火焰直接加熱的有機熱載體爐爐型對比與分析

劉 雁，張穎虹

（北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京100166）

火焰直接加熱的有機熱載體爐通過燃料直接燃燒產生的化學能用于加熱中間熱載體，通常為導熱油。導熱油在有機熱載體爐中加熱到預定溫度后，輸送到工藝系統(tǒng)的間壁式換熱器中。在換熱器中，導熱油與工藝介質進行對流換熱，導熱油冷卻后返回到有機熱載體爐中加熱，升溫的工藝介質進行后續(xù)的化學反應。通過間壁式換熱升溫的工藝介質，不易結焦，工藝介質溫度也可實現(xiàn)精確控制。同時加熱設備和用熱設備分開，使加熱過程更加安全可靠。

有機熱載體爐常見有兩種爐體型式，一種為撬裝密排螺旋盤管立式圓通爐，另一種型式為API560[1]推薦的輻射對流型立式爐結構。兩種爐型各有優(yōu)缺點及適用范圍，根據(jù)運行工況選擇合適的爐型對于保證工藝系統(tǒng)性能至關重要。

1 結構形式

撬裝密排螺旋盤管立式圓通爐結構型式如圖1所示，內層密排的螺旋盤管構成了輻射爐膛，內外排爐管夾層構成了對流受熱面。爐管、燃燒器及襯里集成于爐殼之中，整個有機熱載體爐結構緊湊，可撬裝供貨，整體運輸，現(xiàn)場整體安裝，施工工作量小，安裝相對簡單方便。因為整體運輸?shù)男枰?，要求這種撬裝的導熱油爐外形尺寸不能超過運輸限制尺寸，所以受熱盤管的布置面積有限，一般來說最大設計負荷不超過20 MW。由于只有內層盤管內表面接受熱輻射，所以撬裝爐型的輻射熱強度較大，不利于膜溫的控制。此種爐型運行中爐頂及煙風管道為正壓。

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

圖1 撬裝密排螺旋盤管立式圓筒爐

圖2 API型式熱載體爐

2 有機熱載體的結焦原理及膜溫控制

膜溫這個指標對于選擇合適的爐型至關重要。邊界層內流速較低，溫度最高，膜溫遠遠高于主流溫度。如果膜溫過高，邊界層內有機熱載體裂解率會提高，導致管內結焦。結焦反應溫度即膜溫對結焦速率影響巨大。低的膜溫不光是安全性的限制，也是評價熱工設計優(yōu)劣的重要指標，結焦速率方程[3]為

式中：Rc為結焦速率，mg ?cm-2h-1；C1為結焦母體速度 ，mg ?cm-3；n為反應級數(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。

對于有機熱載體爐，不論是撬裝型式還是API 型式，都可以通過文獻[4]，定性的分析工業(yè)爐的結焦情況，為爐體熱工設計提供參數(shù)優(yōu)化的指導：

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

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

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

3 熱力參數(shù)實例

根據(jù)實際項目參數(shù)，給出了相關的熱力計算參數(shù)（見表1）。

表1 熱力計算參數(shù)

從表1 計算結果看出，由于導熱油進出口溫度都遠離最高允許使用溫度，所以，兩種型式計算出的最高膜溫、熱強度、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，由于撬裝爐型造價低、現(xiàn)場安裝工作量小、安裝周期短，所以會優(yōu)先考慮撬裝爐型。

從表2 可以看出，導熱油進出口溫度與允許使用溫度比較接近，這種情況下，撬裝型式的導熱油爐計算膜溫已經(jīng)超過最高允許膜溫。如果采用撬裝爐型，就會導致導熱油結焦、爐管過熱燒穿。由于API爐型現(xiàn)場安裝，無運輸尺寸要求，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度，從而降低了膜溫差。

表2 熱力計算參數(shù)

撬裝爐型撬裝密排螺旋盤管立式圓筒爐由于運輸限制，內部換熱面布置有限，且只有內層盤管內部為輻射受熱面，所以熱強度較高、熱負荷較大，工藝要求的導熱油進出口溫度較高的情況下，需仔細核實膜溫。如果膜溫較高或已經(jīng)超過允許膜溫，可使用API 型式的導熱油爐。設計時盡量采用小管徑爐管以達到優(yōu)化設計的目的。

4 結 論

API 型式導熱油爐及撬裝密排螺旋盤管立式圓筒爐型式各有優(yōu)缺點，導熱油爐熱力性能優(yōu)化及運行安全性是選擇爐型的首要標準。一般來說，設計負荷超過20 MW時，優(yōu)先采用API型式導熱油爐；設計負荷小于20 MW時，需分別計算出兩種爐型的熱力參數(shù)，如熱強度、膜溫等，經(jīng)性能及經(jīng)濟性對比后，選擇出合理的爐型。

無論API型式導熱油爐還是撬裝密排螺旋盤管立式圓筒爐型式，設計時盡量采用小管徑爐管及高的介質流速以優(yōu)化性能。