新型強(qiáng)化傳熱裂解爐爐管的應(yīng)用

張曉

（中國(guó)石油撫順石化公司，遼寧撫順 113004）

裂解爐是乙烯裝置的主反應(yīng)器，裂解爐輻射段爐管是裂解爐的“心臟”，是將原料反應(yīng)生成目的產(chǎn)物的最核心部位。輻射段爐管工作條件十分苛刻，輻射段爐膛作為提供反應(yīng)熱的場(chǎng)所，其內(nèi)部溫度高達(dá)1 200～1 400℃，裂解反應(yīng)在輻射段爐管內(nèi)進(jìn)行，該反應(yīng)是高溫強(qiáng)吸熱、體積膨脹、易結(jié)焦的過(guò)程。因此，爐管既是特殊形式的“換熱器”，又是重要的“反應(yīng)器”。某石化80×104t/a乙烯裝置裂解爐原輻射段爐管形式為普通光管，材質(zhì)為下行管25Gr-35Ni，上行管35Gr-45Ni，清焦周期為55～60天/次。自裝置開(kāi)工以來(lái)，已連續(xù)運(yùn)行9年，部分爐管出現(xiàn)嚴(yán)重的滲碳、蠕變、減薄、彎曲變形等現(xiàn)象。因此，為提高裂解爐的安全性和運(yùn)行效率，2021年采用新型強(qiáng)化傳熱爐管對(duì)裂解爐進(jìn)行了爐管更換改造，改造后運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)性明顯。

1 強(qiáng)化傳熱爐管原理和技術(shù)特點(diǎn)

1.1 強(qiáng)化傳熱爐管原理

在常規(guī)離心鑄造光管內(nèi)部增加強(qiáng)化傳熱元件，元件材料與母管相同，采用專有的靜態(tài)鑄造制造工藝在爐管內(nèi)部離散布置頭大尾小的水滴狀元件，具有體積小、阻力降小、與爐管內(nèi)壁完全融合、不會(huì)對(duì)爐管產(chǎn)生附加應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)，保持了離心鑄造管的耐高溫、耐蠕變性、抗氧化性及可靠的抗熱震性能，強(qiáng)化傳熱元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 強(qiáng)化傳熱元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

該流線型的強(qiáng)化傳熱元件可有效改變流體流動(dòng)方式，破壞爐管內(nèi)壁滯留層厚度，有效降低爐管管壁溫度，增加傳熱面積和全程改善管內(nèi)流體流動(dòng)而強(qiáng)化傳熱。

1.2 強(qiáng)化傳熱爐管技術(shù)特點(diǎn)

1）改善流體流動(dòng)狀態(tài)：強(qiáng)化傳熱元件對(duì)流體起到擾動(dòng)作用，提高流體的雷諾數(shù)，增加湍流效果，破壞流體在管內(nèi)壁的滯留層。

2）改善傳熱效果：加大管內(nèi)壁對(duì)介質(zhì)的傳熱系數(shù)，使介質(zhì)在管內(nèi)截面上沿半徑方向的溫度分布更均勻。傳熱效果的提升，管壁熱通量提高，相應(yīng)提升原料處理量可以達(dá)到5%～10%。

3）降低管壁溫度：流體擾動(dòng)降低滯留層的厚度，加大管內(nèi)壁的傳熱系數(shù)，明顯降低管壁溫度。加入部位爐管管壁金屬溫度可低于光管處的金屬壁溫10～15 ℃。

4）延長(zhǎng)清焦周期：管內(nèi)壁滯留層厚度降低以及管壁溫度的降低，可有效降低管壁焦炭的生成速度，抑制結(jié)焦速率，與光管相比，延長(zhǎng)清焦周期30%以上；同時(shí)延長(zhǎng)爐管使用壽命。

5）水滴狀流線型設(shè)計(jì)降低流體阻力降：采用頭大尾小的水滴狀流線型設(shè)計(jì)，頭大可有效增加流體的湍動(dòng)，尾小避免在尾部產(chǎn)生漩渦死區(qū)，防止局部過(guò)熱；水滴狀能最大限度減少阻力降的增加。

6）穩(wěn)定性良好：強(qiáng)化傳熱元件的化學(xué)成份、金相結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和抗?jié)B碳性均與母材相同。由于特殊的制作工藝，保證強(qiáng)化傳熱元件與母管接觸面優(yōu)良的抗熱沖擊性，保證元件不會(huì)因?yàn)轭l繁開(kāi)停車(chē)和物料沖刷而脫落。

2 裂解爐爐管更換改造方案

裂解爐原設(shè)計(jì)有7臺(tái)液態(tài)原料裂解爐，均采用美國(guó)S&W公司專有的超高選擇性USC-176U型爐，為雙輻射段共用一個(gè)對(duì)流段形式，爐管在爐膛內(nèi)單排U型2程排列，結(jié)構(gòu)為連接件→文丘里→下行管→S彎→U彎→變徑→上行管。

基于原爐型，最大限度保證不改變工藝條件和爐型結(jié)構(gòu)，滿足最小化改造條件，新?tīng)t管進(jìn)行了重新局部設(shè)計(jì)，同樣采用單排U型2程排列，結(jié)構(gòu)為連接件→文丘里→下行管→S彎→U彎→S彎→變徑→上行管（附強(qiáng)化傳熱元件）。布局結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。新?tīng)t管增加了第二S型彎管，文丘里喉徑縮小0.5 mm，上行管管徑增加3 mm。

圖2 新?tīng)t管布局結(jié)構(gòu)

在爐管長(zhǎng)期受熱過(guò)程中，受高溫及重力影響，必然會(huì)發(fā)生熱力形變，增加第二道S彎可最大程度保證爐管在垂直方向發(fā)生自由伸縮，防止發(fā)生U彎管段中心偏離，有效釋放應(yīng)力變形，延長(zhǎng)爐管使用壽命。

文丘里作為分配、調(diào)節(jié)流量的主要元件，縮小喉徑后每根爐管流量分配更加均勻，同時(shí)使得文丘里前后的絕壓比[1]減小，對(duì)裂解爐適當(dāng)提高加工負(fù)荷起到關(guān)鍵作用，也能提高裂解爐對(duì)原料的適應(yīng)性，滿足不同裂解原料生產(chǎn)工況的要求。文丘里前后絕壓比減小有效延長(zhǎng)了裂解爐清焦周期。

考慮到上行管內(nèi)增加了雨滴狀元件（約5.5 mm凸起），使有效管徑截面積減小，物流通量降低，物流阻力增大，表觀停留時(shí)間延長(zhǎng)。結(jié)合文丘里后壓力與爐出口壓力（COP）設(shè)計(jì)值進(jìn)行等通量計(jì)算，管徑必須擴(kuò)大。因此上行管管徑增加。

3 新?tīng)t管更換后的性能標(biāo)定

3.1 裂解爐運(yùn)行參數(shù)標(biāo)定

為驗(yàn)證新?tīng)t管更換后效果，保持原進(jìn)料模式及分配方式不變進(jìn)行72 h數(shù)據(jù)標(biāo)定。根據(jù)設(shè)計(jì)工況要求，原料進(jìn)料量滿負(fù)荷為315 t/h。按2.5 H＋3 L＋0.5 LPG＋1氣態(tài)＋1備用的模式操作，各爐加工負(fù)荷及原料種類見(jiàn)表1。在表1運(yùn)行模式下，整理各裂解爐72 h的關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 原料種類及負(fù)荷分配

在相同運(yùn)行模式下，查找原爐管各裂解爐關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

由表2和表3數(shù)據(jù)可看出，更換新?tīng)t管后各爐橫跨壓力均出現(xiàn)不同程度上漲，重油上漲約0.01 MPa，輕油上漲約0.02 MPa。由此可見(jiàn)新?tīng)t管文丘里喉徑減小后文丘里前壓力增加，各組爐管流量分配更加均勻，爐管流化效果更加明顯；受新?tīng)t管強(qiáng)化傳熱作用，各爐在同樣的裂解深度條件下燃料氣消耗均出現(xiàn)相應(yīng)減少（重油減少約0.6 t/h，輕油減少約0.8 t/h），爐管更換前后總?cè)剂蠚庀慕档图s4.3 t/h；隨著燃料氣耗量減少總煙氣量降低，直接表現(xiàn)為各爐拱頂溫度大幅降低；煙氣量減少，對(duì)流段預(yù)熱模塊熱負(fù)荷降低，各爐SS產(chǎn)量均出現(xiàn)下降情況，更換爐管前后總SS發(fā)汽量減少約19.7 t/h，平均每臺(tái)爐減少2.81 t/h；同樣，隨著對(duì)流段熱負(fù)荷降低各裂解爐排煙溫度降低，對(duì)提高裂解爐熱效率起到積極作用。

表2 各裂解爐運(yùn)行數(shù)據(jù)

表3 原爐管各裂解爐運(yùn)行數(shù)據(jù)

3.2 產(chǎn)品收率標(biāo)定

統(tǒng)計(jì)標(biāo)定期間裝置產(chǎn)品收率情況，與同模式下原爐管運(yùn)行期間產(chǎn)品收率進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證新?tīng)t管使用的經(jīng)濟(jì)性，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4?？梢钥闯?，同樣工況下更換新?tīng)t管對(duì)提高目的產(chǎn)品收率有較大貢獻(xiàn)，其中乙烯收率增加0.35%，丙烯收率增加0.23%，碳四收率增加0.17%，而副產(chǎn)品收率均有所降低。

表4 數(shù)據(jù)整理

3.3 燒焦周期評(píng)估

根據(jù)裂解爐設(shè)計(jì)燒焦條件及新?tīng)t管理論預(yù)期值（燒焦周期預(yù)期90天/次）對(duì)重油爐和輕油爐的新?tīng)t管進(jìn)行隨機(jī)抽選（標(biāo)定爐管）并進(jìn)行了一個(gè)燒焦周期的數(shù)據(jù)跟蹤，分別收集文丘里處絕壓比、特定爐管表面溫度（TMT）、廢熱鍋爐（SLE）出口溫度三個(gè)燒焦必要參數(shù)變化，驗(yàn)證新?tīng)t管的理論預(yù)期合理性。

3.3.1 絕壓比

由爐管文丘里前后絕壓比計(jì)算[2]見(jiàn)式（1）：

其中，ΔP為文丘里處絕壓比；P大為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，kPa；P1表為文丘里后表壓，kPa；P2表為文丘里前表壓，kPa；每10天跟蹤記錄一次，見(jiàn)圖3。

圖3 絕壓比變化情況

通過(guò)圖3數(shù)據(jù)可以看出，重油爐運(yùn)至第90天時(shí)文丘里處絕壓比達(dá)到0.853，接近設(shè)計(jì)燒焦條件（絕壓比≤0.9），認(rèn)為重油爐運(yùn)行達(dá)到末期；輕油爐在第90天時(shí)文丘里處絕壓比為0.795，尚有可操作空間。

3.3.2 廢熱鍋爐（SLE）出口溫度

根據(jù)裂解爐線性套管廢熱鍋爐設(shè)計(jì)形式，重油爐為2根爐管共用1個(gè)SLE形式，輕油爐為1根爐管共用1個(gè)SLE形式，收集上述標(biāo)定爐管對(duì)應(yīng)SLE出口溫度數(shù)據(jù)變化情況，變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖4 SLE出口溫度變化情況

通過(guò)圖4數(shù)據(jù)顯示，在裂解爐運(yùn)行至第90天時(shí)，重油爐廢熱鍋爐出口溫度為478 ℃，輕油爐廢熱鍋爐出口溫度為416 ℃，均低于裂解爐設(shè)計(jì)燒焦條件（重油爐：≤675 ℃；輕油爐：≤450 ℃）。

3.3.3 爐管表面溫度的檢測(cè)（TMT）

保持裂解爐相對(duì)穩(wěn)定的裂解條件和裂解溫度，對(duì)標(biāo)定爐管進(jìn)行上行管表面測(cè)溫，測(cè)溫情況見(jiàn)圖5。

通過(guò)圖5數(shù)據(jù)可以看出，前50天溫度變化不明顯，后期標(biāo)定爐管的TMT值出現(xiàn)明顯漲幅，表明爐管內(nèi)壁成焦量增大，焦層厚度增加，熱阻隨之增加，強(qiáng)化元件破壞滯留層的效果變差，且輕油爐管TMT值漲幅略高于重油爐管TMT值。但在第90天時(shí)二者溫度均未達(dá)到裂解爐設(shè)計(jì)燒焦條件（爐管表面溫度TMT≤1 125 ℃）。

圖5 爐管表面測(cè)溫情況

綜上，在90天的數(shù)據(jù)收集中發(fā)現(xiàn)，只有重油爐文丘里處絕壓比值接近燒焦條件，其它參數(shù)均未達(dá)到燒焦要求，表明輕油爐還有一定的運(yùn)行空間。

4 燒焦期間耗能及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

4.1 耗能對(duì)比

裂解爐運(yùn)行至第90天（第1個(gè)運(yùn)行周期）時(shí)工藝上進(jìn)行了燒焦操作，燒焦工藝條件按工藝數(shù)據(jù)表控制，燒焦結(jié)束標(biāo)志以裂解爐出口紅外在線分析數(shù)據(jù)（CO2＋CO≤2 000 ppm）為準(zhǔn)。燒焦期間耗能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與原爐管數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表5。

由表5數(shù)據(jù)可知，新?tīng)t管更換后，燒焦時(shí)長(zhǎng)減少2.2 h；蒸汽、工業(yè)風(fēng)量均出現(xiàn)大幅降低；重油爐燃料氣量單次燒焦節(jié)省4.92 t，輕油爐燃料氣量單次燒焦節(jié)省4.74 t；超高壓蒸汽自產(chǎn)量受燃料氣耗量降低影響，兩種爐型均出現(xiàn)不同程度下降情況，鍋爐給水消耗量相應(yīng)降低。

表5 燒焦數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

更換新?tīng)t管后所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在燒焦次數(shù)減少和單次燒焦費(fèi)用降低兩個(gè)方面。單臺(tái)爐燒焦需要消耗費(fèi)用[3]為：（燃料氣量×單價(jià)＋工業(yè)風(fēng)量×單價(jià)＋稀釋蒸汽量×單價(jià)＋脫鹽水量×單價(jià)-超高壓蒸汽量×單價(jià)）×燒焦時(shí)間。原爐管單次燒焦費(fèi)用約為47.9萬(wàn)元，新?tīng)t管單次燒焦費(fèi)用約為45.2萬(wàn)元。根據(jù)原爐管運(yùn)行周期為60天，新?tīng)t管運(yùn)行周期為90天計(jì)算，7臺(tái)裂解爐每年可節(jié)省燒焦14次，共計(jì)節(jié)省費(fèi)用746.2萬(wàn)元/年。

5 結(jié)論

新型強(qiáng)化傳熱爐管通過(guò)增加強(qiáng)化傳熱元件改善了爐管內(nèi)物流的流動(dòng)狀態(tài)，有效降低爐管表面溫度，傳熱效果增強(qiáng)，節(jié)省了燃料氣消耗，在一定的裂解溫度下，裂解爐拱頂溫度降低，煙氣量減少，起到了減排的效果。新?tīng)t管的使用提高了主要產(chǎn)品的收率，對(duì)增加裝置的加工能力和經(jīng)濟(jì)性起到積極作用。通過(guò)標(biāo)定，裂解爐運(yùn)行周期較普通爐管大幅延長(zhǎng)，燒焦次數(shù)的減少不僅提高了裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性，還降低了裝置的運(yùn)行成本，經(jīng)濟(jì)效益可觀。隨著裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，新?tīng)t管的使用可以顯現(xiàn)出裂解爐操作的靈活性和可優(yōu)化性。