柴油加氫裝置分餾重沸爐的擴(kuò)能改造

時(shí)丕斌，趙鵬飛，王偉迪

中國(guó)石油遼河石化公司，遼寧盤錦 124022

1 工程概況

某石化公司柴油加氫改質(zhì)裝置因生產(chǎn)需要而摻煉蠟油，并增加航空煤油、重柴油等產(chǎn)品，由于生產(chǎn)加工方案改變，需對(duì)裝置開展適應(yīng)性改造。由于分餾塔增設(shè)中段抽出流程，塔底熱負(fù)荷需大幅提高，但原分餾塔底重沸爐熱負(fù)荷較低，無法滿足生產(chǎn)要求；因此決定在不改變加熱爐主體結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)能改造，改為分餾塔進(jìn)料加熱爐，從而達(dá)到縮減投資、修舊利廢的目的。

原分餾系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，開展裝置改造后，需拆除圖中標(biāo)識(shí)綠色線的工藝管道及循環(huán)泵，增設(shè)如圖中紅色線所示的工藝流程。流程改造后，原分餾塔重沸爐將作為分餾塔進(jìn)料加熱爐使用。

2 重沸爐運(yùn)行參數(shù)

重沸爐為單排管、靠墻布置、單面輻射、對(duì)流－輻射型圓筒加熱爐，圓筒加熱爐是石油化工裝置常見加熱型設(shè)備，其作用是將爐管中通過的油料或其他介質(zhì)加熱至所需溫度，然后進(jìn)入下一工藝設(shè)備進(jìn)行分餾、裂解或反應(yīng)等，加熱爐熱量來源于燃燒氣體或液體燃料等[1]。圓筒式加熱爐具有投資成本低、余熱利用率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，一般由輻射室、對(duì)流室、余熱回收系統(tǒng)、燃燒器及通風(fēng)系統(tǒng)等五部分組成[2]。

重沸爐采用模塊化設(shè)計(jì)、工廠化預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)組裝的制造模式[3]，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

重沸爐本體包括一段輻射室模塊及兩段對(duì)流室模塊，如圖2所示。爐管材質(zhì)為20#鋼，按4管程設(shè)置。其中，輻射室共有56根爐管，沿爐膛呈圓周布置，每管程14根爐管。上段對(duì)流室模塊共設(shè)有3排翅片管，總計(jì)24根爐管，此外，該對(duì)流段模塊另設(shè)有兩排預(yù)留管孔，以備擴(kuò)能使用。下段對(duì)流室模塊設(shè)有3排光管及2排翅片管，每排8根爐管。重沸爐加熱介質(zhì)為石腦油及柴油，工藝介質(zhì)先經(jīng)對(duì)流室預(yù)熱，再進(jìn)入輻射室加熱至所需溫度。設(shè)計(jì)熱負(fù)荷11.63 MW，正常操作熱負(fù)荷約8.67 MW，介質(zhì)入爐溫度約266℃，出口溫度約278℃。

圖1 分餾系統(tǒng)工藝流程

表1 重沸爐結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 重沸爐示意

3 重沸爐擴(kuò)能改造方案研究與分析

按照裝置摻煉蠟油適應(yīng)性改造要求，該重沸爐改造為分餾塔進(jìn)料加熱爐后，在新設(shè)計(jì)工藝參數(shù)條件下，熱負(fù)荷將高達(dá)15.66 MW，操作熱負(fù)荷高達(dá)12.26 MW，介質(zhì)入口溫度約290℃，出口溫度約335℃。與重沸爐原設(shè)計(jì)參數(shù)相比，加熱爐出口溫度提高近60℃，熱負(fù)荷提高35%，操作熱負(fù)荷提高46%。為此研究了兩種技術(shù)改造方案。

3.1 方案一：保持爐體結(jié)構(gòu)不變，重沸爐直接用作分餾塔進(jìn)料加熱爐

保持爐體結(jié)構(gòu)不變，僅通過增加燃料氣流量的方式提高熱負(fù)荷，并使之滿足新運(yùn)行條件下的介質(zhì)流量、組成及出入口溫度要求，則增加燃料氣流量提升熱負(fù)荷后的運(yùn)行參數(shù)與該爐原設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比如表2所示。

由表2可知，僅依靠增加燃料氣流量的方式強(qiáng)制提高重沸爐熱負(fù)荷，從而適應(yīng)裝置改造后的運(yùn)行參數(shù)，爐膛溫度將高達(dá)874℃，最高管壁溫度高達(dá)438℃，煙氣離開加熱爐溫度為405℃。加熱爐在此條件下運(yùn)行，對(duì)爐管及其支撐件將帶來較大風(fēng)險(xiǎn)及隱患，由于排煙溫度大幅升高，對(duì)余熱回收系統(tǒng)空氣預(yù)熱器的熱負(fù)荷同樣帶來不良影響[4]。

因此在不改變?cè)字胤袪t爐體結(jié)構(gòu)的前提下直接利舊使用，僅依靠提高燃料氣流量的措施提高加熱爐熱負(fù)荷，將導(dǎo)致加熱爐爐膛溫度過高，爐管管壁溫度也將超過爐管材質(zhì)允許的使用溫度，嚴(yán)重威脅加熱爐的安全運(yùn)行。因此，利舊使用該重沸爐，需開展結(jié)構(gòu)改造以解決其傳熱面積不足、操作彈性空間較小的問題[5]。

表2 按照方案一直接利舊使用前后設(shè)計(jì)運(yùn)行指標(biāo)

3.2 方案二：增加爐管受熱面積技術(shù)改造

根據(jù)上述分析可知，需通過增加受熱面積的方式提高重沸爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，見圖3。經(jīng)分析計(jì)算，在不改變重沸爐主體結(jié)構(gòu)的前提下，可以通過增加輻射段高度及對(duì)流段爐管數(shù)量的方式，來達(dá)到充分利用余熱、降低排煙溫度及提高熱效率的目的[6]。

圖3 重沸爐改造示意

3.2.1 輻射段改造

重沸爐輻射段改造內(nèi)容主要包括輻射室增高3 000 mm，輻射爐管相應(yīng)增長(zhǎng)，輻射爐管固定吊鉤移位及燃燒器更換等，具體包括以下：

（1）56根輻射爐管每根增長(zhǎng)3 000 mm，保持4管程結(jié)構(gòu)不改變；輻射爐管高度增加，爐管吊鉤位置上移，輻射筒體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)和襯里結(jié)構(gòu)行相應(yīng)加高改造。

（2）輻射段在爐頂處與對(duì)流段拆分，對(duì)流轉(zhuǎn)輻射轉(zhuǎn)油線相應(yīng)改造。

（3）原輻射頂鋼結(jié)構(gòu)按利舊考慮，如拆除過程中損壞嚴(yán)重不能利舊，則需重新制作。

（4）輻射爐底、筒體、輻射爐頂襯里進(jìn)行相應(yīng)增加或改造。

（5）由于工藝熱負(fù)荷增加，8臺(tái)燃燒器需全部更換。

3.2.2 對(duì)流段改造

加熱爐對(duì)流段改造內(nèi)容主要包括上段對(duì)流模塊預(yù)留空間增設(shè)兩排翅片管及增設(shè)中段對(duì)流模塊等，具體包括以下：

（1）原上段對(duì)流模塊預(yù)留位置增加2排翅片管，增設(shè)中段對(duì)流模塊，該對(duì)流模塊共有3排工藝介質(zhì)翅片管，另有1排過熱蒸汽翅片管。即總計(jì)增設(shè)5排（40根）介質(zhì)翅片管，用于預(yù)熱工藝介質(zhì)，另增設(shè)1排（8根）蒸汽過熱翅片管，用于過熱低壓蒸汽。對(duì)流段鋼結(jié)構(gòu)、兩端管板、彎頭箱及襯里等做相應(yīng)改造。

（2）原設(shè)計(jì)彎頭箱門、彎頭箱架在對(duì)應(yīng)對(duì)流模塊改造處相應(yīng)拆開，若完好無損均利舊；若拆除時(shí)已損壞需重新制作。

3.2.3 煙道改造及其他

保留原對(duì)流頂煙囪短節(jié)及煙道擋板，擋板以上煙道相應(yīng)縮短保證與余熱回收水平煙道相接；爐管拆除后重新檢驗(yàn)合格后方可利舊；拆除或改造中受損鋼結(jié)構(gòu)及襯里須進(jìn)行修補(bǔ)及增補(bǔ)料；拆除或改造中利舊的部件若損壞需按原圖重新制造。

3.3 改造效果對(duì)比分析

按照方案二開展技術(shù)改造，對(duì)重沸爐運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了理論分析與計(jì)算，并將相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)列于表3。顯然，按照方案二開展技術(shù)改造后，加熱爐熱負(fù)荷將由11.63 MW增至15.66 MW，爐膛工作溫度為801.2℃，排煙溫度為304.5℃，爐管最高管壁溫度為398℃，以上設(shè)計(jì)運(yùn)行指標(biāo)不僅可以達(dá)到生產(chǎn)運(yùn)行需要，而且，滿足加熱爐安全運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)要求。

通過對(duì)比表2及表3設(shè)計(jì)運(yùn)行指標(biāo)可知，按方案二開展技術(shù)改造，加熱爐爐膛工作溫度將比方案一下降72.8℃，加熱爐排煙溫度將下降100.5℃，加熱爐爐管最高管壁溫度下降40℃。這不僅可以保證加熱爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且，排煙溫度的顯著降低還大大提升了加熱爐的運(yùn)行效率。

表3 按照方案二開展技術(shù)改造前后設(shè)計(jì)運(yùn)行指標(biāo)

按照上述改造方案二，該重沸爐在停工檢修期間實(shí)施了技術(shù)改造，改造投用后，經(jīng)分析計(jì)算，該爐實(shí)際運(yùn)行熱負(fù)荷約10.42 MW，燃料氣消耗流量約1 346.8 Nm3/h，爐膛最高溫度650℃，排煙溫度約263℃，計(jì)算熱效率約0.925。通過以上運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，重沸爐擴(kuò)能改造為分餾塔進(jìn)料加熱爐后，不僅有效保證了熱效率，而且顯著降低了爐膛溫度及排煙溫度等，為長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了保障[7-8]。

4 結(jié)束語

針對(duì)某柴油加氫改質(zhì)裝置摻煉蠟油適應(yīng)性改造項(xiàng)目需要，對(duì)停用的分餾塔底重沸爐進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算分析，并通過增加輻射段爐管長(zhǎng)度、增加對(duì)流模塊、更換爐底燃燒器等措施，在保證加熱爐熱效率的前提下，有效提高了重沸爐熱負(fù)荷，而且，各項(xiàng)運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)重沸爐開展改造利舊，有效降低了工程投資，經(jīng)核算，對(duì)重沸爐開展技術(shù)改造與重新設(shè)計(jì)建造加熱爐相比，可節(jié)約投資450余萬元。

[1]石油化學(xué)工業(yè)部石油化工規(guī)劃設(shè)計(jì)院.管式加熱爐工藝計(jì)算[M].北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社：1976：1-5.

[2]錢家麟，于遵宏，李文輝，等.管式加熱爐[M].北京：中國(guó)石化出版社，2003：1-15.

[3]陳孫藝，吳海勝，許敏，等.大型圓筒型加熱爐的模塊化建造技術(shù)[J].石油化工建設(shè)，2014（5）：42-47.

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[5]孫毅.柴油加氫改質(zhì)裝置反應(yīng)進(jìn)料加熱爐的擴(kuò)能改造[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2009，30（2）：16-21.

[6]劉克剛.乙烯裝置裂解爐對(duì)流段改造[J].乙烯工業(yè)，2016，28（3）：13-16.

[7]關(guān)昌凱，杜通林，李明，等.圓筒型管式加熱爐工藝計(jì)算程序及其應(yīng)用[J].天然氣與石油，1998，16（1）：31-33.

[8]SH/T3045-2003，石油化工管式爐熱效率設(shè)計(jì)計(jì)算[S].