雙面輻射焦化加熱爐設(shè)計(jì)技術(shù)

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1、雙面輻射焦化加熱爐設(shè)計(jì)技術(shù)據(jù)國(guó)外公司介紹，美國(guó)雙面輻射焦化爐的設(shè)計(jì)始于1994年，從那時(shí)開始，美國(guó)新建的延遲焦化裝置有90%以上均采用雙面輻射焦化爐。國(guó)內(nèi)第一臺(tái)具有國(guó)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，雙面輻射焦化爐在熱效率、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(shì)。1.爐型雙面輻射焦化爐爐型基本分為兩種，一種為多室箱式爐，一種為多室階梯爐，兩種爐型均在爐頂設(shè)置一個(gè)公用的對(duì)流室（參見圖1、2）。與常規(guī)單面輻射加熱爐相比，雙面輻射焦化爐爐膛長(zhǎng)度較大、爐膛高度較小

2、，這與其燃燒器數(shù)量較多、燃燒器發(fā)熱量較小有著直接的關(guān)系。雙面輻射焦化爐輻射管水平布置在爐膛中間，接受布置在其兩側(cè)燃燒器產(chǎn)生的火焰及爐墻的高溫輻射。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，輻射管架可采用懸吊式結(jié)構(gòu)或下支撐式結(jié)構(gòu)。4-59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至1/2。處于同一輻射室的兩組盤管用中間火墻隔開，以避免操作中相互干擾。而多室階梯爐采用附墻式底燒燃燒器，燃燒

3、器產(chǎn)生的高溫火焰緊貼爐墻向上燃燒，將爐墻加熱成為高溫輻射體，再由爐墻將熱量輻射給爐管。該種爐型每組盤管均位于一個(gè)輻射室內(nèi)，可保證操作中不會(huì)出現(xiàn)相互干擾。2.設(shè)計(jì)參數(shù)選擇傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是選取合適的輻射管平均熱強(qiáng)度、管內(nèi)質(zhì)量流速及管程數(shù)，從而確定輻射管規(guī)格及排管面積。根據(jù)輻射傳熱理論可知，在管心距為爐管外徑兩倍情況下，單面輻射一面反射的爐管周向熱強(qiáng)度的不均勻系數(shù)（即周向最高熱強(qiáng)度與平均熱強(qiáng)度比值）約為1.78，而雙面輻射爐管約為1.2，這樣在周向最高熱強(qiáng)度相等的前提下，雙面輻射爐管的平均熱強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可以取單面輻射爐管平均熱強(qiáng)度的1.5倍，因此雙面輻射焦化爐輻射管面積可以比單面輻射焦化

4、爐減少1/3，即單程爐管總長(zhǎng)度減少1/3。在相同的管內(nèi)流速條件下，雙面輻射排管不僅減小了管內(nèi)壓降，并且縮短了油品在管內(nèi)的停留時(shí)間，從而可達(dá)到延緩管內(nèi)結(jié)焦，延長(zhǎng)加熱爐操作周期的目的。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，對(duì)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)最高油膜溫度越低且油品在管內(nèi)的停留時(shí)間越短則意味著管內(nèi)結(jié)焦的可能性越小。從這樣一個(gè)基本原理出發(fā)，焦化爐似乎應(yīng)采用小管徑、多管程、低熱強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方案。然而，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作考慮，小管徑易造成結(jié)焦堵塞，而多管程增加了產(chǎn)生偏流可能性，因此管徑及管程數(shù)應(yīng)嚴(yán)格在工程經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)選擇，不能盲目追求理

5、論上的先進(jìn)性。目前的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是控制大于426°C的油品在爐內(nèi)的停留時(shí)間不大于45秒，而爐管規(guī)格多在Φ76~Φ127之間選擇。4-59當(dāng)爐管規(guī)格、管程數(shù)及注汽量確定后，降低管內(nèi)最高油膜溫度和縮短油品在管內(nèi)的停留時(shí)間是相互矛盾的。降低管內(nèi)最高油膜溫度意味著需要減小輻射管平均熱強(qiáng)度，由于熱負(fù)荷為定值，因此需要增加輻射排管面積，也就是增加爐管長(zhǎng)度，其結(jié)果就是增大了停留時(shí)間。盡管增大注汽量對(duì)縮短停留時(shí)間會(huì)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(huì)對(duì)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)盤管

6、內(nèi)壓力，不利于管內(nèi)油膜因汽化而發(fā)生破裂，反而會(huì)加劇管內(nèi)結(jié)焦現(xiàn)象。油品組成中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)及殘?zhí)嫉暮繉?duì)其結(jié)焦反應(yīng)速率的影響是至關(guān)重要的。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)及殘?zhí)嫉暮吭礁?，臨界結(jié)焦反應(yīng)溫度越低，因此必須采用較低的熱強(qiáng)度以控制管內(nèi)最高油膜溫度。一般來講，雙面輻射焦化爐輻射管平均熱強(qiáng)度范圍為42000~55000W/m2，管內(nèi)質(zhì)量流速范圍為1200~1800kg/m2.s。然而，對(duì)不同的油品來說，合適的輻射管平均熱強(qiáng)度、管內(nèi)質(zhì)量流速及注汽量等設(shè)計(jì)參數(shù)變化范圍較大，無法定量給出數(shù)值。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(duì)焦化爐進(jìn)行模擬計(jì)算以確定最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)的方法已成功地得

7、以實(shí)現(xiàn)，該方法將為焦化爐的設(shè)計(jì)帶來一場(chǎng)全新的變革。3.雙面輻射焦化爐工藝計(jì)算雙面輻射焦化爐工藝計(jì)算可分為管內(nèi)和管外兩部分，管外部分一般包括三維分區(qū)輻射傳熱、煙氣流動(dòng)、燃燒及火焰模型等方面的計(jì)算，管內(nèi)部分包括傳熱、流體流動(dòng)、汽化、化學(xué)反應(yīng)等方面的計(jì)算。由于計(jì)算工作量極其龐大，采用手算法是無法完成的。目前我公司和石油大學(xué)已成功地合作開發(fā)出了焦化爐專用計(jì)算軟件，可對(duì)單面輻射或雙面輻射焦化爐進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值模擬計(jì)算，并且在現(xiàn)場(chǎng)操作分析及工程設(shè)計(jì)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。4.爐管、管架及爐襯材