（化学工程专业论文）蒸汽过热炉耐火衬里技术改造与在役炉管寿命评估.pdf

中文摘要 齐鲁乙烯6 0 k t a 苯乙烯装置引进l u m m u s 生产工艺，采用烷基化反应生成乙苯， 乙苯脱氢生成苯乙烯的工艺路线，蒸汽过热炉是苯乙烯装置的关键设备。蒸汽过热 炉的热效率低下，会造成装置的能源浪费过大；而过热炉一旦发生故障，轻则影响脱 氢反应的转化率和选择性，重则造成整套装置停车，从而导致重大的经济损失。 炉管和耐火衬里是决定过热炉运行正常的关键部件，蒸汽过热炉在实际的运行 中，存在耐火衬里结构稳定性差，炉外壁超温严重，排烟温度高，热效率低下；炉管 寿命达不到设计要求等问题。本论文针对过热炉运行中存在的缺陷进行了故障诊断 和技术改进。 本文通过对蒸汽过热炉耐火衬里运行现状的分析，找出了过热炉耐火衬里存在 的缺陷和产生原因，对耐火纤维衬里的结构、耐火砖衬里的材料，托砖板和看火孔 的结构形式进行了技术改造。通过改造，提高了过热炉的运行稳定性和热效率，达 到了满意的改造效果。 为提高过热炉炉管的使用寿命，通过对在役炉管的金相检验、超声测厚和对炉 管进行现场红外温度成像检测等手段，对在役炉管的运行状况进行了评估，采用炉 管评估软件对炉管剩余寿命进行评定。评估结果表明炉管剩余寿命还很长，炉管尚 处在安全期内。为保证炉管的长周期安全运行，在日常运行中，应该严格控制炉温， 特别要避免炉管超温。 文章对本次技术改造的背景、改造过程、改造效果及其涉及的技术问题进行了 充分阐述。结合加热炉的技术进展和发展趋势，对蒸汽加热炉的进一步的技术改进 提出了建议。本文对炼化企业提高加热炉的热效率和运行可靠性具有较高的指导和 借鉴作用。 关键词：蒸汽过热炉耐火衬里故障诊断技术改造炉管寿命分析 a b s t r a c t l u m m u sp r o c e s si su s e db y6 0 k t as t y r e n em o n o m e r ( s m ) p l a n to fq f l u e t h y l p h e n y li sp r o d u c e db ya l k y l a t i o n , t h e ni sd e h y d r o g e n a t e dt op r o d u c es t y r e n e s t e a m s u p e r h e a t e ri st h ec r i t i c a lu n i ti ns mp l a n t t o om u c he n e r g yi sw a s t e db yt h el o wh e a t e f f i c i e n to ft h es t r e a ms u p e r h e a t e r i ft h es u p e r h e a t e rh a s s o m e t h i n gw r o n g ，t h e c o n v e r s i o na n ds e l e c t i v i t yo fd e h y d r o g e n a t i o nw i l lb ei n f l u n c e d e v e nt h ew o r s e ，t h e p l a n tw i l lb es t o p p e d t h e nt h ee c o n o m i cl o s sw i l lb eg r e a t f u r n a c et u b e sa n dr e f r a c t o r yl i n i n ga r et h ei m p o r t a n tp a r t so fs u p e r h e a t e r t h e r ea r e s o m ep r o b l e m sd u r i n gt h ep r a c t i c a lr u n n i n go ft h es t e a ms u p e r h e a t e r , s u c ha st h ew o r s e s t r u c t u r es t a b i l i t yo fl i n i n g ，t h es u p e rh i 曲o u t s i d et e m p e r a t u r eo ft h es u p e r h e a t e r , t h e h i g he m i s s i o ns m o k et e m p e r a t u r e t h el o wh e a te f f i c i e n c ya n dt h es h o r t e rf u r n a c et u b e l i f et h a nt h a tb e i n ge x p e c t e d i nt h et h e s i s ，i ti ss t u d i e dt h et e c h n o l o g yi m p r o v e m e n tf o r t h ed e f a u l ti nt h es u p e r h e a t e ro p e r a t i n g b ya n a l y z i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h er e f r a c t o r yl i n i n go ft h es t e a ms u p e r h e a t e r , t h e f a i l u r ec a u s a t i o ni sf o u n do u t r e l e v a n tt e c h n i c a li m p r o v e m e n ti st a k e nt ot h em a t e r i a l a n dt h ec o n s t r u c t i o ni n c l u d i n gt h el i n i n g ，t h es u p p o r tb o a r da n dt h eo b s e r v a t i o nw i n d o w a f t e rt h es u c c e s s f u li m p r o v e m e n t , t h es t e a ms u p e r h e a t e r ss t a b i l i t ya n d e n e r g ye f f i c i e n c y a r er e m a r k a b l e i no r d e rt op r o l o n gt h et u b el i f e ，m e t a l l o g r a p h yt e s t ，u l t r a s o n i ct h i c k n e s s g a u g e ， i n f i a r e dt h e r m o m e t e r sm e t e rw e r eu s e dt om e a s u r et h ef u r n a c et u b e si n - s e r v i c e 1 1 1 el e f t l i f ea n dt h eo p e r a t i n gs i t u a t i o no ft h ef u r n a c et u b e sw e r ee v a l u a t e db ys o f t w a r e t h e a s s e s sr e s u l ts h o w e dt h el e f tl i f ew a sl o n ga n dt h et u b ei si nt h es a f ep e r i o d i no r d e rt o l o n g t e r ms a f eo p e r a t i o n , t h ef u r n a c et e m p e r a t u r es h o u l db es t r i c t l yc o n t r o l l e d , e s p e c i a l l y a v o i d i n gs u p e rh i g ht e m p e r a t u r eo ft h ef u r n a c et u b e s i ti sd i s c u s s e dt h eb a c k g r o u n d , p r o c e s s ，e f f e c ta n di n v o l v e dt e c h n i c a lp r o b l e m so ft h i s i m p r o v e m e n t i nt h ep a p e r s o m ep r o p o s a l sa b o u tf u r t h e rt e c h n i c a li m p r o v e m e n tw e r ep u t f o r w a r dc o n s i d e r i n gt h eh e a t e r s t e c h n i c a ld e v e l o p i n gt r e n d t h ep a p e rc a ng i v es o m e u s e f u lg u i d a n c ef o rr e f i n e r i e sa n dc h e m i c a le n t e r p r i s e si no r d e rt oi n c r e a s et h eh e a t e r s h e a te f f i c i e n c ya n do p e r a t i n gr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：s t e a ms u p e r h e a t e r , r e f r a c t o r yl i n i n g ，f a i l u r ed i a g n o s i s ， t e c h n i c a li m p r o v e m e n t , t u b e sl i f ea s s e s s m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位做储繇瑶吣签字吼叫年嗲月1 日 论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：- 一互嘉寺呵飞 导师签名： 签字日期： 灿7 年歹月2 7 日 签字日期： 一引”产 1 1 我国的能源现状 第一章绪论 进入二十一世纪以来，能源问题是全球备受瞩目的重大问题，我们国家也是一 样。如何有效的利用能源，实现可持续发展的目标，成为我们面临的重大问题之一。 当前，我国在能源的有效利用方面，距离国际先进水平还有较大差距。2 0 0 1 年， 中国终端能源用户用在能源消费的支出为1 2 5 万元，占g d p 总量的比例为1 3 ，而 美国仅为7 。从能源利用效率来看，我国单位产品的能耗水平较高，目前8 个高 耗能行业的单位产品能耗平均比世界先进水平高4 7 ，而这8 个行业的能源消费占 工业部门能源消费总量的7 3 。按此推算，与国际先进水平相比，中国的工业部门 每年多用能源约2 3 亿吨标准煤。而随着中国城镇化进程的加快，经济发展面临的 能源约束矛盾日益突出。预计2 0 2 0 年能源消费总量需要3 0 亿吨标准煤，无论是增 加国内能源供应还是利用国外资源，都面临着巨大的压力【1 】。 我国节能潜力巨大：其一，我国产品能耗高。中国主要用能产品的单位产品能 耗比发达国家高2 5 - 9 0 ，加权平均高4 0 左右；其二，产值能耗高。中国的产值 能耗是世界上最高的国家之一。我国每公斤标准煤能源产生的国内生产总值仅为 o 3 6 美元，而日本为5 5 8 美元，世界平均值为1 8 6 美元。所以，能源节约对我国实 现跨世纪的经济和能源发展目标，将起到举足轻重的作用。据称，节约能源已经被 人们视为与煤炭、石油、天然气和电力同等重要的“第五能源”。 根据“提高效率，保护环境，保障供给，持续发展”的中国能源发展战略的构 建依据，从中国能源的供给和需求两个方面考虑，我们可以把未来中国能源发展战 略的基本构想陈述如下：节能效率优先，环境发展协调，内外开发并举，以煤炭为 主体、电力为中心，油气和新能源全面发展，以能源的可持续发展和有效利用支持 经济社会的可持续发展。由此看出，从根本上解决中国能源问题，必须转变经济增 长方式，走新型工业化道路，选择资源节约型、质量效益型、科技先导型的发展方 式。要大力调整产业结构、产品结构、技术结构和企业组织结构，依靠技术创新、 体制创新和管理创新，在全国形成有利于节约能源的生产模式和消费模式，发展节 能型经济，建设节能型社会。 1 2 管式加热炉的概况及发展动向 管式加热炉是炼油厂及石油化工厂的主要设备之一，也是石油化工工业用的很 普遍的一种火力加热设备。加热炉的主要任务，就是把原料油加热到高温( 可达到 1 0 0 0 c ) ，以满足下一工序( 分馏或反应等过程) 的需要。有些加热炉还担负着过热 水蒸气的任务。 管式加热炉一般由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧器和通风系统组成【2 1 。 辐 图1 - 1管式加热炉的一般结构 f 远1 1g e n e r a ls t r u c t u r eo f t u b u l a r - f i n - n a c e 1 2 1 加热炉基本结构 ( 1 ) 辐射室 辐射室是通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。这个部分直接受到火焰冲 刷，温度最高，必须充分考虑所用材料的强度、耐热性等。这个部分是热交换的主 要场所，全炉热负荷的7 0 - - - - 8 0 是由辐射室承担的，它是全炉最重要的部位。烃 蒸汽转化炉、乙烯裂解炉等，其反应和裂解过程全都用辐射室来完成。可以说，一 个炉子是优是劣主要看它的辐射室性能如何。 ( 2 ) 对流室 对流室是靠由辐射室出来的烟气进行对流换热的部分，但实际上它也有一部分 辐射热交换，而且有时辐射换热还占有颇大的比例。所谓对流室是指“对流传热起 支配作用”的部位。对流室内密布多排炉管，烟气以较大速度冲刷这些管子，进行 有效的对流换热。对流室一般担负全炉热负荷的2 0 3 0 。对流室吸热量的比例 越大，全炉的热效率越高，但究竟占多少比例合适应根据管内流体同烟气的温度差 和烟气通过对流管排的压力损失等，选择最经济合理的比值。对流室一般都布置在 辐射室之上，与辐射室分开，单独放在地面上也可以。为了提高传热效果，多数炉 子在对流室采用了钉头管和翅片管。 ( 3 ) 余热回收系统 余热回收系统是从离开对流室的烟气中进一步回收余热的部分。回收方法分两 类。一类是靠预热燃烧用空气来回收热量，这些热量再次返回炉中。另一类是采用 同炉子完全无关的其他流体加收热量。前者称为“空气预热方式”，后者因为常常使 用水回收，被称为“废热锅炉”方式。空气预热方式又有直接安在对流室上面的固 定管式空气预热器和单独放在地上的回转式空气预热器等种类。固定管式空气预热 器由于低温腐蚀和积灰，不能指望长期保持较高的热效率，它的优点是同炉体结合 成一体，设计和制造比较简便，适合于热回收量不大时选用。 目前，炉子的余热回收系统以采用空气预热方式为多，通常只有高温度管式炉 ( 如烃蒸汽转化炉、乙烯裂解炉) 和纯辐射炉才使用废热锅炉，因为这些炉子的排烟 温度太高。安设余热回收系统以后，整个炉子的总热效率能达到8 8 - 9 0 。 ( 4 ) 燃烧器 燃烧器产生热量，是炉子的重要组成部分。如前所述，管式加热炉只燃烧料气 和燃料油，所以不需要烧煤那样复杂的辅助系统，火嘴结构也比较简单。由于燃烧 火焰猛烈，必须特别重视火焰与炉管的问距以及燃烧器问的间隔，尽可能使炉膛受 热均匀，使火焰不冲刷炉管并实现低氧完全燃烧。为此，要合理选择燃烧器的型号， 仔细布置燃烧器。 ( 5 ) 通风系统 通风系统的任务是将燃烧用空气导入燃烧器，并将废烟气引出炉子，它分为自 然风方式和强制通风方式两种。前者利用烟囱本身的抽力，不消耗机械功。后者要 使用风机，消耗机械功。 过去，绝大多数炉子因为炉内烟气侧阻力不大，都采用自然通风方式，烟囱通 常安在炉顶，烟囱高度只要足以克服炉内烟气侧阻力就可以了。但是，近年来由于 公害问题，石油化工厂已开始安设独立于炉群的超高型集合烟囱，这一烟囱通过烟 道把若干台炉子的烟气收集起来，从1 0 0 米左右的高处排放，以降低地面上的污染 气体的浓度。强制通风方式只在炉子结构复杂，炉内烟气侧阻力很大，或者设有前 述余热回收系统时才采用，它必须使用风机。 1 2 2 管式加热炉的主要工艺指标 为了评定加热炉的技术经济合理性，必须采用一些反映加热炉内传热性能的主 要工艺指标。一般又以下几项： ( 1 ) 热负荷：是指炉子每小时传给被加热物料的总热量，单位为k j h 或者w 。 它体现了炉子的供热能力的大小。 ( 2 ) 炉管表面热强度：指单位炉管表面积在单位时间内的传热量，单位为 k j ( m 2 h ) 。一般希望炉管具有较高的平均表面热强度，但过大时，受热最强的部分 炉管易被烧穿。目前国内常用的管式加热炉，辐射管的表面热强度一般在2 3 2 6 0 - - 4 6 5 2 0 w m 2 ；对流管的表面热强度在9 3 0 0 - 2 3 2 6 0w m 2 。 ( 3 ) 炉膛温度：它是指辐射室内的烟气出口温度。它是一个安全指标，控制不 好，炉管就有烧穿的危险。对于碳钢管，炉膛温度不高于8 5 0 ；对于合金钢管， 温度可以高一些。 ( 4 ) 炉膛热强度：指每小时每立方米炉膛体积所传递的热量，单位为w m 3 。 此值越大，炉子越紧凑；炉体一定，此值越大，炉膛传递的热量越多。 ( 5 ) 全炉的热效率：被加热流体吸收的热量与供给炉子的热量之比。效率的高 低表明向炉子提供的热量被有效利用的程度，它是一个经济指标。 1 2 3 加热炉的炉型 目前，从表面上看加热炉的炉型虽然很多，但基本上可以分为三大类：箱式炉、 立式炉和圆筒炉。 ( 1 ) 箱式炉 它是最早出现的炉型，如图1 2 示，使用时间长，操作经验丰富，维修简单， 但是它存在严重的缺点：1 ) 炉管受热不均匀，使得平均炉管表面热强度低( 2 3 2 6 0 w m ? 左右) ；2 ) 烟道气经对流室从上向下流动，压降大，所需烟囱高度高，增加造价； 3 ) 炉顶为悬挂式，结构复杂：4 ) 炉体庞大，占地面积大。 喷嘴 对流室 去烟窿 图1 2 箱式炉结构 f i g 1 2g e n e r a ls t r u c t u r eo fb o x - t y p ef u r n a c e ( 2 ) 立式炉 它是在箱式炉的基础上发展起来的，外貌为长方体。辐射管有卧管和立管之分； 辐射室有单室( 炉膛中间无火墙) 和双室( 炉膛中间有火墙) 两种。图1 3 所示分 别为单室卧管立式炉、双室立管立式炉、立管立式炉、双阶梯炉和无焰燃烧炉，它 们都属于立式炉。 由于卧管立式炉传热好，所以炉管表面热强度可达3 4 8 8 0 - - 4 6 5 2 0 w m 2 ，但是 炉管不能太长，因为太长容易弯曲，必须采用合金钢的管架。既然不能用太长的管 子，势必影响了传热面积，也就不能适应大处理量的需要。而立管立式炉的辐射管 为垂直放置，炉管的支承可用自由悬挂式，顶部吊架可放到炉膛外部，这样可节省 钢材，提高处理能力。但是炉管越长，沿管长方向受热越不均匀，故其辐射管表面 热强度低于卧管立式炉，约为2 3 2 6 0 一- 3 4 8 8 0 w m 2 。无焰燃烧炉也是一种立式炉， 主要特点是将无焰火嘴沿炉膛的侧墙均匀分布，形成无焰燃烧，并且是双面辐射， 所以炉膛受热均匀，辐射管表面热强度高达3 4 8 8 0 5 8 1 5 0 w m 2 。但是结构复杂， 造价高，只能使用气体燃料，故一般用于条件苛刻，油品易结焦、对热分布要求高 的焦化炉、裂解炉和高温制氢炉等。 双阶梯炉实际上是一种立管立式炉，它将侧面炉墙做成2 - - - 3 个台阶，在每个台 阶处安放火嘴，将炉管沿管长方向分段加热，解决沿管长方向受热不均匀的问题。 它是双面辐射，炉管受热均匀，辐射管表面热强度比一般立管立式炉要高，但其结 构复杂，故多用于高温加热的焦化炉和裂解炉。 图1 3 各种立式炉结构 f i g 1 - 3s t r u c t u r eo f v a r i o u sv e r t i c a lf u l l l a c e ( 3 ) 圆筒炉 图l - 4 所示为各种圆筒炉，辐射管沿圆周布置，火嘴在中间，或沿垂直向上， 与管排平行，结构紧凑，应用广泛，从传热角度看，虽然同一截面上的炉管与火焰 等距，受热较均匀，但沿管长方向受热不均，故炉管表面热强度不高，仅为3 2 6 0 - - - 3 4 8 8 0 w m 2 ，一般多用于热负荷小于2 9 m w 的小型加热炉。其中辐射室带有反射锥 的圆筒炉，由于反射锥可大大的增强炉膛顶部的反射面积，使得顶部炉管受热增加， 改善了沿管长受热的均匀性，增加了炉管表面热强度。但是反射锥要用镍铬合金钢 制造，造价约占炉子设备费的1 5 左右，我国尚未使用。 1 2 3 加热炉的火嘴 火嘴是加热炉的主要部件之一，它是实现燃料燃烧的工具。炉型的改进，必然 要与火嘴的改进相适应。一个理想的炉型，必须配有一种理想的火嘴；否则炉型的 改进也就不能充分发挥作用。我国主要采用了三种火嘴：气体火嘴、油火嘴和油 气联合火嘴。通风方式有自然通风和强制通风。 螺旋管式 立管辐射炉 有反射锥 无反射锥 图l - 4 各种圆筒炉的结构 f 垮1 - 4s t r u c t u r eo fc y l i n d r i c a lf u l l l a c e ( 1 ) 气体火嘴 按照瓦斯和空气混合的先后，气体火嘴可分为预混式、外混式和半预混式；按 照燃烧用空气的供给方式分为引射式和混合式。 无焰燃烧器是预混式，也是引射式，它类型很多如板式( 图1 5 ) 、碗形等。主 要优点是：燃烧安全，速度快、强度高；炉墙与炉管距离短，炉膛体积可大大减小， 可提高体积热强度；可调火嘴多，操作灵活，调节方便；过量空气系数低，热效率 高。主要缺点是结构复杂，需要高压瓦斯，易发生回火。 外混式火嘴的特点是：瓦斯和空气不预先混合，分别从不同的通道进入炉内， 然后互相扩散，边混合边燃烧，称为扩散火焰。此火嘴燃烧速度慢，火焰长，强度 小，过剩空气系数大，热效率低，炉管表面热强度低。但是结构简单，不会回火， 所以被广泛使用。半预混式火嘴即大气式火嘴，介于预混式和外混式之间。特点是： 一部分空气靠引射器吸入，与瓦斯混合后燃烧，这部分空气称作一次空气其余部分 靠大气供给，与瓦斯边燃烧边混合，这部分空气称为二次空气。 口 ( a ) 板式无焰火嘴( b ) 辐射无焰火嘴 图1 5 无焰燃烧火嘴 f i g 1 5n o n - f l a m ec o m b u s t i o nn o z z l e ( 2 ) 油火嘴。根据燃料油的雾化方式可分为蒸汽雾化、机械雾化和联合雾化三 种。蒸汽雾化效果好，火焰稳定，刚直有力，生产能力大，但是消耗蒸汽多且不能 回收，所以成本高；机械雾化成本低，噪音小，但是效果差，耗电量多。 ( 3 ) 油气联合火嘴。它是气体火嘴和蒸汽雾化火嘴的组合，可以同时烧油或烧 气。见图1 - 6 ，它是中间的一个油嘴、六个排成一圈的气嘴、异型耐火砖做成的流 线型火道、一次风门和二次风门等组成。烧油时多用二次风门；烧气时多用一次风 门。 图1 - 6 油气联合烧嘴 f i g 1 6j o i n to i la n dg a sn o z z l e 1 2 4 加热炉的发展动向 ( 1 ) 加热炉的大型化【6 1 在满足加热任务的前提下，要尽量做到节省材料，节省投资，提高效率，延长 运转时间。为达到此目的，最关键的是改善辐射炉管的受热情况，提高炉管表面的 热强度：1 ) 受热均匀，提高炉管表面热强度，节省材料；2 ) 受热均匀，不易局部 过热，就可减小炉膛体积，简化结构，减少占地面积；3 ) 受热均匀，也有利于长周 期运转。可见，炉管表面热强度是加热炉的一个十分关键的指标。对于热负荷较大 的加热炉，如果还是采用一般的燃烧器，不但数量多，管线复杂，操作维修不便， 而且炉管表面热强度和热效率都较低。为了适应加热炉大型化的需要，应该采用新 型大能量的鼓风燃烧器。 ( 2 ) 余热回收系统【9 】 回收烟气余热的途径是利用低温介质吸收烟气的热量，如加热工艺介质，发生 蒸汽或预热炉用燃烧空气。回收烟气余热可以大幅度地提高加热炉热效率，对节能 有显著效果。加热炉对流室出口排烟温度，主要与被加热介质的温度有关系。排烟 温度除随介质入口温度的升高而升高外，还随烟气与介质之间的温差而变化。所以 提高加热炉热效率可以充分利用对流室。从降低被加热介质的温度和缩小烟气与介 质之间的温差两方面来进行，化工装置的原料一般都是先经换热后再进入加热炉的， 所以可采取少换热，降低加热炉进料温度的手段提高加热炉的热效率，而将换热流 程中多余的热量用来预热燃烧空气。国内采用较多的“冷进料、热油预热空气”系 统，就是结合全装置换热特点，进行综合考虑的一种节能方案。另外，也可将温度 较高的一部分进料先通过空气预热器，降温后再与原料混合进入加热炉对流室，这 种方案称为工艺分支物流系统，其流程如图1 7 所示。我国企业目前运行的管式加 热炉大部分还是七、八十年代引进的国外的技术，很多没有余热回收系统，这方面 改进余地较大。 ( 3 ) 燃烧器的改进 燃烧器是工业锅炉的重要部件，燃烧器性能直接影响了工业锅炉的效率，燃烧 器是供应热量的设备，也是消耗能量的设备。燃烧器的设计、选用、制造及操作的 好坏直接关系到加热炉热效率的高低及运转用期的长短。如果脱离开燃烧器去谈一 个加热炉的好坏是不全面的，更是不现实的。一般来讲，燃燃器可以影响锅炉热效 率的5 1 0 ，所以很多科研工作者做了大量的工作来改善燃烧器的性能，主要进 展如下： 周志军等1 2 4 ) 利用文丘里管式混合器结构简单，没有突然的缩小或是放大，所以 对流体产生的阻力小，稳定性好，有平滑的压差特性，使用范围宽，一般气体、烟 气、含杂质较多的高炉煤气等，长期使用不发生堵塞现象的特点，开发研究了文丘 里浓淡煤粉燃烧器的分离特性和阻力特性，取得了较好效果。 东南大学的赵伶玲等【2 5 】提出一种新型的花瓣式旋流燃烧器，取得了较好的效 果，并通过三维的流场数值模拟分析了花瓣燃烧器的流场特点。 百叶窗也是燃烧器中较为常用的一种燃烧器，西安交大的刘泰生掣2 6 】通过冷 模化试验和数值模拟的方法，对百叶窗浓淡燃烧器叶片结构改进，取得了较为理 想的效果。 物科出口 物料入口 图1 7 工艺分支物流系统 f i g 1 - 7t e c h n o l o g yb r a n c hl o g i s t i c ss y s t e m s 1 3 加热炉存在的主要问题 管式加热炉广泛应用于石油化工、化肥和有机化学工业，是一种带有燃烧的加 热设备，在石油化工生产中有举足轻重的地位，他的运行好坏，直接关系到整个生 产装置能否安全、高效、稳定、长周期运行。液体燃料、气体燃料在炉内燃烧，所 产生的高温火焰与烟气作为热源，通过炉管管壁来加热在炉管中流动的原油、馏分 油、渣油或气体烃等工艺流体，使其达到所需的温度，发生蒸发，甚至热裂解转化 等化学反应。管式加热炉是连续运转的设备，要求长周期操作。其主要特点在于， 加热温度高( 火焰温度高达1 0 0 0 1 6 0 0 ) 传热能力大( 炉管传热强度高达 3 3 0 0 0 k j m 2 h ) 。大型石油化工厂内管式加热炉的热负荷和能量消耗都很大，例如 大型原油蒸馏装置，年处理量一千万吨原油的常压加热炉的热负荷高达1 2 亿k j h ， 而对于中等加工深度的炼油厂，其所拥有的加热炉的燃料消耗，约占其处理原油能 力的4 8 ，所消耗燃料费用约占其操作费用的6 0 7 0 。【6 】因此，加热炉热效率 的高低与生产成本有着密切的关系。在石油化工生产中，人们在期望装置能长期安 全运行的同时，节能和提高经济效益就显得非常重要。 另一方面，我们企业中目前运行的管式加热炉大部分还是七、八十年代引进的 国外的技术，按照现行的标准，它们不管是在能源消耗量、操作难易程度上都已经 远远落后于目前世界先进水平。而且，在运行过程中，其运行参数，燃料成分势必 发生变化，致使运行工况偏离原设计值。 曾有科研人员对国内7 家大型石油化工企业的加热炉进行了专项调查，得到的 信息基本反映了加热炉的现状。在调查的7 家企业中，炼油装置设计热负荷1 2 m w 以上的加热炉共有8 4 台，对其中的7 0 台进行了仔细调研，主要有常减压蒸馏、焦 化、制氢、重整和加氢裂化等装置。调查显示，热效率在7 5 以下的有2 台( 其中l 。台热效率最低，仅有6 9 2 ) ，7 5 - 8 0 有3 台，8 0 - - 8 5 有1 6 台，8 5 一- 9 0 有 4 3 台，9 0 以上有6 台。从调查结果看，热效率达到设计值的加热炉只占被调查总 数的3 0 左右。7 0 台加热炉的设计热效率平均为8 8 1 ，而实测反平衡简化计算热 效率平均约为8 5 3 ，低于设计值2 8 个百分点。在调查的炉子中，实测排烟温度 最高的是4 1 0 ，最低为1 1 5 。c ，其中低于1 7 0 的仅有1 7 台，1 7 0 - 2 1 0 有3 5 台， 高于2 1 0 的有1 8 台，平均排烟温度为2 0 8 。1 6 目前石油化工企业一部分加热炉 实测热效率低于设计热效率的现状说明：在加热炉节能方面尚有很多潜力可挖。对 它们进行改造，想法设法提高其能源利用率，已经越来越受到各有关部门和行业技术 人员的熏视。如何通过精心操作或有限的改造提高现有加热炉的热效率是值得我们 关注的一个课题。 1 4 课题背景及研究内容 1 4 1 课题背景 齐鲁乙烯6 0 k t a 苯乙烯装置引进l u m m u s 生产工艺，采用烷基化反应生成乙苯， 乙苯脱氢生成苯乙烯的工艺路线，1 9 8 9 年1 0 月投用。脱氢工艺采用具有级间二次加 热两级串联反应器的负压绝热脱氢工艺。在负压和绝热条件下乙苯脱氢反应的制取 苯乙烯是当今工业上普遍采用的生产方法。因为乙苯脱氢生成苯乙烯是由一个乙苯 分子生成一个苯乙烯分子和一个氢分子的可逆增分子反应，降低反应压力明显有利 于化学平衡朝生成苯乙烯和氢气的方向移动，可提高乙苯转化率和苯乙烯选择性。 其次，反应一个强吸热反应，必须提供大量的热量，才有利于反应朝着生成苯 乙烯的方向进行。而提供热量最简单有效的措施载热体( 过热水蒸汽) 直接同乙苯混 合，高温的乙苯一水蒸汽混合物于绝热条件下在催化剂床层中发生吸热的脱氢反应。 其间，高温载热体水蒸气不但提供热量，而且还起到了降低烃分压( 相当于降低了反 应压力) 及清除催化剂表面积碳的作用。 乙苯蒸发及脱氢反应系统由二台串联的脱氢反应器( 其中第二脱氢反应器顶部设 一台中间换热器) 、蒸汽过热炉、卧置组合式换热器、乙苯蒸发器等单元设备构成。 该系统的功能是使原料乙苯完成配汽、蒸发和过热，然后同来自蒸汽过热炉的高温 过热水蒸汽混合，获取热量，升到反应温度，进入反应器催化剂床层，在负压和绝 热条件下发生脱氢反应。反应器排出的高温气态生成物经逐级冷却冷凝，回收热量， 进入下游的工艺凝液( 脱氢液和水) 处理及尾气处理二个系统进一步加工。催化脱 氢法是在催化剂的作用下，选择性脱除乙苯分子中乙基上的氢，生成苯乙烯单体， 此反应为强吸热反应，主要副产物为苯和甲苯。 蒸汽过热炉是为乙苯脱氢单元脱氢反应器提供反应需要能量的关键设备。蒸汽 过热炉的热效率低下，造成装置的能源浪费：而过热炉一旦发生故障，轻则影响脱氢 反应的转化率和选择性，重则造成整套装置停车，从而导致重大的经济损失。 蒸汽过热炉为箱式管式加热炉，热负荷为2 2 5 1 m k j h r ，炉膛设计温度1 2 6 0 辐射室分为a 、b 两室，底部分别安装6 台和4 台烧嘴，两室之间以挡火墙隔开，共用 一个对流段和烟道。蒸汽过热炉a 、b 两室炉管的材质为a 室z g 4 0 n i 3 5 c r 2 5 n b ( 简称 h p 4 0 n b ) ，b 室z g 4 0 n i 2 5 c r 2 5 n b ( 简称h k 4 0 ) ，最高炉管壁设计温度为a 室11 0 0 ，b 室 1 0 8 7 。蒸汽过热炉主要工艺流程见图卜8 。 该炉子在实际的运行中，出现了很多的问题，主要有以下三个： ( 1 ) 耐火衬里结构稳定性差，存在多处薄弱部位。自开车以来，该炉的耐火衬 里多次发生故障，成为影响装置正常运行的瓶颈。 ( 2 ) 过热炉的炉管寿命较短，达不到设计寿命。 ( 3 ) 过热炉炉外壁超温严重，排烟温度高，热效率一直徘徊在8 6 8 7 之间， 远未达到设计值9 0 5 。 图l 一8 蒸汽过热炉主要工艺流程 f i g 1 - 8m a i np r o c e s so fs t e a ms u p e r h e a t e r 1 4 2 课题的研究内容 针对以上的问题，本课题将进行以下方面的研究： ( 1 ) 通过改变耐火衬里的结构形式和对耐火材料进行材质升级改进，解决过热 炉耐火衬里运行周期短、炉外壁超温的问题。 ( 2 ) 分析过热炉炉管寿命较短的原因，提出合理的解决方法；加强对更换后炉 管的检测，运用有效手段对加热炉炉管寿命进行评估。 ( 3 ) 研究在过热炉底部增设余热回收系统的可行性，利用厂区中压凝液作为热 源，预热进入燃烧器的冷空气，节省燃料气，提高加热炉的热效率。 天津大学硕士学位论文第二章蒸汽过热炉耐火衬里故障分析与技术改造 第二章蒸汽过热炉耐火衬里故障分析与技术改造 2 。1 蒸汽过热炉耐火衬里故障及原因分析 2 1 1 改造前过热炉耐火衬里结构 蒸汽过热炉为箱式管式加热炉，热负荷为2 2 5 1 m k j h ，炉膛设计温度1 2 6 0 辐射室分为a 、b 两室，底部分别安装6 台和4 台烧嘴，两室之间以挡火墙隔开，共用 一个对流段和烟道，蒸汽过热炉衬里结构见图2 - 1 。4 m 以上及炉顶均为总厚度3 0 0 m m 的硅酸铝纤维喷涂复合衬里，结构见图2 2 ；4 m 以下为3 层厚度总计1 3 0 m m 硅酸铝纤维 背衬和1 7 2 m m 厚2 6 级轻质耐火砖结构，耐火砖支承在托砖板上，通过锚固件与炉壁板 连接；中间隔墙为耐火砖砌筑，炉底为3 2 5 m m 厚耐火浇注料。 2 1 2 耐火衬里存在的主要问题 改造前，炉外壁温度大大超过加热炉设计壁温7 7 ，其中炉顶外壁温度超过1 0 0 ，a 室看火孔、托砖板处的温度高达1 5 0 c ；排烟温度在1 9 0 左右，远超过设计温 度1 6 3 。过热炉热效率一直徘徊在8 6 - 8 7 之间，远未达到设计值9 0 5 。耐火衬 里结构稳定性差，存在多处薄弱部位。自开车以来，该炉的耐火衬里多次发生故障， 成为影响装置正常运行的瓶颈。特别是1 9 9 8 年8 月过热炉采用耐火纤维喷涂的方法对 加热炉内衬进行了全面的更换后，该炉运行效果一直不佳。2 0 0 1 年2 月，a 室炉顶耐 火纤维喷涂料发生部分脱落，对损坏部分重新喷涂修补；2 0 01 年7 月，a 室炉顶耐火 纤维喷涂衬里发生大面积脱落，导致对流段翅片管堵塞，不得不对整个a 室炉顶衬里 采用层铺法修复；2 0 0 2 年1 月，发生a 室端墙耐火浇注料看火孔烧损，托砖板变形， 导致局部耐火砖倾斜、倒塌。3 次故障共造成停车抢修时间3 6 0 h ，严重影响了装置的 正常生产【2 引。 天津大学硕士学位论文第二章蒸汽过热炉耐火衬里故障分析与技术改造 耐火浇注料炉底衬里 图2 - 1 蒸汽过热炉衬里结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo fs t e a ms u p e r h e a t e rl i n i n g 烈篓 鬟 缓匪 甏 羹霎 。 蓼 菇笏搿 图2 - 2 硅酸铝纤维喷涂衬里结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo ff i r e - f i b e rc o a t i n gl i n i n g 2 1 3 过热炉耐火衬里的故障原因分析 ( 1 ) 耐火纤维衬里喷涂法在高温炉上应用不合理 目前，硅酸铝耐火衬里结构主要有：纤维喷涂结构和模块叠砌结构等。模块叠砌 天津大学硕士学位论文 第二章蒸汽过热炉耐火衬里故障分析与技术改造 法是目前耐火纤维衬里应用最广泛的结构，根据炉膛温度，采用相应的耐火纤维针 刺毯，按一定的结构、尺寸在专用机械上压缩4 0 5 0 加工成耐火纤维模块，在安装 过程中模块通过锚固件固定，按一定的方式在炉壁上依次砌筑而成整体耐火衬里结 构。砌筑完成后，模块的压缩量予以释放，使各模块挤成一个无缝隙的整体。 耐火纤维喷涂法是指通过专用喷涂设备将高温结合剂均匀地覆盖于耐火纤维表 面，并借助物料的动力，将喷涂料喷射在炉壁表面，形成三维网络状的耐火结构。喷涂 所用结合剂由有机结合剂、无机结合剂、分散剂等材料配制成。其中有机结合剂在 常温下起附着、增韧、减少喷涂料反弹等作用。当温度上升n 3 5 0 ，有机结合剂完 全挥发。炉衬主要依靠无机粘结剂和锚固件结合在炉壁上。 两种衬里结构从根本上而言，是同一种物质的不同结构形式，二者最根本的区别 是：模块无结合剂，高温下依靠锚固件固定，锚固件长度为1 4 0 r a m ，距离热面1 6 0 r a m 。 喷涂衬里高温下依靠锚固件固定和结合剂粘结的共同作用。影响喷涂衬里最主要的 因素是：高温下无机结合剂的粘结性和耐烟气侵蚀性能，实践证明结合剂在温度过高 时( 超过1 0 0 0 c 以上) 会出现烧失和炭化，造成衬里的损坏。喷涂结构采用较多的 锚固件固定，造成热短路多，能量损耗大；锚固件距离热面仅3 0 - - 5 0 m m ，对锚固件 材质要求高。在过热炉喷涂衬里中，使用的锚固件材质为2 c r 2 5 n i 2 0 ，按照炉膛设计 温度1 2 6 0 计算，锚同件的热面温度为1 0 5 2 ，远高于a p l 5 6 0 f i r e dh e a t e r sf o r g e n e r a lr e f i n e r ys e r v i c e 推荐的2 c r 2 5 n i 2 0 锚固件的最高使用温度u 1 ，见表2 1 所 示旧1 。在长期高温氧化气氛作用下，锚固件氧化，体积膨胀，使衬里层产生裂纹， 而裂纹将导致更多的烟气窜入，使锚固件受损，造成衬里的下垂、脱落。 基于上述分析，炉膛温度大于1 0 0 0 的加热炉耐火纤维衬里，应用喷涂结构不 能满足长期稳定生产的要求。 表2 - 1a p l 5 6 0 推荐耐火衬里锚固件最高工作温度 t a b l e 2 - 1r e c o m m e n d e dm a x i m u mo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e o f a n c h o ri nr e f r a c t o r yl i n i n gb ya p l 5 6 0 锚固件材质 锚固件最高工作温度。c t p 3 0 4 h ( 1 c r l 8 n i 9 ) t p 3 1 0 ( 2 c r 2 5 n i 2 0 ) i n c o n e l6 0 l 耐火陶瓷( 9 5 瓷) 7 6 0 9 2 7 1 0 9 3 1 0 9 3 天津大学硕士学位论文 第二章蒸汽过热炉耐火衬里故障分析与技术改造 ( 2 ) 耐火砖衬里不能满足长周期运行要求 蒸汽过热炉炉膛设计温度1 2 6 0 c ，但火焰温度可达1 3 5 0 1 6 5 0 ，根据a p l 5 6 0 f i r e dh e a t e r sf o rg e n e r a lr e f i n e r ys e r v i c e 推荐在炉膛温度1 2 6 0 环境下，可 能受到火焰灼烧冲刷的部位，耐火砖长期使用温度不应低于1 5 3 8 而该炉使用的2 6 级耐火砖最高使用温度为1 4 3 0 c ，在高温作用下，耐火砖荷重软化，产生裂纹甚至 损坏。耐火砖衬里所使用的锚固件材质为2 c r 2 5 n i 2 0 ，在火焰灼烧冲刷的部位，按热 面温度1 3 5 0 ，锚固件距离热面8 0 m m 计算，锚固件热面温度为9 6 0 ，高于a p l 5 6 0 推荐使用温度。在长期高温作用下，锚同件会发生氧化、变形、烧损，强度降低， 不能承受耐火砖重量，导致耐火砖衬里倾斜、倒塌。在耐火砖衬里中，看火孔和托 砖板结构是薄弱部位，在生产操作中曾多次发生故障。 2 2 过热炉耐火衬里的改进 2 2 1 硅酸铝纤维衬里的改进 ( 1 ) 耐火纤维衬里结构 通过不同衬里结构的对比，过热炉4 以上硅酸铝纤维衬里采用模块叠砌结构。 总保温厚度3 0 0 m m ，热面保温层厚度2 5 0 m m ，采用含锆型纤维模块，背衬层厚度5 0 m m ， 采用2 层3 0 m m 高纯型纤维毯压缩至5 0 m m 。模块结构方式采用单孔吊挂式，见图2 3 所 示。该结构由焊接在炉壁板上的2 c r 2 5 n i 2 0 螺栓，纤维