平也较高，因此不完全燃烧都较少。在设计和运行中通常都不考虑不完全燃烧损失。但对那些性能不良或维护不及时运行状况不好的燃烧器，以及操作管理不精心的炉子来说，不完全燃烧损失则是不可忽略的。6、减少散热损失加热炉外壁以辐射和对流两种方式向大气散热。散热量与炉外壁温度、环境温度和风速等有关。当内壁温度一定，炉墙材质、结构和尺寸已一定时，环境温度下降，炉外壁温度也降低，实际温差变化不大，散热损失变化也不大。同样，环境风速增加，外壁温度也降低，但对流传热系数增加，因此散热量变化也不大。也就是说，环境温度和风速对炉外壁温度影响较大，而对散热损失虽然有影响，但是影响并不大。新建的炼油管式炉的散热损失并不大，一般仅占炉子总供热量的1.5-3%。因此靠减少散热损失来提高热效率的余地并不大。但对于已经使用多年，炉墙己有损坏的炉子，及时修补炉墙对减少散热损失，提高热效率却是很有必要的。7、减少烟囱密封挡板处的烟气泄露对于下置式余热回收系统（图13）来说，炉顶烟囱需要设置一块密封挡板，由于机械设计的限制，此处不可避免存在一定的烟气泄露问题。密封挡板处的烟气泄露有可能是自下往上，也可能自上而下，这取决于密封挡板两侧压力的大小，但都会造成热量的损失，从而降低了加热炉热效率。920图13典型下置式回收系统流程图操作中可通过调节烟气引风机入口挡板开度或引风机电机转速及烟囱调节挡板开度来实现密封挡板两侧的压力基本相同，这样可达到最小的泄露量，并保证辐射顶部负压在-20Pa左右操作。当P1大于P2时，烟气由下往上泄露，造成加热炉排烟温度大于空气预热器烟气出口温度，此时应增大烟气引风机入口挡板开度或引风机电机转速，同时减小烟囱调节挡板开度。当P2大于P1时，烟气由上往下泄露，造成空气预热器烟气入口温度大大低于对流室出口烟气温度，此时应减小烟气引风机入口挡板开度或引风机电机转速，同时增大烟囱调节挡板开度。8、在线清焦（on-linespalling）及双向烧焦在线清焦技术是在焦化炉不停炉情况下对炉管内结焦进行清除的过程。采用在线清焦技术的焦化炉一般应采用4管程，以避免对后续设备操作造成太大的影响。操作时对其中一管程通入蒸汽，其余三管程正常操作，在线清焦用的蒸汽及清除的焦碳与其他三管程油品一同进入焦碳塔。在线清焦方法有两种，一种是恒温法，其原理是利用高速流动的水蒸汽对焦垢层的冲刷作用及水蒸汽在高温下与焦炭发生化学反应生成一氧化碳和氢气。该种方法仅可用于结焦时间较短的焦化炉，采用此种方法可有效的去除管内生成的软焦层。当管壁温度达到630˚C约3个月之后时，管内焦层已经变硬，采用恒温法进行在线清焦的效果就不是很理想了，此时应当采用变温法。变温法的原理是利用炉管金属与管内焦垢层热膨胀系数的不921同，通过快速升高及降低炉管温度，使得焦炭层与炉管剥离。无论采用何种方法，都必须严格控制管壁温度不超过炉管的最高使用温度，并保证清焦管程的蒸汽压降大于或等于其他正常操作的几管程的管内压降，以免热油泄漏到清焦的管程中。在线清焦所需蒸汽量、管壁温度的升降范围及速度应按照焦化炉实际炉管规格、根数、材质进行计算后确定，其操作必须严格按照规定的步骤进行实施，否则有可能造成炉管堵塞、变形，甚至炉管爆裂等严重的事故。在线清焦技术特别适用于加工高沥青质、高残炭的热稳定性差的重质油以及消除扩能瓶颈的低循环比工况操作条件下运行的加热炉。采用在线清焦技术可延长加热炉连续运行时间，缩短停炉烧焦次数及停工检修次数。一般在线清焦效果是：－炉管表面温度降低50℃左右，上海石化1.0Mt/a延迟焦化装置的焦化加热炉经过在线清焦后，辐射管表面温度平均下降53℃左右。－炉管压降基本恢复到开工时压降。－清焦后可节省燃料约10－15％。－单炉可连续运行三年。双向烧焦是在加热炉进出口管线分别设置烧焦蒸汽及空气接管，实际操作中可由入口至出口进行正常烧焦。当加热炉靠近炉入口部位管内结焦严重（时），采用正常方向烧焦不能有效清除时，还可由出口至入口进行反向烧焦。双向烧焦对具有在线清焦技术的双面辐射焦化炉是十分必要的，尤其对于重质焦化进料在低循环比和超低循环比条件下运行的焦化炉，面临原料换热预热升温效果不佳时，采用“在线”烧焦和双向“在线”烧焦更为必要。9、其他应建立严格的现场定时巡检，确保燃烧器、风机、吹灰器、蝶阀、挡板、执行机构及各仪表测点等处于良好工作状态，同时观察炉管、辐射管架、炉衬等是否存在过热点或损坏，一旦发现应及时调整操作。922