高壓柴油加氫反應(yīng)進(jìn)料加熱爐的設(shè)計

謝 龍

（中海油石化工程有限公司，山東 青島 266061）

為完善差異化產(chǎn)品布局和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的要求，某廠以加氫改質(zhì)柴油為原料，生產(chǎn)低凝低芳變壓器油及輕質(zhì)白油等產(chǎn)品。采用臨氫降凝-補(bǔ)充精制-蒸餾切割工藝技術(shù)路線，高壓反應(yīng)部分采用高壓一段加氫工藝技術(shù)，臨氫降凝和補(bǔ)充精制在一個反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行[1]。高壓柴油加氫反應(yīng)進(jìn)料加熱爐是裝置中的核心設(shè)備之一，為加氫反應(yīng)提供熱源。該加熱爐采取爐前混氫氣液兩相流加熱技術(shù)方案，加熱爐設(shè)計熱負(fù)荷5 000 kW，設(shè)計壓力21 MPa，操作壓力17 MPa。

1 加熱爐設(shè)計技術(shù)研究

加熱爐設(shè)計技術(shù)一般包括爐型選擇、 爐管系統(tǒng)、輻射管架、燃燒器、爐襯結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及爐壁板、余熱回收及煙風(fēng)道系統(tǒng)、控制方案等部分，本文主要對爐型、爐管系統(tǒng)、輻射管架等關(guān)鍵設(shè)計問題進(jìn)行研究討論。

1.1 爐型

加熱爐爐型的選擇，需要考慮裝置的工藝特點及處理能力、建設(shè)投資、操作費用、維護(hù)與檢修、占地面積等諸多方面，經(jīng)過全面計算和比較后，才能確定既能滿足工藝過程要求又能取得較好經(jīng)濟(jì)效益的爐型[2]。一般情況下，當(dāng)加熱爐熱負(fù)荷小于30 MW 時，如工藝無特殊要求，優(yōu)先選擇圓筒形加熱爐。但加氫裝置的爐型選擇和爐管選材、壓降、防結(jié)焦、流型等因素密切相關(guān)。

爐管選用奧氏體鋼爐管時，即使加熱爐熱負(fù)荷小，圓筒爐也是不經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)管心距為2 倍管徑時，單排單面輻射爐管的有效吸收因數(shù)為0.883，而單排雙面輻射爐管的有效因數(shù)為1.316，也就是最高表面熱強(qiáng)度相同時，單排雙面輻射爐管吸收的熱量是單排單面輻射爐管吸收熱量的1.49 倍，吸收熱負(fù)荷相同時，單排雙面輻射爐管總長度可減少1/3，即管材耗量節(jié)省33%。同時，在相同的管內(nèi)流速條件下，單排雙面輻射爐管壓降僅為單面輻射的67%，因此，爐管壓降最小。

立管加熱爐在汽柴油加氫精制等中低壓反應(yīng)爐上用的多一些，其最大的缺點是沿爐管長度方向受熱不均勻，會在爐管底部造成一個高溫區(qū)（一般在離爐底2～3 m 高度），對特別容易結(jié)焦的高壓加氫反應(yīng)爐來說是很大的威脅。另外高壓加氫反應(yīng)爐爐管內(nèi)介質(zhì)為氣液兩相流，介質(zhì)流動狀態(tài)復(fù)雜，在加熱過程中隨著溫度的升高兩相流可呈現(xiàn)氣泡流、液節(jié)流、環(huán)霧狀流等多種流型，為保證均勻傳熱和防止管線振動，選取合理的管內(nèi)流型十分重要。適合立管爐的流型范圍較窄，不合理的流型可能導(dǎo)致出現(xiàn) “滑脫”、氣-液分離等現(xiàn)象，造成局部過熱和管路結(jié)焦。而臥管加熱爐可以在較寬的流速范圍內(nèi)保持較好的流型，適用于高壓加氫爐。

因此，本反應(yīng)進(jìn)料加熱爐設(shè)計為雙輻射室單排管雙面輻射臥管箱式爐，爐區(qū)三維模型如圖1 所示。

圖1 加熱爐爐區(qū)三維模型簡圖

1.2 爐管系統(tǒng)

對于爐前混氫的加熱爐，其爐管一般選用ASTM A312 的 TP321 和 TP347，TP347 的高溫許用應(yīng)力比TP321 高20%～50%，因此，一般操作壓力低于 10 MPa 時選 TP321，高于 10 MPa 時選 TP347[3]。綜合考慮本反應(yīng)進(jìn)料加熱爐管內(nèi)介質(zhì)（油氣+氫氣+硫化氫）的腐蝕情況、操作溫度、壓力等影響因素，輻射段爐管、 遮蔽管、 對流爐管均選用ASTM A213 TP347H 材質(zhì)，并對爐管的機(jī)械性能、固溶和穩(wěn)定化熱處理提出嚴(yán)格要求，如表1、表2 所示，以提高爐管抗連多硫酸、抗氧化、抗H2+H2S 腐蝕能力，延長加熱爐開工周期。

表1 爐管拉伸性能要求

表2 爐管固溶熱處理溫度 （℃）

在爐管布置方面，嚴(yán)格遵循“水力學(xué)、熱力學(xué)對稱”的原則，在加熱爐對流段部分分兩路進(jìn)料，預(yù)熱后分別進(jìn)入兩個輻射室，從對流室到輻射室完全水力學(xué)對稱，減少管內(nèi)介質(zhì)偏流。由于輻射段為雙輻射室，即使偶爾出現(xiàn)流量不對稱現(xiàn)象，也可以通過調(diào)節(jié)爐膛溫度保證加熱爐工藝介質(zhì)出爐溫度符合要求，即可滿足熱力學(xué)對稱要求。

1.3 輻射管架

對于本裝置設(shè)計的臥管箱式爐爐型，輻射管架通常有兩種設(shè)計方式。第一種為上吊式管架結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，早期的臥管加熱爐常用該結(jié)構(gòu)，上吊式管架材料消耗量較少，但加工制造要求高，若出現(xiàn)制造質(zhì)量不過關(guān)，在上下段連接關(guān)節(jié)處容易產(chǎn)生裂紋，存在安全隱患，已服役該類加熱爐的問題比較突出。第二種為穩(wěn)定性更好的下支撐式管架，如圖3 所示。下支撐式輻射管架架構(gòu)穩(wěn)定，但合金鋼用量多，且下支撐式管架的膨脹量要比管系的膨脹量大，會導(dǎo)致連接對流爐管與輻射爐管的轉(zhuǎn)油線產(chǎn)生較大的管道應(yīng)力，嚴(yán)重時影響爐管安全。

本次設(shè)計時選擇穩(wěn)定性更好的下支撐式管架，并對下支撐式管架存在的問題進(jìn)行了工程設(shè)計優(yōu)化。在管架立柱外表面設(shè)計綁扎40 mm 厚耐火纖維毯，并將立柱上下兩端處的爐頂、爐底壁板打通，讓管內(nèi)流通空氣，從而大大降低了管架的溫度和膨脹量。同時，將對流轉(zhuǎn)輻射的爐外轉(zhuǎn)油線分為上、下兩段，中間加橫管和支座，利用杠桿原理使上、下兩段轉(zhuǎn)油線的膨脹量相互抵消。通過這些措施，有效降低了管系應(yīng)力，保證了爐管的安全。

圖2 上吊式輻射管架示意圖

圖3 下支撐式輻射管架示意圖

2 結(jié)語

對于高壓加氫加熱爐設(shè)計，爐型、爐管系統(tǒng)、輻射管架等關(guān)鍵技術(shù)直接影響加熱爐長周期安全穩(wěn)定運行。對于爐型，宜選擇雙輻射室單排管雙面輻射臥管箱式爐，確保兼顧熱強(qiáng)度、流型、經(jīng)濟(jì)性等；對于輻射管架，應(yīng)充分考慮吸收熱膨脹效果最好的結(jié)構(gòu)型式，且工程上使用成熟穩(wěn)定；對于爐管系統(tǒng)，宜選擇水力學(xué)對稱、熱力學(xué)對稱的爐管排布結(jié)構(gòu)，爐管材料宜取ASTM A213 TP347H，并滿足特定的性能要求。