加热炉大型化讲座.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,加热炉大型化讲座,-炼油加热炉大型化的问题与对策-,-,1-,目 次,一、常减压炉的大型化,二、制氢转化炉的大型化,三、焦化炉的大型化,四、重整炉的大型化,五、加氢炉的大型化,-2-,一、常减压炉大型化,慨述,常减压装置单套最大处理量国外1350万吨/年（印度），国内已建成800万吨/年（镇海、海南），正在设计1000万吨/年（大青岛）和1200万吨/年（惠州）,大型化应特别注意降低能耗,炉型及结构,多流路防止偏流的措施,保证长周期安全运转的措施,大型化应特别注意降低能耗,随着装置处理量的增大，能耗每降低一个百分点，其节能的绝对值都是很可观的(这一点对各种加热炉都一样，后面不再重复)。降低能耗的主要途径有：,优化换热流程，降低加热炉热负荷。,从前250万吨/年常压炉热负荷4048,MW，,现在1000万吨/年常压炉热负荷仅7080,MW。,换热终温前者220，后者300310。,提高加热炉热效率。,大型化的加热炉一般设计计算热效率都要达到9092%。当然，如果使用高硫劣质燃料，要得到如此高的热效率是很困难的。,采用变频送、引风机。,大型化加热炉所用的送、引风机均很大，采用变频技术节能也十分显著。,炉型及结构,常压炉和燃料油型减压炉宜采用立管炉，润滑油型减压炉或深拔减压炉宜采用卧管炉,当用立管炉时，过去30,MW,以上不宜用圆筒炉而应采用箱式炉的限制已被突破，因为新标准（,SH/T3036-2003）,无此规定，反而规定了箱式炉的高宽比与圆筒炉的高径比一样，最大2.75，最小1.5。这样，两者的占地面积、炉管用量、高合金炉管支撑件、炉衬材料等都差不多，而钢结构箱式炉要比圆筒炉多30%左右，见下表。据此，大型化的立管炉，热负荷在60,MW,以下的也可设计成单台对流-辐射型圆筒炉，60,MW,以上的也可以设计成双胞胎圆筒炉，即两个圆筒形辐射室，一个或两个对流室，而总烟道和烟囱只有一个。,卧管炉采用大弯管套小弯管结构在一个箱式炉膛内可排4流路，双室箱式炉可排8流路。,多流路防止偏流的措施,各流路水力学对称,。即各流路水力长度基本相等。,分支流控。,即在入口支路上设置流量变送器和控制阀，保持各流路流量均匀。这种方法只能将各路汇合后的总出口温度保持在规定的范围内，而各支路出口温度可能超过规定。为改善这种情况，推荐采用,支路均衡控制,。,支路均衡控制。,其调节方法为：保持通过加热炉的总流量一定，而允许支路流量有变化；各支路的出口温度自动与炉总出口温度比较，通过公式计算自动调节各支路的进料流量，维持各支路的温度均衡。,保证长周期安全运转的措施,大型化加热炉的非正常停工带来的损失将是巨大的。因此保证其长周期安全运转十分必要。这主要通过设备本身及其自控安全保障系统来实现（这一点对各种加热炉都一样，后面不再重复）：,选好炉管及其连接件材料，以保证炼劣质原油时能长周期安全运转。,设置燃烧器熄火保护系统长明灯、长明灯离子棒火焰监测器、红外或紫外火焰监测器。,设置送、引风机、烟道旁通挡板和自然通风门之间的联锁报警系统，预热回收故障时自动切换成自然通风操作。,辐射室出口和对流室出口烟气温度突然大幅升高时报警，可能是炉管烧穿或别的火灾事故，必要时紧急停炉。,二、制氢转化炉的大型化,概述,转化炉大型化的要求,炉型,转化管管系,国内全冷壁下集气管的研发,SEI,全冷壁下集气管技术特点,概述,随着炼油加工原油劣质化和重质化比例的逐年增大，而油品需求结构又向轻质化转变，以及环保对清洁燃料的要求日渐提高等因素的影响，加氢装置已成为炼油厂提高产品品质，增加经济效益必不可少的加工手段。作为提供氢源的制氢装置及该装置的核心设备转化炉必将得到迅速发展。,工业氢气的生产方法很多,煤或焦炭水煤气法，渣油或重油部分氧化法，烃类水蒸汽转化法，炼厂富氢气体净化分离法，电解水法等。由于轻烃蒸汽转化法工艺成熟可靠，投资低廉，操作方便，炼油厂90%的制氢都采用此法。,随着炼油装置的大型化，制氢转化炉也逐渐大型化。国外已建成单台120000,Nm,3,/h，,国内已建成最大的60000,Nm,3,/h。,从经济和目前机械设计的可能性而言，单台转化炉最大在140000150000,Nm,3,/h,为宜。,-,10,转化炉大型化的要求,转化炉的大型化不能是简单的一加一等于二，要是这样，现在10000,Nm,3,/h,转化炉用56根（无预转化，有预转化44根）转化管，120000,Nm,3,/h,转化炉就要用672（528）根转化管。这样的大型化恐怕很难实现。,转化炉大型化的关键主要在于以下几点：,改进催化剂性能,，提高空速，提高转化管传热强度和转化气出口温度，从而提高转化率，减少转化管数量。目前，在有预转化的情况下，每10000,Nm,3,/h,国外约用32根转化管，而国内用44根。120000,Nm,3,/h,国外约用384根转化管，而国内要用528根。转化管表面传热强度国外已达8591,kW/M,2,，,而国内仅4550,W/M,2,。,转化气出口温度国内最高860，国外最高915。,采用更高级的转化管材料,，以适应高热强度带来的高温。现在一般用,HP40Nb，,高温时可用,HP50NbTi。,改进转化管系结构,，以适应大型化转化管数量的增加。这一点将在后面详述。,改善传热均匀性。,大型化和苛刻的操作条件下，任何传热的不均匀性都可能降低转化率、缩短运转周期，甚至造成转化管早期损坏。因此需要改进燃烧器布置和收集烟气的烟道设计，并用,CFX,软件模拟炉内温度场和流动场，以得到最均匀的传热效果。,防止偏流。,每根转化管就是一个流路，大型化后转化管数量的增加更要求各流路流量均匀。为防止偏流，除各流路严格对称外，由于转化管内要装填催化剂，还要求在转化炉投运前应进行各流路压降检测。每根转化管的压降一般在0.20.3,MPa,，,一般要求各路压降之差不大于5%，才能保证各路流量偏差不超过2.5%。,高度自动化。,在欧美，制氢装置的自动化程度已达到无人值夜班。,炉型,轻烃蒸汽转化炉的每一根炉管就是一个直接火焰加热的转化反应器，其炉管一般也称为转化管，管内装填有催化剂，工艺介质（烃和水蒸汽）在管内一边吸热，一边进行着复杂的化学反应。,制氢炉操作条件是炼油厂加热炉中最苛刻的，转化管系统使用的都是高铬镍合金材料，因此应选用单排管双面辐射炉型。,转化炉常用的炉型有顶烧炉（以,I.C.I,和,Kellogg,为代表）、侧烧炉（,Topse）,和梯台炉（,Foster Wheeler,）,三种。,大型化的制氢炉大都选用顶烧炉（约占75%）。,-,13,-,炉膛大小,投资,燃烧器数量,顶烧炉,1,1,1,侧烧炉,1.5,1.3,34,转化管管系,制氢炉转化管管系一般采用单管型，包括转化管、上下尾管和上下集气管，见图。大型制氢炉的上、下集气管一般还分为总集气管和支集气管。,转化管,转化管在炉膛内的为加热段，炉膛之外的为伸出段。管内设置有支持催化剂的伞形托架，两端设置有法兰和法兰盖，以便装卸催化剂，见图。,每根转化管都是独立的，其管心距不受弯头结构尺寸的限制。管心距增加，管子表面利用率增加，但到管心距为管径的二倍之后其利用率增加也不明显，见图。因此，制氢炉的管心距是根据结构设计在二至三倍管径之间选取。,转化管有冷底和热底两种结构。,冷底结构有上支撑、下支撑和上下支撑三种型式。现在常用的是下支撑上牵引结构。热底结构一般为下支撑。,-,14,-,尾管,尾管一般采用,32,3.5,或,25,2.5,的细管制成柔性结构。其作用除传送工艺介质外，主要是补偿高温下转化管和上、下集气管的热膨胀，尽可能地减少热变形应力。为了改善尾管与接头焊口处的受力状态，通常采用恒力弹簧将尾管悬吊起来。,上集气管,由于工艺介质进口温度较低，上集气管直径一般较小，材质也较低。为了解决热膨胀引起的总集气管和支集气管三维位移问题，总集气管和支集气管宜采用恒力弹簧悬吊，并对支集气管采取适当的限位措施。,-,15,-,下集气管和下尾管,4.1全热壁结构,直连式(,Kellogg),长尾管式,短尾管+推动杆式(,Foster Wheeler),4.2,冷-热壁混合结构,分集气管为热壁，总集气管为冷壁。几乎都用长尾管式。,4.3全冷壁结构,直连式,（德国,UHDE,）,短尾管式,（法国,TECHNIP,）,全冷壁下集气管，特别是直连式全冷壁下集气管，炉底危险点几乎等于零，炉底干净整齐，便于目力检查，特别适用于大型化后转化管数量多的情况。因此，,为适应大型化和苛刻的操作条件，国外一些从事制氢和合成氨的大工程公司，如,Lurgi,Tops,o,e,Foster Wheeler,等已先后采用全冷壁下集气管。,-,19,-,国内全冷壁下集气管的研发,随着国内制氢转化炉大型化和操作条件越来越苛刻的要求，开发和研制全冷壁下集气管制氢转化炉已势在必行。,SEI,从2000年以来研发的全冷壁下集气管已在高桥和沧州先后建造和投用了三台转化炉，经4年多的使用，性能良好，安全可靠，填补了国内在这方面的技术空白，为国内设计和建造大型转化炉准备了条件。年初该技术已通过总公司鉴定。,新开发的全冷壁下集气管有以下特点：,-,23,-,SEI,全冷壁下集气管技术特点,直连式全冷壁结构,转化管直接座落在冷壁下集气管上。转化管下部呈套管结构内管直接插入冷壁下集气管的内衬套内自由膨胀，并将转化气引入集气管内；内管与外管之间，以及冷壁集气管和内衬套之间填塞隔热耐火材料，以降低外壁温度；内衬套采用无支撑自动定位的承插式结构，可自动补偿高温热膨胀。见附图,滑板式炉底密封结构,转化管穿过炉底处采用滑板式密封结构，既防止漏风，又允许转化管适度位移，以补偿冷壁下集气管并不太大的热膨胀。,24,事故封头,采用快装式事故封头，作为个别转化管破裂时的应急措施。,催化剂吸出系统,采用包括水环式真空泵、催化剂沉淀罐和气水分离器等组成的催化剂吸出系统。以解决检修时催化剂卸出问题。,25,-,26,-,三、焦化炉的大型化,慨述,焦化塔的限制,焦化炉大型化受炉管管内结焦因素的制约,焦化炉大型化受炉管直径的限制,炉型,在线清焦技术,-,27,-,慨述,国外延迟焦化单套平均加工能力为136万吨/年。我国延迟焦化单套产能以前平均只有64万吨/年，自2000年引进单套能力100万吨/年以来有了迅速发展，目前已建成的单套处理量达160万吨/年，正在设计的单套210万吨/年。这也许就是单套最大的处理能力了。,焦化塔的限制,焦化塔是延迟焦化装置设备大型化首先需要解决的问题。随着焦化塔直径的增加，要求水力除焦的能力也随之增加，而热焦冷却所需的时间也增加。目前国外最大的焦化塔直径10.4,m（,印度），国内正在设计最大的焦化塔直径9.8,m（,惠州）。,焦化炉大型化受炉管管内结焦因素的制约,大型化设计时必须控制油品在管内停留时间及炉出口热转化率，才能保证长周期安全运转。,大型化焦化炉设计时应对炉出口热转化率、停留时间进行较核，并控制油温高于427以后的停留时间不超过40秒，炉出口热转化率不超过,20%,。,焦化炉大型化受炉管直径的限制,油膜传热系数与炉管内径的0.4次方成反比。管径越大，油膜传热系数越小，油膜温度越高，热裂解和结焦的倾向就越大。从前焦化炉管直径一般为,102，,现在最大也只用到,127。,再考虑到压降和停留时间的限制，单路,127,炉管处理能力约为35万吨/年。210万吨/年焦化炉已6路,127，,且一路一个炉膛，再大恐怕就很难做了。炉型,焦化炉由于结焦严重，因此都采用卧管炉。以前采用普通卧管立式炉，单面辐射炉型；大型化的焦化炉一般采用单排卧管双面辐射炉型。这可以使辐射炉管总长度缩短约34%，停留时间也缩短约34%。,-,29,-,在线清焦技术,大型化的焦化炉需要长周期安全运转，为此必须采用在线清焦技术。在线清焦技术有两种原理：一是水煤气反应，二是急冷急热。前者用于清除软焦，在高温下通入水蒸汽，使之与焦炭反应生成水煤气（,CO+H,2,）,排入焦化塔，完成除焦目的。后者用于清除硬焦，先切断某路炉管进料，将其加热至高温，突然熄火，靠钢管的急剧冷缩将焦炭剥离，再用蒸汽吹入焦化塔。,为了在线清焦，也为了各流路受热均衡，每一流路应单独在一个炉膛内。,-,30,-,四、重整炉的大型化,慨述,最早的重整装置处理量仅15万吨/年或30万吨/年。90年代引进的连续重整也仅60万吨/年或80万吨/年。国外已建成220万吨/年（印度），国内正在设计的200万吨/年（惠州）。,炉型,小规模的半再生重整反应器进料加热炉（简称重整炉）大多采用几台并列的圆筒炉，已采用三合一的立式炉。连续重整因压降要求极小，一般采用,U,型（,UOP）,或倒,U,型（,IFP）,全辐射炉型。为了对流室布置余热锅炉，一般采用四台联合作一个对流室结构，即“四合一炉”。,特大型的重整炉，如正在设计的200万吨/年重整炉，其二重整炉要排90根,U,型炉管，管心距240,mm，,如排在一个炉膛长约22米，因对烧燃烧器间水平距离1113米的限制，得采用两炉并联，此时如再联合就会成为五合一炉。由于余热锅炉结构上难处理，只好拆成两炉：一个二合一，一个三合一。,防止偏流的措施,集合管直径和流向决定了炉管系统内介质的流量是否均匀，偏流会导致事故，有关集合管与支管截面之间的关系以及流向，应用,CFX,软件进行模拟计算，计算的,支管,114.36.02mm，35,管程。总截面积287454.76,mm,2,管心距为260,mm,集合管长34260=8840,mm,集合管走向如下图,中的,A,和,B，,计算结果列于下表。,计算结果表明，流向,A,优于,B，,集合管截面积等于各支管截面积之和(左右)就能保证各路均匀而不偏流。,U,型管排列,B,流向,五、加氢炉的大型化,概述,炉型,防止偏流的措施,炉管长和流速低时注意流型变化,概述,加氢技术分加氢处理（10%的原料油分子变小）和加氢裂化（10%的原料油分子变小）两大类，其工业应用前者始于1950年，后者始于1959年。由于原油的劣质化、重质化，而油品又要求优质化和轻质化，以及环保呼声日高等原因，加氢技术工业应用虽然比其他炼油技术晚，但其发展速度和规模都很快超过了其他炼油技术。七、八十年代，加氢装置仅几十万吨/年，九十年代一、二百万吨/年，目前正在设计的加氢裂化装置是400万吨/年。没有查到国外资料，也许这就是目前最大的加氢装置了。,炉型,加氢炉指的是加氢反应器进料加热炉。有炉前混氢、炉后混氢、部分混氢以及炉后混油几种形式。用得最多的是炉前混氢和炉后混油两种。随着加氢装置大型化，出现了部分混氢形式，即在炉前混入部分氢气，另一部分氢气在炉后混入，以解决换热器尺寸太大、炉管流路太多以及总压降太大等问题。,炉后混氢的加氢炉就是一个油品加热炉，不必多说。炉前混氢和部分混氢的加氢炉因是两相流，一般采用卧管。炉后混油的加氢炉实际上是纯氢气加热炉，一般采用立管。除炉后混氢外，加氢炉管大都要用价格昂贵的奥氏体不锈钢，为了提高炉管的利用率，通常采用单排管双面辐射炉型。大型化的加氢还采用多室炉，即多个辐射室一个对流室的炉型。,由于加氢炉管很贵，一般不排在对流室。对流室排分馏炉或重沸炉介质，或直接将加氢炉高温烟气兑入分馏炉或重沸炉对流室。,防止偏流的措施,炉后混氢和炉后混油的加氢炉，由于是单向流，采用盘管水力学对称和分支流控就能很好地防止偏流。炉前混氢和部分混氢的加氢炉，由于是两相流，难以分支流控，将盘管及工艺配管严格要求水力学对称外，还应每一路一个炉膛，单独温控，以便在出现偏流时，使其热力学均衡，避免超温和裂解。,炉管长和流速低时注意流型变化,大型化后，加氢炉管单根长度可达2426米，加上采用部分混氢，管内线速较低，常常会出现在管入口和出口流型不同的情况，甚至出现气液分层现象，见图。该图是用软件模拟的，管子入口流速15.33米/秒。,