劉建山 雷 亮 董長軍

中石油克拉瑪依石化有限責任公司

延遲焦化加熱爐過剩空氣量對其運行周期的影響

劉建山 雷 亮 董長軍

中石油克拉瑪依石化有限責任公司

延遲焦化裝置加熱爐過?？諝饬坎粌H影響其熱效率,還影響加熱爐的運行周期。介紹了加熱爐爐管結(jié)焦機理,分析了影響加熱爐爐管結(jié)焦的影響因素,利用專業(yè)的焦化加熱爐工程設(shè)計軟件,考察過?？諝饬繉够訜釥t對流段和輻射段熱負荷、爐管表面熱強度、爐管管壁溫度及火焰燃燒溫度的影響,同時分析了對焦化加熱爐爐管運行周期的影響。通過考察,某石化公司延遲焦化加熱爐過?？諝饬繌?%(y)提高到13%(y),爐膛溫度由715.8℃降至709.4℃,爐管管壁溫度由510.3℃降至505.8℃。結(jié)果表明:過?？諝饬可愿呖蛇m當降低輻射爐爐管的表面熱強度,從而降低輻射爐爐管的表面溫度及輻射爐爐管內(nèi)的結(jié)焦傾向,延長運行周期。

熱強度 過?？諝饬?運行周期 延遲焦化 焦化加熱爐

延遲焦化工藝是重質(zhì)原油/渣油的主要加工技術(shù)[1-2],而焦化加熱爐是影響延遲焦化裝置長周期運行的核心設(shè)備。由于裝置加工的原料具有高殘?zhí)?、高密度、高黏度和臨界反應(yīng)溫度低的特性,在生產(chǎn)運行過程中,焦化加熱爐爐管逐步結(jié)焦是不可避免的。因此,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行的基礎(chǔ)。

焦化加熱爐為整個延遲焦化裝置提供熱量,其能耗約占裝置能耗的75%。為了降低裝置能耗,通常從提高加熱爐熱效率的角度入手,在日常生產(chǎn)運行過程中,在保證燃料完全燃燒的前提下采用盡可能低的過?？諝饬?以降低加熱爐散熱損失,通過嚴格控制工藝操作指標提高加熱爐熱效率,也可通過技術(shù)改造,如使用高效燃燒器、改造空氣預(yù)熱器等措施提高其熱效率。降低過?？諝饬侩m能提高加熱爐熱效率,但是否會影響加熱爐爐管結(jié)焦速率,進而影響加熱爐的運行周期,尚未引起操作人員的重視。

本研究從焦化加熱爐爐管結(jié)焦機理及影響爐管結(jié)焦因素的角度出發(fā),利用專業(yè)的焦化加熱爐工程設(shè)計軟件,考察過剩空氣量對焦化加熱爐對流段和輻射段熱負荷、爐管表面熱強度、爐管管壁溫度等的影響,同時分析了對焦化加熱爐爐管運行周期的影響。

1 焦化加熱爐爐管結(jié)焦機理

焦化加熱爐是渣油熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)的主要能量來源,渣油在加熱爐爐管內(nèi)被快速加熱升溫至495～505℃,渣油中的輕組分在高溫和蒸汽(爐管注汽)的作用下氣化,同時,渣油中的部分重組分發(fā)生部分熱裂解和縮合反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)[3],熱裂解和縮合反應(yīng)生產(chǎn)的甲苯不溶物(次生瀝青質(zhì))、喹啉不溶物(中間相小球體)是結(jié)焦的前體物,為爐管結(jié)焦創(chuàng)造了條件。

流體在加熱爐爐管內(nèi)流動時,由于流體黏性的作用,在壁面附近形成一個很薄的流體層,稱為邊界層[4]。在邊界層中,流體的流速由壁面處為零變?yōu)檫吔鐚油饩壍闹黧w流速,流體的溫度要比介質(zhì)主體溫度高,邊界層內(nèi)流體總比介質(zhì)主體先進入渣油發(fā)生熱裂解和縮合反應(yīng)的臨界溫度,造成爐管結(jié)焦的結(jié)焦反應(yīng)就發(fā)生在邊界層內(nèi),反應(yīng)生成的結(jié)焦母體物沉積并吸附在爐管內(nèi)壁表面,隨著反應(yīng)的進行形成致密的焦層,使得加熱爐爐管結(jié)焦。

2 影響焦化加熱爐爐管結(jié)焦因素

2.1 爐出口溫度

不同的焦化原料結(jié)焦傾向不同[5-8],焦化加熱爐出口溫度也應(yīng)不同。對于結(jié)焦傾向較弱的原料,可采用較高的爐出口溫度,溫度過低,反應(yīng)深度不夠,不利于生焦過程的正常進行;對于結(jié)焦傾向較強的原料,可采用相對較低的爐出口溫度,溫度過高,焦化反應(yīng)深度過大,生成的焦炭較硬,爐管易結(jié)焦。如某石化公司共有兩套延遲焦化裝置,其中1套以超稠原油為原料,焦化加熱爐出口溫度為497℃,而另1套則以稀油減壓渣油為原料,焦化加熱爐出口溫度為502℃。因此,加熱爐出口溫度是影響焦化爐爐管結(jié)焦的因素之一,合適的加熱爐出口溫度應(yīng)根據(jù)原料性質(zhì)進行試驗,以尋找既能達到較高的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率,又能保證加熱爐爐管不嚴重結(jié)焦的爐出口溫度。

2.2 爐管管壁溫度

根據(jù)焦化加熱爐爐管結(jié)焦機理可知,結(jié)焦反應(yīng)發(fā)生在邊界層內(nèi),因此,邊界層溫度或爐管管壁溫度是影響焦化加熱爐爐管結(jié)焦的最基本因素之一。邊界層溫度(爐管管壁溫度)總是比管內(nèi)主流體溫度高,高出多少主要取決于爐管表面熱強度,同時,也與內(nèi)膜傳熱系數(shù)等因素有關(guān)。渣油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)及殘?zhí)恐翟礁?臨界結(jié)焦反應(yīng)溫度就越低,必須采用較低的爐管表面熱強度以控制爐管內(nèi)最高邊界層溫度。爐管表面平均熱強度越小,爐管內(nèi)壁溫度就越低,爐管結(jié)焦速率也會隨之下降。

2.3 管內(nèi)流速

爐管內(nèi)流體的高速湍流可使邊界層內(nèi)反應(yīng)生成的結(jié)焦前體物被帶出爐外而不至于附著在爐管內(nèi)表面上,以降低爐管內(nèi)結(jié)焦速度。較高的流體流速可使邊界層厚度減薄,內(nèi)膜傳熱系數(shù)增大,從而使管壁溫度降低,減緩爐管結(jié)焦趨勢。因此,管內(nèi)流速也是影響焦化加熱爐爐管結(jié)焦的基本因素之一。

對于在役焦化加熱爐而言,加熱爐結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定,裝置原料性質(zhì)和操作條件保持相對穩(wěn)定,影響加熱爐爐管結(jié)焦的因素主要為爐管管壁溫度,而爐管管壁溫度又與爐管表面熱強度大小有著直接的關(guān)系。

3 影響結(jié)果與討論

為了考察焦化加熱爐過剩空氣量對其運行周期的影響,以某石化公司雙面輻射廂式焦化爐為原型,焦化加熱爐見圖1,爐管參數(shù)見表1。工藝介質(zhì)先經(jīng)對流室加熱后由遮蔽管進入輻射室底部,然后從輻射室頂部流出。

表1 焦化加熱爐爐管參數(shù)Table 1 Furnace tube parameters of coking furnace

3.1 引起對流段輻射段熱負荷分配的變化

過?？諝饬繉够訜釥t對流段、輻射段熱負荷的影響見圖2。過?？諝饬吭黾訒r,煙氣量也隨之增大。對對流段而言,由于煙氣流速加快,傳熱系數(shù)增大而使爐管內(nèi)介質(zhì)吸熱量增大,對流段出口溫度將相應(yīng)上升(見圖3)。由于焦化加熱爐在輻射段和對流段加熱同一種工藝介質(zhì),對流段和輻射段總吸熱量不變,對流段熱負荷增大,則輻射段吸熱量減少,降低了輻射段熱負荷。因此,過?？諝饬康淖兓瘯淖冚椛涠闻c對流段熱負荷的比例,適當增加過?？諝饬坑欣趯α鱾鳠?降低輻射段的熱負荷,進而降低輻射管表面熱強度,使輻射爐爐管內(nèi)的結(jié)焦傾向降低,延長焦化加熱爐的運行周期。

3.2 引起輻射爐管表面熱強度的變化

過剩空氣量對輻射爐爐管表面熱強度的影響見圖4。從圖4可以看出,隨著過剩空氣量的增加,輻射爐爐管表面平均熱強度及峰值熱強度均逐漸降低,這主要是由于過?？諝饬康淖兓鹆藢α鞫魏洼椛涠螣嶝摵傻淖兓?過?？諝饬吭黾訒档洼椛涠螣嶝摵?。爐管結(jié)焦機理表明,爐管表面熱強度是影響爐管結(jié)焦速率的重要工藝參數(shù),爐管表面平均熱強度越小,爐管的結(jié)焦傾向就越小。質(zhì)量流速與結(jié)焦速率的關(guān)系見圖5[4]。從圖5可以看出,表面熱強度是影響焦垢生成速度的主要因素。在一定的質(zhì)量流速下,若表面熱強度增大,則結(jié)焦速率加快。此時,為了降低結(jié)焦速率,則要增加質(zhì)量流速,使流體處于高湍流狀態(tài),以提高焦垢脫離速度?？梢?對于焦化加熱爐而言,為減緩爐管結(jié)焦,不應(yīng)片面追求過高的傳熱指標,而使輻射熱強度過大。

3.3 引起輻射爐管管壁溫度的變化

過?？諝饬繉椛錉t爐管管壁溫度的影響見圖6。從圖6可以看出,隨著過?？諝饬康脑黾?輻射爐爐管管壁最高溫度和平均溫度均逐漸降低?？梢?增加過?？諝饬坑欣诮档洼椛錉t爐管管壁溫度。例如,通過觀察某石化公司延遲焦化加熱爐,在一定的質(zhì)量流速下,過?？諝饬繌?%提高到13%,爐膛溫度由715.8℃降至709.4℃,爐管管壁溫度由510.3℃降至505.8℃。內(nèi)膜溫度(或管壁溫度)與結(jié)焦速率的關(guān)系見圖7[4]。由圖7可以看出,內(nèi)膜溫度是影響焦垢生成速度的主要因素。在較低的質(zhì)量流速下,內(nèi)膜溫度升高,則結(jié)焦速度加快,當質(zhì)量流速達到2 250 kg/(m2·s)以上時,隨著內(nèi)膜溫度的增加,爐管結(jié)焦速率變化不大。因此,減少燃燒空氣量,不僅會立即提高爐管管壁溫度,還會導致爐管結(jié)焦速率增大。文獻[9]表明,內(nèi)膜溫度每增加10℃,會導致縮合反應(yīng)速率增加1倍。

3.4 引起燃料氣燃燒溫度的變化

以天然氣為例[10],火焰燃燒溫度隨燃料氣燃燒過剩空氣量的變化而變化(空氣和燃料氣溫度為25℃時的燃燒溫度),見圖8。可見,過?？諝饬康淖兓瘯鸹鹧嫒紵郎囟鹊淖兓?同時也會引起火焰長度的變化。過?？諝饬拷档?火焰燃燒溫度升高,火焰長度縮短,在燃燒室下部來自火焰的輻射熱流將增加,而中部和上部將減少,同時,燃燒室出口的氣體溫度將降低(見圖9)。過?？諝饬吭黾?火焰燃燒溫度降低,火焰長度增加,燃燒室中下部的輻射熱流將減少,而上部輻射熱流增加,同時,燃燒室出口的氣體溫度將升高(見圖9)。因此,對于嚴格控制爐管結(jié)焦速率的焦化加熱爐,應(yīng)采用適當?shù)倪^?？諝饬?以免輻射段熱流分布變差,偏離設(shè)計值,造成峰值熱強度更高,從而促成加熱爐爐管外壁熱點的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

(1)過?？諝饬康淖兓瘯淖冚椛涠闻c對流段的熱負荷比例,適當增加過?？諝饬坑欣趯α鱾鳠?可降低輻射段的熱負荷。

(2)過?？諝饬康淖兓瘯疠椛涫疑?、中、下部輻射熱流的變化。

(3)過?？諝饬可愿呖蛇m當降低輻射爐爐管的表面熱強度,從而降低輻射爐爐管表面溫度,減小輻射爐爐管內(nèi)的結(jié)焦傾向,以滿足裝置生產(chǎn)要求。

(4)對于應(yīng)嚴格控制爐管結(jié)焦速率的焦化加熱爐,應(yīng)采用稍高的過?？諝饬?以降低輻射爐爐管內(nèi)的結(jié)焦傾向,延長焦化加熱爐的運行周期。

(5)焦化加熱爐不應(yīng)追求過高的加熱爐熱效率,主要考核投資回報率,并注重安全、環(huán)保的設(shè)計理念。

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Effect of excess air on operating period of delayed coker heater

Liu Jianshan,Lei Liang,Dong Changjun
PetroChina Karamay Petrochemical Co.,Ltd.,Karamay,Xinjiang,China

Excess air in heaters of delayed coker unit will not only affect the thermal efficiency,but also affect the operating period of the heater.The coke deposition mechanisms of the heater tubes were briefly introduced,and the factors leading to tube coking were analyzed.Using the professional engineering design software,the influences of excess air on the heat duty of convective and radiant section of coker heater,the furnace tube surface heat intensity,the tube wall temperature and the flame temperature were discussed respectively.The influence on the operating period of the heater was analyzed simultaneously.When the excess air in the heater of a delayed coker unit was increased from 5%to 13%,the combustion chamber temperature might decrease from 715.8℃to 709.4℃,the tube wall temperature might decrease from 510.3℃to 505.8℃.The results showed that higher excess air could reduce the surface heat intensity of radiant tube,thus lowered the radiant tube surface temperature and tube coke deposition tendency,and extended the operating period of the heater as a result.

heat intensity,excess air,operating period,delayed coking,coker heater

TE624.3+2

B

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.06.003

劉建山(1969-),男,高級工程師,現(xiàn)就職于中石油克拉瑪依石化有限責任公司,主要從事煉油技術(shù)工作。E-mail:liujs2@petrochina.com.cn

2016-12-08;編輯:溫冬云