劉 雁，張穎虹

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京100166）

火焰直接加熱的有機(jī)熱載體爐通過(guò)燃料直接燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能用于加熱中間熱載體，通常為導(dǎo)熱油。導(dǎo)熱油在有機(jī)熱載體爐中加熱到預(yù)定溫度后，輸送到工藝系統(tǒng)的間壁式換熱器中。在換熱器中，導(dǎo)熱油與工藝介質(zhì)進(jìn)行對(duì)流換熱，導(dǎo)熱油冷卻后返回到有機(jī)熱載體爐中加熱，升溫的工藝介質(zhì)進(jìn)行后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)間壁式換熱升溫的工藝介質(zhì)，不易結(jié)焦，工藝介質(zhì)溫度也可實(shí)現(xiàn)精確控制。同時(shí)加熱設(shè)備和用熱設(shè)備分開(kāi)，使加熱過(guò)程更加安全可靠。

有機(jī)熱載體爐常見(jiàn)有兩種爐體型式，一種為撬裝密排螺旋盤(pán)管立式圓通爐，另一種型式為API560[1]推薦的輻射對(duì)流型立式爐結(jié)構(gòu)。兩種爐型各有優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，根據(jù)運(yùn)行工況選擇合適的爐型對(duì)于保證工藝系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

1 結(jié)構(gòu)形式

撬裝密排螺旋盤(pán)管立式圓通爐結(jié)構(gòu)型式如圖1所示，內(nèi)層密排的螺旋盤(pán)管構(gòu)成了輻射爐膛，內(nèi)外排爐管夾層構(gòu)成了對(duì)流受熱面。爐管、燃燒器及襯里集成于爐殼之中，整個(gè)有機(jī)熱載體爐結(jié)構(gòu)緊湊，可撬裝供貨，整體運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)整體安裝，施工工作量小，安裝相對(duì)簡(jiǎn)單方便。因?yàn)檎w運(yùn)輸?shù)男枰筮@種撬裝的導(dǎo)熱油爐外形尺寸不能超過(guò)運(yùn)輸限制尺寸，所以受熱盤(pán)管的布置面積有限，一般來(lái)說(shuō)最大設(shè)計(jì)負(fù)荷不超過(guò)20 MW。由于只有內(nèi)層盤(pán)管內(nèi)表面接受熱輻射，所以撬裝爐型的輻射熱強(qiáng)度較大，不利于膜溫的控制。此種爐型運(yùn)行中爐頂及煙風(fēng)管道為正壓。

API560推薦的輻射對(duì)流型立式爐結(jié)構(gòu)型式如圖2所示，靠爐墻布置的管束構(gòu)成了輻射受熱面，上部水平錯(cuò)列的管束構(gòu)成了對(duì)流受熱面，對(duì)流管束可以采用翅片管型式，這種管束強(qiáng)化換熱，更加有利于回收煙氣中的熱量。此種爐型運(yùn)行中爐頂及煙風(fēng)管道均為微負(fù)壓狀態(tài)。API 爐型適用于任何負(fù)荷要求：小于30 MW，采用輻射對(duì)流型立式圓筒爐結(jié)構(gòu)；大于30 MW，采用輻射對(duì)流型立式方箱爐結(jié)構(gòu)[2]。API型式的熱載體爐現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量大，安裝周期較長(zhǎng)。即便是模塊化供貨，現(xiàn)場(chǎng)安裝周期也遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于撬裝結(jié)構(gòu)。此種爐型平時(shí)維護(hù)檢修方便，爐管更換簡(jiǎn)便。從負(fù)荷適用范圍及檢修角度看，此種爐型優(yōu)于撬裝型式。但是，此種爐型投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于撬裝型式。

圖1 撬裝密排螺旋盤(pán)管立式圓筒爐

圖2 API型式熱載體爐

2 有機(jī)熱載體的結(jié)焦原理及膜溫控制

膜溫這個(gè)指標(biāo)對(duì)于選擇合適的爐型至關(guān)重要。邊界層內(nèi)流速較低，溫度最高，膜溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主流溫度。如果膜溫過(guò)高，邊界層內(nèi)有機(jī)熱載體裂解率會(huì)提高，導(dǎo)致管內(nèi)結(jié)焦。結(jié)焦反應(yīng)溫度即膜溫對(duì)結(jié)焦速率影響巨大。低的膜溫不光是安全性的限制，也是評(píng)價(jià)熱工設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，結(jié)焦速率方程[3]為

式中：Rc為結(jié)焦速率，mg ?cm-2h-1；C1為結(jié)焦母體速度 ，mg ?cm-3；n為反應(yīng)級(jí)數(shù) ，指前因子mg1-n?cm3n-2?h-1；E為活化能，kJ/mol；R為通用氣體常數(shù)，kJ ?mol-1?K-1；T為溫度，K。

對(duì)于有機(jī)熱載體爐，不論是撬裝型式還是API 型式，都可以通過(guò)文獻(xiàn)[4]，定性的分析工業(yè)爐的結(jié)焦情況，為爐體熱工設(shè)計(jì)提供參數(shù)優(yōu)化的指導(dǎo)：

式中：C2為方程系數(shù)；d為爐管內(nèi)徑,mm；Re為雷諾數(shù)。

從上述兩個(gè)結(jié)焦速率方程，可以看出油膜溫度升高，結(jié)焦速率成指數(shù)倍變化。同種導(dǎo)熱油，流速越小，雷諾數(shù)小，導(dǎo)致結(jié)焦速率變大；采用規(guī)格尺寸大的管徑，也會(huì)使結(jié)焦速率變大。因此，熱工設(shè)計(jì)時(shí)，盡量采用多頭小管徑，這樣也可以使管系在規(guī)定的壓降范圍內(nèi)取得高流速及高的雷諾數(shù)，降低膜溫。

真實(shí)膜溫至今無(wú)法測(cè)量，只是通過(guò)膜溫的計(jì)算值為有機(jī)熱載體爐安全運(yùn)行提供一個(gè)依據(jù)。計(jì)算中要保證導(dǎo)熱油最高介質(zhì)溫度處、熱強(qiáng)度最大處及雷諾數(shù)最小處的計(jì)算膜溫小于此種導(dǎo)熱油的最高允許液膜溫度，并且有一定的溫度余量。最高膜溫計(jì)算可按照《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程釋義》附件二[5]進(jìn)行。熱強(qiáng)度最大處一般發(fā)生在輻射段及遮蔽段，在這兩個(gè)部位需合理布置冷熱流體，盡量降低膜溫。

3 熱力參數(shù)實(shí)例

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目參數(shù)，給出了相關(guān)的熱力計(jì)算參數(shù)（見(jiàn)表1）。

表1 熱力計(jì)算參數(shù)

從表1 計(jì)算結(jié)果看出，由于導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫度都遠(yuǎn)離最高允許使用溫度，所以，兩種型式計(jì)算出的最高膜溫、熱強(qiáng)度、出爐煙溫等熱力參數(shù)均符合要求。理論上講，兩種爐型均可采用。在熱力性能滿足要求的前提下，由于撬裝爐型造價(jià)低、現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量小、安裝周期短，所以會(huì)優(yōu)先考慮撬裝爐型。

從表2 可以看出，導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫度與允許使用溫度比較接近，這種情況下，撬裝型式的導(dǎo)熱油爐計(jì)算膜溫已經(jīng)超過(guò)最高允許膜溫。如果采用撬裝爐型，就會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱油結(jié)焦、爐管過(guò)熱燒穿。由于API爐型現(xiàn)場(chǎng)安裝，無(wú)運(yùn)輸尺寸要求，所以爐管受熱面可以布置為一面輻射，一面反射的型式，有效降低了管壁熱強(qiáng)度，從而降低了膜溫差。

表2 熱力計(jì)算參數(shù)

撬裝爐型撬裝密排螺旋盤(pán)管立式圓筒爐由于運(yùn)輸限制，內(nèi)部換熱面布置有限，且只有內(nèi)層盤(pán)管內(nèi)部為輻射受熱面，所以熱強(qiáng)度較高、熱負(fù)荷較大，工藝要求的導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫度較高的情況下，需仔細(xì)核實(shí)膜溫。如果膜溫較高或已經(jīng)超過(guò)允許膜溫，可使用API 型式的導(dǎo)熱油爐。設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用小管徑爐管以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

4 結(jié) 論

API 型式導(dǎo)熱油爐及撬裝密排螺旋盤(pán)管立式圓筒爐型式各有優(yōu)缺點(diǎn)，導(dǎo)熱油爐熱力性能優(yōu)化及運(yùn)行安全性是選擇爐型的首要標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)負(fù)荷超過(guò)20 MW時(shí)，優(yōu)先采用API型式導(dǎo)熱油爐；設(shè)計(jì)負(fù)荷小于20 MW時(shí)，需分別計(jì)算出兩種爐型的熱力參數(shù)，如熱強(qiáng)度、膜溫等，經(jīng)性能及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比后，選擇出合理的爐型。

無(wú)論API型式導(dǎo)熱油爐還是撬裝密排螺旋盤(pán)管立式圓筒爐型式，設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用小管徑爐管及高的介質(zhì)流速以優(yōu)化性能。