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新型延遲焦化加熱爐設(shè)計(jì)探討

文檔作者：吳振松文檔來源：中海油石化工程有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年08月08日
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第8期 - 19 -
新型延遲焦化加熱爐設(shè)計(jì)探討
吳振松
（中海油石化工程有限公司， 山東 青島 266061）
[摘 要] 隨著焦化加熱爐加工的原油品質(zhì)日益劣化及規(guī)模的日益擴(kuò)大，焦化加熱爐的設(shè)計(jì)要求越來越高。近年來國外大型
焦化加熱爐的引進(jìn)及國內(nèi)技術(shù)的發(fā)展，使焦化加熱爐的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。新技術(shù)在延遲焦化加熱爐的設(shè)計(jì)被使用。在爐型
選擇上，宜采用水平管單排管雙面輻射爐型；對(duì)輻射管架，應(yīng)特別注意輻射管架的熱膨脹問題；對(duì)爐管材料，宜采用Cr9Mo
材質(zhì)；對(duì)冷油流速，宜設(shè)計(jì)為2 m/s左右較合理；對(duì)燃燒器，宜選用低NOX的附墻燃燒器；為保證焦化爐的長周期安全運(yùn)
行，宜采用在線燒焦技術(shù)；對(duì)爐襯，宜采用熱容量較低的纖維類材料。與傳統(tǒng)的焦化加熱爐相比，采用新技術(shù)的焦化加熱
爐在熱效率、操作周期及操作費(fèi)用等方面有著明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
[關(guān)鍵詞] 煉油裝置；延遲焦化；加熱爐；設(shè)計(jì)
作者簡介：吳振松（1982—），男，山東鄒平人，2009年中國石
油大學(xué)（華東）化工過程機(jī)械專業(yè)畢業(yè)，碩士研究生，工程師，現(xiàn)
在中海油石化工程有限公司從事加熱爐方面的設(shè)計(jì)工作。
焦化加熱爐是延遲焦化裝置的核心設(shè)備，
其運(yùn)行的好壞直接影響裝置的運(yùn)行周期和經(jīng)濟(jì)效
益。隨著煉油裝置加工的原油日益劣化、常減壓
裝置加工深度的提高及輕質(zhì)油拔出率的上升，延
遲焦化裝置加工原料中重組分油品、殘?zhí)考胞}類
等含量均不斷增加，焦化加熱爐的操作條件日益
苛刻，這對(duì)焦化加熱爐提出了更高的要求[1]；隨
著焦炭塔的直徑越做越大，延遲焦化裝置規(guī)模亦
日益大型化。延遲焦化裝置規(guī)模大型化是降低投
資、減少消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段，在設(shè)
備投資和操作費(fèi)用等方面都具有較大優(yōu)勢。因
此，研究開發(fā)新型延遲焦化加熱爐的設(shè)計(jì)方法顯
得尤為重要。
國外延遲焦化技術(shù)以美國為代表，較成熟的
有凱洛格（Kellogg）公司、魯姆斯（ABB Lummus
Grest）公司、大陸（Conoco）石油公司和福斯特?
惠勒（Foster Wheeler）公司的技術(shù)。在國內(nèi)自上海
石化1999年底100萬噸/年焦化裝置建成并順利投產(chǎn)
以來，延遲焦化技術(shù)及裝置建設(shè)得到了較快發(fā)展。
一批年加工能力在100萬噸以上的延遲焦化裝置陸
續(xù)建成并投產(chǎn)，單套最大加工能力已達(dá)210萬噸/年
（惠州煉油）。作為焦化裝置核心設(shè)備的焦化爐，
工程技術(shù)亦取得了長足進(jìn)步。本文主要對(duì)延遲焦化
加熱爐設(shè)計(jì)采用的新技術(shù)加以綜述。
1 焦化爐設(shè)計(jì)相關(guān)問題及新技術(shù)應(yīng)用
1.1 加熱爐的結(jié)構(gòu)型式
國內(nèi)焦化裝置加熱爐大多數(shù)為單面輻射臥管
爐，流速低，爐管表面熱強(qiáng)度不均勻，爐管易結(jié)
焦。近年來，隨著國外焦化技術(shù)的引進(jìn)和國內(nèi)技
術(shù)的發(fā)展，水平單排管雙面輻射焦化爐技術(shù)越來
越多地應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。
水平單排管雙面輻射爐管的周向熱強(qiáng)度不均
勻系數(shù)（即周向最高熱強(qiáng)度與平均熱強(qiáng)度比值）
僅為單排單面輻射爐管的2/3，爐管表面熱強(qiáng)度分
布更均勻，峰值熱強(qiáng)度和管壁溫度都更低，從而
更能減緩爐管內(nèi)結(jié)焦，延長焦化爐運(yùn)行周期。同
時(shí)，在周向最高熱強(qiáng)度相等的前提下，雙面輻射
爐管的平均熱強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可取單面輻射爐管平均
熱強(qiáng)度的1.5倍，因此雙面輻射爐管表面積可以比
單面輻射焦化爐表面積減少1/3，即單程爐管總長
度減少1/3。在相同的管內(nèi)流速條件下，雙面輻射
排管不僅減小了管內(nèi)壓降，并且縮短了油品在管
內(nèi)的停留時(shí)間，從而達(dá)到延緩管內(nèi)結(jié)焦、延長加
熱爐操作周期的目的。所以，為適應(yīng)加工劣質(zhì)原
料和延長裝置操作周期的要求，新設(shè)計(jì)的焦化爐
宜采用水平管單排管雙面輻射傳熱方式。
另外，根據(jù)裝置規(guī)模的大小，一般可將焦化
爐設(shè)計(jì)成多室結(jié)構(gòu)，各室完全隔開，一室放置一
管程的爐管。這樣一程在線清焦或燒焦時(shí)，其余
各程可正常運(yùn)行，或一室燒焦，其余各室繼續(xù)正
常運(yùn)轉(zhuǎn)。
1.2 輻射管架
焦化爐采用單排臥管雙面輻射爐型時(shí)，輻射
萬方數(shù)據(jù)
- 20 - 論文廣場
石油和化工設(shè)備
2017年第20卷
管架處在高溫的輻射室內(nèi)干燒，其金屬溫度可達(dá)
到800℃以上。因此，管架材料須選用Cr25Ni20。
輻射管架可采用懸吊式或下支撐式結(jié)構(gòu)，通常懸
吊式結(jié)構(gòu)管架在穩(wěn)定性、熱膨脹補(bǔ)償及經(jīng)濟(jì)性等
方面具有較大優(yōu)勢。輻射管架的Cr25Ni20鋼線膨
脹系數(shù)比一般鋼材大，這將造成出入口爐管很大
的位移。因此，出入口爐管穿過爐墻處應(yīng)設(shè)置密
封裝置，既保證爐膛密封，又保證出入口爐管能
自由位移。
此外，對(duì)流室至輻射室的轉(zhuǎn)油線設(shè)計(jì)應(yīng)特
別注意輻射管架的熱膨脹問題。輻射管為下支撐
時(shí)，應(yīng)將最上部輻射管在轉(zhuǎn)油線組焊時(shí)向上預(yù)拉
伸一段距離，且將對(duì)流管板上的對(duì)應(yīng)管孔開成長
圓孔，讓對(duì)流管作為輻射管架的補(bǔ)償。輻射管架
采用上吊式時(shí)，則可不必考慮這個(gè)問題，只需考
慮輻射室入口管少量的向下位移。
1.3 爐管材質(zhì)的選擇
目前國內(nèi)焦化爐爐管材料多為Cr5Mo(A335
P5)，但由于輻射爐管的金屬壁溫可達(dá)到560℃
（開工初期）~650℃（開工末期），而Cr5Mo材
質(zhì)爐管的最高使用溫度為600℃，因此采用Cr5Mo
材質(zhì)爐管的焦化爐多存在高溫區(qū)爐管嚴(yán)重氧化爆
皮現(xiàn)象，均須定期更換，從而影響了焦化爐的長
周期操作。國外延遲焦化爐爐管多采用Cr9Mo材
質(zhì)，Cr9Mo材質(zhì)爐管的最高使用溫度可達(dá)650℃，
極限設(shè)計(jì)金屬溫度為705℃，可有效避免氧化爆皮
現(xiàn)象發(fā)生。因此新設(shè)計(jì)的雙面輻射焦化爐爐管宜
采用Cr9Mo材質(zhì)。
另外，若加工介質(zhì)含高硫高酸時(shí)，應(yīng)根據(jù)具
體情況，酌情選用18-8或TP316L材質(zhì)的爐管。
1.4 多點(diǎn)注水（蒸汽）技術(shù)
焦化爐設(shè)計(jì)的核心問題是如何減緩爐管的
結(jié)焦。結(jié)焦速度取決于焦垢生成速度和焦垢脫離
速度，即：結(jié)焦速度=焦垢生成速度—焦垢脫離
速度。根據(jù)管內(nèi)介質(zhì)不同的加熱階段，在管路系
統(tǒng)不同部位分別注入不同比例的水或蒸汽。其作
用是：在裂化反應(yīng)加熱階段，用于降低裂化產(chǎn)物
的分壓，促使介質(zhì)中的重組分進(jìn)一步發(fā)生裂化反
應(yīng)，降低焦垢生成速度；在縮合反應(yīng)加熱階段，
用于提高冷油流速，使流型最大限度地轉(zhuǎn)變?yōu)橥?
流，提高焦垢脫離速度。同時(shí)往加熱爐管內(nèi)注水
（蒸汽）可增加管內(nèi)介質(zhì)流速，降低停留時(shí)間，
尤其是可降低介質(zhì)裂解溫度以上段停留時(shí)間。一
般認(rèn)為，介質(zhì)在430℃以后的停留時(shí)間應(yīng)控制在
40s以內(nèi)。
原料越重注水（ 蒸汽） 量相對(duì)越多， 但
注水（蒸汽）量的增加會(huì)導(dǎo)致爐管壓降增大，
顯著增加加熱爐的熱負(fù)荷，能耗加大。國外焦
化爐設(shè)計(jì)的注水（蒸汽）量一般只有進(jìn)料量的
0.3%～0.5%，并采用多點(diǎn)注水（蒸汽）技術(shù)。國
內(nèi)焦化爐設(shè)計(jì)的注水（蒸汽）量一般為進(jìn)料量的
2%左右，有的是單一點(diǎn)注水（蒸汽）；有的是兩
點(diǎn)：第一點(diǎn)在輻射遮蔽管出口輻射入口處，第二
點(diǎn)在輻射出口前6~8根爐管處；有的為三點(diǎn)：入
口、中部和出口三分之一處。至于注水還是注汽
哪個(gè)方案更佳，至今尚無定論，但國內(nèi)注汽的比
較多見。值得注意的是，與注入中壓蒸汽相比，
注水更易造成爐膛溫度升高，這對(duì)運(yùn)行在負(fù)荷上
限的焦化爐是比較危險(xiǎn)的。
焦化爐管油品線速度達(dá)到2m/s以上即可控制
結(jié)焦速度，為了提高焦炭的質(zhì)量，國內(nèi)外目前已
經(jīng)開始采取不注水（注汽）或少注水（注汽）的
方法來減少爐管的結(jié)焦，采用提高冷油流速到
1.8～2.2 m/s和其它措施來保證焦化爐長周期安全
運(yùn)轉(zhuǎn)。因此在大型焦化爐設(shè)計(jì)中冷油流速設(shè)計(jì)為
2m/s左右較合理。
1.5 燃燒器選型及布置
燃燒器的類型及性能對(duì)焦化爐的操作具有極其
重要的作用。為滿足爐管表面熱強(qiáng)度及煙氣溫度沿
爐膛高度方向上均勻分布的要求，其火焰高度應(yīng)在
爐膛高度的1/3為宜。為滿足爐管表面熱強(qiáng)度及煙氣
溫度沿爐管長度方向上分布的均勻性要求，采用能
量較小、扁平火焰的氣體燃燒器較為合適。各臺(tái)燃
燒器應(yīng)均勻分布，并要求火焰形狀穩(wěn)定且不飄動(dòng)，
火焰不添管，以延緩結(jié)焦并減少污染。
近幾年設(shè)計(jì)的大型焦化爐多選用低NOX的附
墻燃燒器，附墻燃燒器采用熱壁輻射技術(shù)，火焰
添墻貼著爐壁上升，先把爐墻加熱成一個(gè)均勻
的熱壁載體，再將能量輻射給爐管，使?fàn)t管受到
輻射更均勻，從而避免了管內(nèi)介質(zhì)局部過熱、結(jié)
焦，提高了爐管的使用壽命和焦化爐的熱效率。
另外，由于采用了燃料分級(jí)燃燒和煙氣自循環(huán)技
術(shù)，降低了最高火焰溫度，實(shí)現(xiàn)了低NOX排放，
滿足了環(huán)保要求。
1.6 在線清焦及燒焦技術(shù)
焦化加熱爐爐管結(jié)焦到一定程度后要及時(shí)進(jìn)
萬方數(shù)據(jù)
第8期 - 21 -
行燒焦、機(jī)械清焦等處理。以往設(shè)計(jì)的焦化爐運(yùn) 表1 30級(jí)輕質(zhì)莫來石磚性能指標(biāo)
行3個(gè)月左右就應(yīng)停爐清焦，大大影響了裝置的操
作周期和經(jīng)濟(jì)效益。
目前，國內(nèi)部分焦化加熱爐采用在線清焦技
術(shù)，它是在焦化加熱爐不停爐的條件下，切出某
一管程，通過對(duì)該管程爐管快速升溫和通入蒸汽
快速降溫的方法使?fàn)t管內(nèi)的焦層剝離。在線清焦
技術(shù)對(duì)加熱爐的燃燒器、爐襯等有較嚴(yán)格要求，操
作要求較高，溫度較難控制，再加之經(jīng)驗(yàn)不足，所
以國內(nèi)成功進(jìn)行在線清焦的案例不多，致使該技術(shù)
未被廣泛使用。隨著原油價(jià)格的提高及油品和焦炭
價(jià)差的增大，提高焦化加熱爐的反應(yīng)苛刻度、減少
焦炭產(chǎn)率將更加重要，在線清焦技術(shù)對(duì)延長加熱爐
的連續(xù)運(yùn)行周期將發(fā)揮重要作用。
針對(duì)目前在線清焦技術(shù)在國內(nèi)焦化爐上應(yīng)用
經(jīng)驗(yàn)不足的情況，為保證大型焦化爐的長周期安
全運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)推薦采用在線燒焦技術(shù)，即在焦
化爐不停工的情況下，將爐子的某一路或兩路切
出，通入蒸汽和壓縮風(fēng)進(jìn)行燒焦，由于燒焦比在
線清焦除焦徹底，加熱爐爐管壁溫降低較多。在
線燒焦時(shí)應(yīng)控制好蒸汽與空氣的比例，防止燒焦
過快而造成爐管燒壞或爐管堵塞，另外進(jìn)料閥門
應(yīng)增加盲板隔離（根據(jù)現(xiàn)場流程設(shè)計(jì)決定），防
止將油品泄漏到爐管而造成燒穿爐管。
1.7 爐襯設(shè)計(jì)
對(duì)于采用在線清焦技術(shù)的焦化爐，為實(shí)現(xiàn)爐
膛溫度的快速升降，宜采用熱容量較低的纖維類
材料作為爐襯。目前新設(shè)計(jì)的焦化加熱爐輻射室
爐襯多采用陶瓷耐火纖維材料，輻射室側(cè)墻下部
向火面多采用耐火磚。
裝有附墻燃燒器的焦化加熱爐，火焰與爐墻
直接接觸，火焰溫度高達(dá)1500℃，且在線清焦時(shí)
爐膛溫度的變化幅度與變化速度非常大，這就要
求側(cè)墻下部的耐火磚既要有較高的使用溫度，又
要有良好的熱震穩(wěn)定性。推薦采用30級(jí)輕質(zhì)莫來
石磚，技術(shù)要求見表1。耐火磚背襯為4層50mm厚
的陶瓷纖維板（密度320kg/m3），以保證爐壁溫度
達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
輻射室內(nèi)不與火焰直接接觸部位的爐襯
推薦采用平鋪疊砌復(fù)合結(jié)構(gòu)，總保溫層厚度為
250mm。爐襯由冷面向熱面依次為50mm高純型
陶瓷纖維毯（由兩層30mm的高純型陶瓷纖維毯壓
縮而成，高純型陶瓷纖維毯之間設(shè)置阻氣鋁箔）
及200mm的鋯鋁型陶瓷纖維模塊，見圖1所示。其
項(xiàng)目名稱單位指標(biāo)
分類溫度℃ 1550
體積密度g/cm3 1.0
加熱永久線變化（1550℃×3h） % 0.8
常溫耐壓強(qiáng)度MPa 2.8
熱膨脹率（最大值）（1000℃） % 0.53
導(dǎo)熱系數(shù)（平均350℃） W/m?k 0.38
Al2O3 % 73
Fe2O3 % 0.6
中，用來固定模塊的螺栓焊接到爐頂鋼板后，螺
栓根部與鋼板均需刷一層防腐涂料。在纖維襯里
施工完成后，在襯里表面刷一層防輻射涂料。模
塊錨固件（含螺栓螺母）材質(zhì)采用06Cr19Ni10。
U型釘
平鋪毯
快速卡片
補(bǔ)償毯 U型釘 纖維模塊
阻氣鋁箔
螺栓螺母
圖1 復(fù)合襯里結(jié)構(gòu)示意圖
爐底推薦采用澆注料與耐火磚結(jié)合的3層襯里
結(jié)構(gòu)，底層為175 mm厚輕質(zhì)澆注料（密度800 kg/
m3），中間為75 mm 厚輕質(zhì)澆注料（密度1000 kg/
m3），最上層為63 mm厚耐火磚（材質(zhì)為NG130
1.1），用于施工與檢修時(shí)踩踏與隔溫。
2 結(jié)語
隨著延遲焦化裝置所加工原油品質(zhì)的日益
惡化及裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，作為關(guān)鍵設(shè)備的焦
化加熱爐設(shè)計(jì)技術(shù)要求越來越高。本文從結(jié)構(gòu)型
式、輻射管架、爐管選材、多點(diǎn)注水（蒸汽）、
燃燒器選型及布置、在線清焦及燒焦、爐襯設(shè)計(jì)
等方面對(duì)新型延遲焦化加熱爐設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，
對(duì)延遲焦化加熱爐設(shè)計(jì)采用的新技術(shù)進(jìn)行了綜
述。為保證裝置的長周期安全有效運(yùn)行，在延遲
焦化加熱爐工程設(shè)計(jì)中采用新技術(shù)非常必要。
◆參考文獻(xiàn)
[1] 韓靖. 延遲焦化加熱爐爐管結(jié)焦分析[J].通用機(jī)械，2010，
(7)：50-53
收稿日期：2017-05-15；修回日期：2017-06-23
吳振松 新型延遲焦化加熱爐設(shè)計(jì)探討

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