管式加热炉炉管结焦分析.pdf

第5期
安全密封
管式加热炉炉管结焦分析
章许云,2
(1.南京扬子石油化工设计工程有限责任公司,江苏南京210048)
(2.南京工业大学,江苏南京210032
[摘要]管式加热炉运行中炉管结焦是重大安全隐惠。本文对炉管结焦的形成及影响因素、预防结焦、处理结焦进行了整
体分析,提出了相应的对策。
关键词]管式加热炉;炉管结焦;安全措施
1管式加热炉简介
厚),因此比厂内的其他通用设备容易损坏。炉
管式加热炉是石油炼制、化工和化纤工业中管损坏的主要形态有:管壁减薄、变形、破裂、
使用的工艺加热炉。其作用是将油品或其它介质
鼓包、内外腐蚀等。
加热以达到工艺要求。在石油化工行业中,管式
炉管损坏是多种因素的综合作用造成的,如
加热炉作为提供石油化工生产对热能需要的一种管内结焦、传热恶化、局部过热、进料原油中含
供热于段得到了广泛运用。
盐等。
管式加热炉一般由辐射室、对流室、余热回2.1炉管结焦
收系统、燃烧器以及通风系统五部分所组成。见
加热炉损坏一般以结焦为主,由多种因素
图1。辐射室和对流室内装有炉管,这个部分直接共同作用形成。结焦是炉管内的油品温度超过
受到火焰烧烤,温度最高,必须充分考虑选用材定界限后发生热裂解,变成游离炭,堆积到炉管
料的强度和耐热性能等要求。在辐射室的底部、上的现象。损坏过程为:管内开始结焦,提高了
侧室或顶部装有火嘴,在烟囱内装有挡板。较先管壁温度,从而也加剧了表面的氧化和炉管的
进的加热炉还配备烟气余(回)热系统、空气和腐蚀。氧化使管壁厚度减薄,减薄处在内压和热
燃料比的控制调节系统。低温物料先流进对流室量的双重作用下首先鼓出。炉管鼓包后管子内壁
炉管,再流经辐射室炉管,在炉膛内吸热后成为和焦层之间间隙加大,使炉管其它部位的温度也
高温物料而流出。
逐渐升高,进一步氧化减薄,最终导致炉管的破
裂。炉管三维图见图2。
图1管式加热炉结构图
2管式加热炉炉管损坏的原因
炉管是加热炉进行热量传递的重要设备。
图2炉管三维图
炉管在苛刻的条件下运行,直接见火。由于设计
中中甲甲年中甲中中甲前甲中重
作者简介:章许云(1981-),男,江苏人,本科学历,助理
上不可能留有很高的安全系数(否则,炉管会过
工程师,研究方向,化工设备管道设计安全评价。
石油与化工设备
安全密封
2010年第13卷
2.,2传热恶化
结焦过程可以解释为:结焦最初是热烈解、
传热恶化是因为燃烧器离炉管太近。为改善聚缩、高分子物质离析等。主要起因于加热引起
传热,可以调整燃烧火焰,重新布置或更换燃烧的反应,由于流速下降,达不到紊流状态,上述
器,重新布置加热盘管
反应物残留在管壁,逐渐沉积起来,形成了焦
2.3局部过热
如果管内流量减少以后,管内介质的传热系3.2影响结焦因素
数有可能大幅度下降,管内介质的流动状态有可
(1)管内流体的温度过高;(2)结焦是在管内壁
能突变,盘管各路之间也更容易发生偏流。它们表面上产生,管壁的温度影响焦炭生成速度,为
的不良后果有可能抵消因热负荷降低给炉管带来防止结焦,不应把辐射热强度取得太高:(3)管内
的安全度,而造成低负荷下的炉管局部过热损坏流体的流速慢,加快了结焦的形成;(4)管内流态
(俗称“干烧”)。
状况。
2.4炉管腐蚀
4预防措施
炉管内外的腐蚀从机理上讲,与一般设备材4.1控制加热温度
料的腐蚀没有本质的区别,但有两点:一·是炉管
单纯加热用的炉子,只要能满足工艺过程的
材质应耐腐蚀性能更高,因为炉管的使用条件更基本要求,应尽量降低流体被加热的温度。降低
苛刻。另一点是从保持尽可能高的传热效能和尽流体温度可采用降低炉子盘管系统压力,向炉管
可能小的温差应力来考虑,不希望炉管壁厚的腐注水蒸气等方法。
蚀裕量取得过大。
对非单纯加热炉的焦化、裂化等装置使用的
2.5原料油中含盐
“反应型”加热炉,首先,应注意加热温度和加
加热炉原油中含盐过高会导致炉管损坏。热时间的关系。通常油品的温度越高,则裂解速
油料中含盐量越高,则炉管结焦的速度越快。度越快,轻质油收率越高,但反应时间宜短。反
燃料油中的金属盐是导致加热炉结焦的主要原应时间越长,裂解反应的焦质物越多,所以必须
因之一。脱除燃料油中的金属盐,一是在原油对加热反应的过程进行控制,尽量缩短在高温区
中加入沉淀剂,使其生成亲水性微小沉淀颗粒的停留时间。
进入水相;二是加入螯合子形成溶于水的合
设计这类炉子时必须了解管内流体的热解生
物随水排出。
焦特性。每种油品都有自己开始发生结焦的“临
炉管结焦形成及影响因素
界温度”。一般油品越重,直链烷烃越多,结焦
.1炉管结焦的形成
的“临界温度”越低,如图4所示。管内油品的特
性因数K值可综合地表征油品的特性,图4为K值
炉管内壁结上一层焦炭以后,热阻增加,使
与结焦温度的关系。只要工艺和操作上允许,整
管壁温度升高,其后,气相和液相油品继续滲透
个炉子盘管系统都应控制在此温度以下,这是防
到焦层的孔隙中去,继续结焦,逐渐形成越来越
止焦炭生成的基础。
厚的坚实的焦层,使管壁温度最终升高到允许值
以上,这从炉管外表面的局部区域颜色变化可以
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判断出来。
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管内结焦是传热表面上生成“污垢”的一种
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现象,可采用传热面上“结垢速度”这一概念来
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分析。根据这一概念,可将炉管管内的结焦速度
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定义为每小时管内结垢热阻R;的增加值。由于R1
40
的单位为(m2.bK)j,所以结焦速度的单位为(m
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h.K/ky)h。
111.311.511.711.9
结焦的多少取决于两大因素:焦炭生成速度
2妒管三维图
及焦层脱落速度,即
4.,2处理好管壁温度和热强度的关系
结焦速度一=焦炭生成速度一焦层脱落速度
焦层是在管内壁表面上生成的,管壁温度是