双面辐射焦化加热炉设计技术.doc

双面辐射焦化加热炉设计技术  据国外公司介绍，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，双面辐射焦化炉在热效率、操作周期及操作费用等方面有着显著的技术和经济优势。 1. 炉型 双面辐射焦化炉炉型基本分为两种，一种为多室箱式炉，一种为多室阶梯炉，两种炉型均在炉顶设置一个公用的对流室（参见图1、2）。与常规单面辐射加热炉相比，双面辐射焦化炉炉膛长度较大、炉膛高度较小，这与其燃烧器数量较多、燃烧器发热量较小有着直接的关系。 双面辐射焦化炉辐射管水平布置在炉膛中间，接受布置在其两侧燃烧器产生的火焰及炉墙的高温辐射。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，辐射管架可采用悬吊式结构或下支撑式结构。 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至1/2。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。 2. 设计参数选择 传统的设计方法是选取合适的辐射管平均热强度、管内质量流速及管程数，从而确定辐射管规格及排管面积。根据辐射传热理论可知，在管心距为炉管外径两倍情况下，单面辐射一面反射的炉管周向热强度的不均匀系数（即周向最高热强度与平均热强度比值）约为1.78，而双面辐射炉管约为1.2，这样在周向最高热强度相等的前提下，双面辐射炉管的平均热强度设计值可以取单面辐射炉管平均热强度的1.5倍，因此双面辐射焦化炉辐射管面积可以比单面辐射焦化炉减少1/3，即单程炉管总长度减少1/3。在相同的管内流速条件下，双面辐射排管不仅减小了管内压降，并且缩短了油品在管内的停留时间，从而可达到延缓管内结焦，延长加热炉操作周期的目的。 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且油品在管内的停留时间越短则意味着管内结焦的可能性越小。从这样一个基本原理出发，焦化炉似乎应采用小管径、多管程、低热强度的设计方案。然而，从现场实际操作考虑，小管径易造成结焦堵塞，而多管程增加了产生偏流可能性，因此管径及管程数应严格在工程经验范围内选择，不能盲目追求理论上的先进性。目前的工程经验数据是控制大于426°C的油品在炉内的停留时间不大于45秒，而炉管规格多在Φ76~Φ127之间选择。 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盘管内压力，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。 油品组成中胶质、沥青质及残碳的含量对其结焦反应速率的影响是至关重要的。胶质、沥青质及残碳的含量越高，临界结焦反应温度越低，因此必须采用较低的热强度以控制管内最高油膜温度。 一般来讲，双面辐射焦化炉辐射管平均热强度范围为42000~55000W/m2，管内质量流速范围为1200~1800kg/m2.s。然而，对不同的油品来说，合适的辐射管平均热强度、管内质量流速及注汽量等设计参数变化范围较大，无法定量给出数值。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模拟计算以确定最优设计参数的方法已成功地得以实现，该方法将为焦化炉的设计带来一场全新的变革。 3. 双面辐射焦化炉工艺计算 双面辐射焦化炉工艺计算可分为管内和管外两部分，管外部分一般包括三维分区辐射传热、烟气流动、燃烧及火焰模型等方面的计算，管内部分包括传热、流体流动、汽化、化学反应等方面的计算。由于计算工作量极其庞大，采用手算法是无法完成的。目前我公司和石油大学已成功地合作开发出了焦化炉专用计算软件，可对单面辐射或双面辐射焦化炉进行详细的数值模拟计算，并且在现场操作分析及工程设计等方面得到了广泛