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1、加氢装置反应进料加热炉主要设计参数探讨张铁峰（洛阳石化工程公司,河南洛阳 471003摘 要: 讨论了加氢装置氢油混相反应进料加热炉的主要工艺设计参数,选 择这些参数时应综合一次投资、正常操作等各方面的因素。设计热负荷要考虑装置 的实际操作情况,不应留太大的余量;炉型选取应根据炉管材质按经济性来确定,管材 昂贵的炉子应首选双面辐射炉型;炉管表面热强度应根据油品性质、许用膜温度、 炉膛温度、管壁温度等限制条件综合考虑;管径选择应保证管内介质的流速满足流 型要求,管内流型推荐雾状流;燃烧器及配风应按炉子操作弹性合理匹配,操作弹性要 求大时可设辅助燃烧器。关键词:加氢装置;加热炉;设计热负荷;炉型;
2、炉管表面热强度;流速;燃烧器;操作 弹性由于原油重质化和劣质化的趋势不断加剧,加氢装置越来越受到人们的重 视,目前炼油工业广泛采用了加氢裂化、加氢脱硫、加氢处理或加氢精制等装置。 反应进料加热炉是这些装置内的重要设备。除有些加氢裂化装置采用循环氢加热炉 外,大部分装置采用炉前混氢方式,反应进料加热炉炉管内介质为氢油混相。这类加 热炉操作条件十分苛刻,管内处于高温高压两相流状态,流动状况复杂,操作初期及末 期或不同生产方案下热负荷变动相当大,加热炉必须适应较大弹性范围内变动时的 平稳操作。这种炉子要做到经济合理的设计,必须考虑的因素很多,本文对一些主要 的方面加以讨论。1 加热炉设计热负荷正常生
3、产过程中加氢反应温度变化较大,操作末期催化剂活性下降,反应温度必 须相应升高,因此末期热负荷较初期升高。换热器由于结垢造成回收热量不足时,这 部分热量也应由加热炉承担。另外加热炉应补偿由于氢耗量较低或反应热较低而可 能出现放出的反应热比设计值低的情况。加热炉的设计负荷应充分考虑到以上这些 因素。加热炉正常负荷应按操作末期计算。加热炉设计负荷的选取,国外各公司有不 同的经验。如有的公司规定总热负荷为正常负荷加上进料预热换热量的 15%,有的 公司规定总热负荷为正常负荷加上 50%的反应热再加上 5%的进料预热换热量。由 于反应热很难算准,所以国内设计多采用前一种规定。按两种规定算出的总热负荷 随
4、装置不同而有所区别,大概为正常负荷的 113118倍。若算出的负荷与正常负荷 相差很大时,应对换热器和加热炉的负荷和费用进行最佳化计算,不宜取太高的炉子 设计负荷。国内装置现有设计中加氢进料加热炉的设计负荷相对于操作负荷普遍偏大。根 据一些装置的标定结果看,加热炉的实际操作负荷往往不到设计负荷的一半。这不 仅是投资的一种浪费,对加热炉的正常生产操作也带来很多不利影响。由于炉子操 作负荷远小于设计负荷,正常生产中炉子只点燃少量的燃烧器,未点燃燃烧器的风门 很难完全关死,造成大量空气漏入炉内,也就是说低负荷生产时炉子的过剩空气量很 难加以控制,过剩空气量的增大会显著降低炉子的热效率,增大燃料消耗。
5、另外,低负 荷生产时,炉体散热损失相对于燃料带入炉内热量的比例也会有所提高。这些装置 的实际生产经验表明设计热负荷远高于实际操作负荷对加热炉正常操作并不是一件 好事,严重时将会使加热炉难以操作。加热炉的设计负荷当然应该考虑到一些极限 操作情况,但到底是以一些装置生产中很少可能出现的极限情况收稿日期:2001205229作者简介:张铁峰,工程师,1991年毕业于华东理工大学石油加工专业,一直从事 加热炉、余热锅炉等传热设备的工程设计工作。工业炉石油化工设备技术,2001,22(622Petro2Chem ical Equi pm ent T echno logy作为设计负荷还是以正常生产中的操作
6、负荷作为设计负荷很值得探讨现在很多国外公司已允许设计负荷按正常操作负荷考虑,这种设计思想值得我 们借鉴。随着技术的进步,反应流出物与循环氢及原料油混合物的换热得到进一步 优化,换热系统在操作末期换热量的降低也比早期的装置少的多,因此应逐步积累现 有装置的生产经验,以确定出切合实际的设计负荷。如果短期不利情况出现的机率 不大,而装置又可以通过调整操作条件使产品合格的话,反应进料加热炉就不应该再 留太大的余量。这一点对大型装置尤其重要,大型装置进料加热炉的设计负荷如仍 留较大的余量,将会引起炉子一次投资的大幅度上升。建议大型装置反应进料炉的 设计热负荷控制在正常负荷的 1135 倍以内。2 炉型及
7、经济性不同装置都有能满足工艺要求的经济炉型。炉型选择应考虑到工艺操作方便灵 活、安全长周期运行及维修费用低、达到设计负荷所需投资少等原则。根据经验, 热负荷小于30MW时，如工艺无特殊要求，圆筒炉通常是优先选用的。然而加氢装置 的炉型和炉管选材密切相关,选用奥氏体钢炉管时,即使负荷小,圆筒炉也是不经济 的。目前，操作条件相对缓和的常压直馏馏份油加氢装置一般采用铬钼钢炉管。高 硫油加氢装置，部分二次加工油加氢装置及重油加氢装置，操作条件苛刻，管内含有大 量氢及硫化氢气体，这些装置的进料炉管多采用具有相对稳定可靠性的奥氏体不锈 钢，如 321或 347系列钢种1 。采用铬钼钢炉管时，由于管材较便宜
8、，炉型首选圆筒炉。采用奥氏体钢炉管时，管 材相当昂贵， 321管子每吨的价格是钢结构价格的十多倍，炉型选择应尽可能减少管 材用量。决定管材投资的因素有:1炉管表面平均热强度。热强度越高所需传热面积 越少，投资就越省。 2炉管排列及受热的方式。我们知道，管心距为 2倍管径时，单排 管一面受辐射，一面受反射的有效吸收因数为 0.883，单排管受双面辐射的有效因数为 1.316，也就是最高表面热强度相同时，单排管受双面辐射吸收的热量是单排管一面受 辐射，一面受反射吸收热量的 1149 倍，吸热负荷相同时，双面辐射受热方式管材耗量 省 33% 。因此奥氏体钢炉管的加热炉应优先采用单排双面辐射传热方式的
9、加热炉 炉型。双面辐射传热方式的炉子采用立管好还是采用卧管好,目前看法不一。有观点 认为,根据某些流型图,卧管的理想流型范围比立管要广,对减压渣油加氢脱硫等重油 加氢装置可以避免结焦。也有观点认为2,3,虽然立管内的流动目前研究还很有限, 但立管比卧管可能更适于氢气在油中的扩散,对加氢过程比较有利,从结构上说卧管 的管路支架系统比较复杂,而立管的管支架相对简单,运行也较可靠,管路系统膨胀相 对容易解决。由于节省了大量的高铬镍合金管架,立管炉比卧管炉投资要少。目前 无论立管还是卧管都有广泛的工业应用,重油加氢装置采用卧管的较多。采用奥氏体钢炉管的加热炉设计时应作全面的经济比较,尽可能降低工程造
10、价。加热炉对流室虽然采用了扩面管,但平均热强度仍比辐射管平均热强度低,因此 辐射热负荷与对流热负荷分配比例值得探讨。目前为降低炉子总投资,采用的方案 主要有:a 反应进料全部在辐射室加热 ,加热炉为纯辐射炉,烟气余热另外设余热锅炉回 收。b 反应进料全部在辐射室加热 , 对流室由采用碳钢炉管的其它物料回收余热。c不具备其它回收余热方式时，可以选用辐射对流型加热炉，但对流室排管数量不宜过多,烟气余热应尽可能多地由空气预热器回收。3 炉管表面热强度辐射炉管平均热强度是反映管式炉先进程度的一个指标。它的选用是一个技术 问题，也是一个经济问题。一般讲，辐射管表面最高热强度的上限由炉管材质所允许 的最高
11、管壁温度或管内介质所允许的最高膜温度控制。采用铬钼钢炉管的加氢进料 炉，两者均有可能成为限制条件，采用奥氏体钢炉管的加氢进料炉，加工重质油时，主要 由管内介质许用膜温度控制，加工轻质油时，应综合许用膜温度、炉膛温度、管壁温 度等各方面的因素来确定采用的管壁热强度。石油烃类过热时,将发生一系列裂解与缩合反应,一方面裂解成低级不饱合烃类, 另一方面缩合成分子量越来越大的稠环芳烃,高度缩合的结果是生成碳氢比很高的 焦炭。为了避免焦炭的生成,炉管内必须控制一定的温度,即允许内膜温度。一般情 况下该温度按烃类临界分解温度进行32第 22卷第 6期张铁峰.加氢装置反应进料加热炉主要设计参数探讨控制,研究表
12、明该温度范围内最易结焦。综合国外各类加氢装置的基础设计文 件,内膜温度的控制范围大致为:汽油、煤油、柴油为460480C;重柴油、减压馏份 油为440460C;重油为430C。根据内膜温度,可以得出允许的最高管壁热强度为:q m=(t c-t0h i D i-2S rD o(1式中:q m炉管外表面局部最高热强度,W m2;t c许用内膜温度,C;t o 管内介质出口温度 , C ;h i管内流体传热系数,W (m2 - C;D o炉管外径,m;S r焦层或垢层的厚度，m。根据美国 A P I R P530 标准规定,炉管外表面局部最高热强度与炉管外表面平 均热强度的关系为:q m=F C F
13、 L F T q r+q c(2式中:q r炉管外表面平均辐射热强度,W m2;q c炉管外表面平均对流热强度,W m2;F C炉管周向辐射热强度不均匀系数；F L炉管纵向辐射热强度不均匀系数；F T管壁金属温度对辐射热强度的影响系数。假定F T=l,则可作出如下简化：q mF C F L=q r+q cF C F L由于:q=q r+q cq r+q cF C F L所以,保守起见,可以将算出的 q m作为设计中常用的许用炉管表面平均热强度 q。为更清楚地理解以上内容,这里举两个实际例子,根据内膜温度对允许平均热强 度进行计算（见表 1,其中炉 1为某重油加氢加热炉4,炉 2为某柴油加氢加热
14、炉,两炉 均为双面辐射炉型。 由以上例子可以看出重油加氢加热炉允许平表 1 按内膜温度控制的炉管表面平均热强度限制值均热强度上限为36341W m2,柴油加氢加热炉允许平均热强度上限为70814W m2。不同装置的允许最高平均热强度差别很大，其值与介质、操作温度、内膜传热 系数等因素有关。轻油加氢炉与重油加氢炉取相同的平均热强度上限是不合适的, 设计时应对不同的装置作出具体的分析。从经济性考虑,设计应尽可能取较高的热强度,但随着热强度的升高,炉膛温度相 应升高,过高的炉膛温度会给安全生产带来隐患。重油加氢加热炉按内膜温度确定 的许用热强度较低,设计时应选用允许上限,轻质油加氢加热炉按内膜温度确
15、定的许 用热强度本身就很高,设计时不能只根据允许内膜温度来选用热强度,还应保证炉膛 温度控制在950C以内,使管板、耐火材料等均在安全使用温度下，另外为防止奥氏 体钢P相脆性的产生,321,347系列炉管管壁温度的设计值通常不宜超过550C。确切理解加热炉表面热强度,对老装置的改造意义很大。装置处理量增大后,炉 子热负荷相应增大,老炉子尚有多少潜力可挖,一直为人们关注。如上面例子中的炉 2,原为120x104t a加氢精制装置中的进料加热炉，设计负荷9880k W,设计炉管表面 热强度41610W m2,现装置处理量要改造为200x104t a,炉子极限设计负荷要求达到 13950k W,如采
16、用原有炉子操作，则极限热负荷时平均热强度应为56900W m2,炉膛 温度为910C左右，故原炉不改造还是可以接受的。4 管内流速及管径管内流速及管径的选择是高压加氢装置特别应引起注意的问题。管内流速高, 则管径小,管子壁厚薄,投资省,传热有利,可以选用较高的热强度,但阻力降上升;管内 流速低,则管径大,壁厚增加,投资上升,还可能会使得管子路数增加,操作控制困难,易 偏流,另外流速低使得内膜传热系数降低,易结焦。加氢反应进料炉炉管内为氢油混相,设计时应考虑两相流的流型。根据气液在 管内空间的分布与流动情况及相互作用的机理,形成了两相流42石 油 化 工 设 备 技 术 2001年不同的流型,各种流型的产生主要取决于气液的流速。在垂直
