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国外延迟焦化装置焦化炉技术介绍及评述
董罡 谢崇亮 颜峰
中国石油工程建设公司华东设计分公司( 青岛 266071)
摘 要: 经过对福斯特惠勒( Fosrer Wheeler) 和康菲( Conoco Philips) 两家公司在焦化炉工程设计方面技术特点的介绍, 分析了各自技术的优点和存在的问题, 并在焦化炉总投资和操作维护两方面进行对比评述。
主题词: 梯形墙焦化炉 改良型焦化炉 技术介绍 对比评述
1. 前言
国外延迟焦化技术以美国为代表, 拥有延迟焦化专利技术和工程设计经验的著名公司有: 福斯特惠勒( Fosrer Wheeler) 公司﹑康菲( Conoco Philips) 公司﹑凯洛格( Kellogg) 公司和鲁姆斯(ABB Lummus Grest)公司, 近些年经常到中国进行技术交流的主要是以福斯特惠勒和康菲两家公司为主, 她们不但在延迟焦化工艺技术方面有着各自独特的特点, 而且在影响延迟焦化长周期运行的核心设备－焦化炉的工程设计方面也各具特色, 她们有着共同的设计理念: 不追求过高的加热炉热效率, 主要考核投资回报率, 注重安全、 环保。福斯特惠勒公司拥有专有技术的炉型为梯形墙焦化炉( Terrace-WallTM Delayed Coker heater) , 国内俗称阶梯式焦化炉, 康菲公司拥有的是改良型焦化炉( New Borger Coker Furnace) , 这两种焦化炉的技术当前在国际上处于领先水平, 代表了当今焦化炉的发展趋势, 下文将对上述两家公司的焦化炉在设计方面及操作维护方面的特点进行介绍, 并加以对比评述。
2. 国外延迟焦化装置焦化炉技术介绍
2.1焦化炉工艺设计
国外这两个公司的焦化炉技术虽然各具特色, 但都是围绕着如何防止炉管严重结焦﹑延长焦化炉开工周期这个工程设计关键点进行的。两个公司在焦化炉的工艺设计方面遵循的设计原则是一致的: ①较高的管内冷油流速( >2m/s) ; ②管内停留时间短, 特别是426℃之后的管段的停留时间, 一般不大于30s; ③辐射室炉管采用双面辐射, 平均热强度合理且炉管热强度周向不均匀系数小; ④管内介质流程: 原料油先进对流室, 经转油线进辐射室上部, 最后从辐射室下部出焦化炉, 原料油流向与烟气流向相反, 为逆流换热过程; ⑤原料油温升梯度平稳; 能够保证长周期运行; ⑥设有多点注汽( 水) 及在线清焦功能; ⑦燃烧器采用扁平焰低NOx气体燃烧器, 能够有效的实现环保排放; ⑧在防结焦技术的保证下, 提高原料油出炉温度到500℃以上, 来提高装置液收, 降低焦炭产量。
2.2焦化炉结构设计
2.2.1美国福斯特惠勒公司焦化炉:
其专有的梯形墙焦化炉首次工业应用是在20世纪90年代中期, 中国南方某炼油厂引进的福斯特惠勒公司420万吨/年延迟焦化装置中的两台焦化炉采用的就是梯形墙焦化炉, 已于 建成投产。

　　　　　　　　图1　国内引进的梯形墙焦化炉

　　　　　　 　图2　梯形墙焦化炉单个辐射室内部照片

　图3　梯形墙焦化炉简图
1) 梯形墙焦化炉结构设计特点:
辐射室炉管为水平双面辐射布置, 每一个辐射室只设一路炉管; 辐射室侧墙向炉内倾斜设计, 形成下宽上窄的梯形结构; 根据装置规模不同能够设计成最多6个辐射室结构; 对流室仅有一个, 为多个辐射室共用; 气体燃烧器安装在辐射室侧墙下部, 扁平火焰沿内斜的侧墙向上燃烧; 每个管路上设有三个注水点。
2) 梯形墙炉型的优点:
焦化炉辐射室主要靠附墙燃烧的火焰和炉墙的反射辐射热来加热炉管内的油品, 倾斜的侧墙结构设计使得辐射室内的热场分布非常均匀, 实现了炉膛热量辐射的合理利用; 降低了炉管表面最大热强度, 提高了平均热强度, 延缓了炉管结焦周期; 火焰附墙燃烧, 很好地避免了普通底烧双面辐射炉火焰添炉管现象的发生, 炉管不会因局部过热而结焦; 每个辐射室内一路炉管的设计能够更好地调控炉出口油品温度, 这种结构形式操作灵活性, 可独立控制每一个辐射室, 方便地实现在线清焦( On-line Spalling) 。
3) 梯形墙型焦化炉设计存在的问题:
一辐射室一管程的设计, 使得整台焦化炉辐射室炉墙散热面积较大, 占地面积也较大; 辐射室炉管两端的连接采用铸造回弯头及弯头箱的设计, 减少了炉管有效的传热面积; 多个辐射室共用一个对流室的设计, 无法进行在线水力机械( Mechanical pingging) 清焦, 只能在设有两台以上焦化炉的大型焦化装置运行时, 采用一停一开的办法实现装置不停工清焦; 炉管采用多点注水使得焦化炉热负荷增加, 注水温度不高还易造成对流室入口炉管结焦。
2.2.2　美国康菲石油公司焦化炉:
康菲公司延迟焦化加热炉的设计一般采用的炉型与国内的大型焦化装置采用的水平卧管双面辐射箱式炉炉型近似 康菲公司在传统的水平卧管双面辐射箱式炉的基础上进行了改良, 称为改良型焦化炉( New Borger Coker Furnace) 。

图4康菲公司设计的延迟焦化装置

图5　辐射室内部照片

图6　改良型焦化炉单个辐射室简图
1) 改良型焦化炉设计特点:
辐射室炉管为水平卧管双面辐射布置, 每一个辐射室内有两路炉管; 一个辐射室对应一个对流室; 在一个辐射室内, 气体燃烧器分三排安装在辐射室下部, 扁平火焰垂直向上燃烧; 根据装置规模的不同能够设计成1～3个辐射室结构, 每个管路上设有三个注汽点。
2) 改良型焦化炉设计的优点:
辐射室取消了中间火墙, 用一排大负荷的燃烧器替代原来中间火墙两侧的两排小负荷燃烧器, 节省了耐火隔热砖的用量, 缩小了炉体散热面积, 也减小了焦化炉的占地面积; 燃烧器火焰正常燃烧时, 辐射室炉管的表面平均热强度的均匀度接近梯台墙式炉; 辐射室炉管连接采用急弯弯管的设计, 炉管均在辐射室内, 提高了炉管的有效传热面积; 能够进行在线清焦或在线机械水利清焦; 燃烧器采用扁平焰低NOx燃烧器, 能够有效的实现环保排放。
3) 改良型焦化炉设计存在的问题:
一个辐射室有两路炉管的设计, 使得两路炉管必须同时进行在线清焦或机械水利清焦, 对装置生产的影响比梯台墙式炉一辐射室一路炉管的设计要大; 三排燃烧器同时兼顾两路炉管的设计, 使得每一路炉出口油品温度调节较困难。燃烧器因燃料气或助燃空气的压力不稳定, 造成火焰发飘倒扶, 产生火焰舔炉管导致炉管局部过热结焦的现象。
3. 两种焦化炉的对比评述
两家公司在防止炉管内结焦方面都有独到之处, 两家公司在全球的延迟焦化领域都有较多的工程业绩, 也都有各自的技术建设的延迟焦化装置加工油品性质较差的委内瑞拉超稠油的经验, 都能够保持三年以上长周期运行, 主要差异体现在下面几个方面。
3.1焦化炉工程总投资方面的差异:
3.1.1技术引进:
福斯特惠勒公司的梯形墙焦化炉因是其专有技术, 在进行延迟焦化装置工艺包转让时必须捆绑向其购买整个梯形墙焦化炉设备, 焦化炉的详细设计由福斯特惠勒公司完成, 焦化炉主要关键配件, 如专利燃烧器﹑铸铁板空气预热器﹑风机等还须由福斯特惠勒公司在国外采购, 造成焦化炉总造价非常高; 康菲公司进行焦化装置工艺包转让时仅转让焦化炉技术数据及设计规范, 焦化炉的设计还是由国内设计院来完成, 焦化炉的全部配件也能够完全由国内制造, 这样可大幅降低焦化炉的工程费用。
3.1.2焦化炉结构设计:
梯形墙炉火焰为附墙燃烧, 使用的隔热砖分类温度需要达到1500℃以上, 隔热砖材料等级高, 造价比不直接受火焰冲刷的耐火砖要高; 梯形墙炉辐射室侧墙比改良型炉型数量多一倍, 辐射室炉管连接使用的铸造回弯头及弯头箱设计也要比改良型焦化炉投资高, 仅对流室要比改良型焦化炉的节省。
3.1.3投资对比:
美国KBC公司曾经对两种炉型的总投资进行过研究, 研究结果显示梯形墙炉比康菲公司的改良型焦化炉高至少30%以上, 考虑到国内外设计费及加热炉配件的制造﹑运输费用的差价, 国内引进这两种炉型的总投资上的差异会非常大。
3.2操作维护方面的差异:
1) 在线清焦:
梯形墙炉一辐射室一管程的设计相比改良型焦化炉一辐射室两管程的设计, 使得单路炉管在线清焦操作非常容易, 在线清焦时对装置处理量的波动较小, 而改良型焦化炉必须一个辐射室的两路炉管同时进行在线清焦, 在线清焦时对装置处理量的波动较大。但在多次在线清焦之后, 在线清焦已无效果的情况下, 梯形墙炉因共用一个对流室而无法进行在线水力机械清焦, 而改良型双面辐射焦化炉能够对同一个辐射室的两路炉管进行在线水力机械清焦, 来减少装置非正常停工次数。
2) 在线清焦介质:
福斯特惠勒公司采用冷凝水做为在线清焦介质, 康菲公司采用蒸汽做为在线清焦介质, 冷凝水比蒸汽温度低, 在清焦过程中与炉管管壁温差更大, 清焦效果更好。
3) 原料油出炉温度控制:
　　福斯特惠勒公司的梯形墙炉一辐射室一管程的设计使得对每路炉管出口温度控制比康菲公司改良型焦化炉一辐射室两管程的设计更方便容易。

两公司焦化炉技术对比汇总表

康菲公司
福斯特惠勒公司
备注
炉型
改良型双面辐射炉型( 无中间火墙)
梯形墙双面辐射炉型

燃烧器安装位置
炉底部( 炉管两侧)
侧墙下部
均为气体燃烧器
火焰燃烧方向
垂直向上
沿炉墙倾斜向上

管程数/单个辐射室
2管程
1管程

常见炉管管径
Ф114/Ф127
Ф114/Ф127

辐射炉管接口形式
急弯弯管
铸造回弯头

炉管注汽( 水)
注汽
注水

余热回收系统
有
有( 铸铁板空气预热器)
每炉一套
热效率
>90%
>90%
基于燃料气硫含量≤100ppm( w)
在线清焦介质
蒸汽
冷凝水
冷凝水比蒸汽效果好
加热炉在线清焦次数
2次/年( 恰当控制减渣中的盐杂质)
2次/年

加热炉在线机械清焦
能
不能

技术引进形式
购买工艺包
购买整台加热炉

加热炉造价
低
高
基于同一计价平台差价≥30%
4. 结束语:
延迟焦化装置做为中国重质原油的主要加工手段, 今后在相当时间仍会大力发展, 学习国外公司的先进设计理念, 深入研究国外焦化炉的工艺设计原则, 了解具体的结构设计中的优点和存在的问题, 从中领悟焦化加热炉设计﹑制造和保证长周期运行等方面的关键因素和技术, 有助于国内工程设计人员和炼化企业延迟焦化装置操作人员提高水平, 更好推动我们国内自主焦化炉技术的发展和进步。
作者简介: 董 罡, 高级工程师, 1990年毕业于空军工程大学化工机械专业。毕业后一直从事石油化工装置加热炉的设计工作。联系电话: , E-mail: 。