四氟乙烯燃氣裂解爐的系列優化改造

謝小剛，譚建明，劉　錢，李非露（中昊晨光化工研究院有限公司，四川　自貢　643201）

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四氟乙烯燃氣裂解爐的系列優化改造

謝小剛，譚建明，劉錢，李非露
（中昊晨光化工研究院有限公司，四川自貢643201）

摘要針對四氟乙烯燃氣裂解爐檢修頻率高、事故頻繁、燃料消耗高等問題，從燃燒器、保溫層、零部件結構和控制方式等方面進行了分析，并以此對燃氣裂解爐進行優化改造。改造后實際運行結果表明，裂解爐的使用壽命延長，檢修頻率降低、費用降低，能源、原材料消耗同比明顯減少，且多項控制參數得到了優化，在很小投資的情況下達到了大的收益，效果明顯。

關鍵詞燃氣裂解爐；四氟乙烯；燃燒器；優化改造

燃氣裂解爐是四氟乙烯單體生產裝置的核心設備。某燃氣裂解爐為立式筒爐，內部結構復雜，主要包括筒體、換熱管、熱風換熱器、燃燒器、煙囪及保溫材料等。裂解爐的運行條件復雜，涉及到天然氣、二氟一氯甲烷（F22）、水蒸汽、無離子水、氮氣等物料在爐內的燃燒、流動、轉化和熱交換等，且設備長期在高溫條件下運行，以及驟冷驟熱的交替工況，致使每半年小修1次，1年大修1次。

原有的三點式正三角型底燒式燃燒器，其結構決定了燃料燃燒不完全，爐底溫度過高，易燒壞燃燒爐底板保溫層，爐底澆注泥呈貫通式開裂，對流段、輻射段均有保溫材料不規則脫落，同時燃燒火焰經常出現偏燒舔管，使換熱管發生蠕變變形。由于沒有設置熱風換熱器及時移走煙氣熱量，致使煙道氣溫度高達350℃以上，煙囪經常損壞。

在控制方式上采用現場PLC控制，爐溫、爐膛負壓、燃氣量、風量等都需在現場PLC面板上進行調節，由于控制信號上的滯后造成裂解爐多項參數不能及時修正，致使爐底外部溫度高達230℃以上，筒體外部溫度達75℃以上，滿足不了控制精度要求，且事故頻發。因此該設備的檢修頻率較高，燃料消耗高，不能滿足化工裝置的長周期安全平穩運行。

1原因分析及改進措施

四氟乙烯燃氣裂解爐總體結構見圖1。

圖1 裂解爐Fig 1 Cracking furnace

1.1燃燒器

燃氣裂解爐的熱源都由燃燒器燃燒燃氣產生，其結構形式、燃燒噴嘴、空燃比、材質等都與燃燒效果密切相關。改造前的燃燒器采用簡單的三點式正三角型底燒式燃燒器，空燃比的調節采用人工調節，存在3點空燃比調節不一致、部分燃燒不完全、火焰偏燒、爐內溫度分配不均勻和爐底溫度過高等問題，造成燃燒器經常損壞；爐內蒸汽換熱管火焰偏燒舔管造成蠕變；爐底溫度過高造成底板保溫材料損壞，更換頻繁；燃氣用量大，燃燒效率低；煙道氣溫度過高。

基于上述原因，將燃燒器改造為底燒多槍平流式，設置在裂解爐底部正中，燃氣槍放在調風器空氣通道內，槍頭8～12個。燃燒器本體材質采用碳鋼，槍頭材質采用Cr25Ni20，助燃配風為45°旋進氣。改進后的燃燒器結構見圖2。

圖2 改進后的燃燒器結構Fig 2 The improved structure of burner

1.2保溫材料

改造前的裂解爐爐底采用高溫石棉板、耐火澆注泥、高溫涂料的組合保溫形式；輻射段爐身采用普鋁纖維針織毯、高溫涂料的組合形式，爐頂同樣采用普鋁纖維針織毯、高溫涂料的組合形式，且用500 mm×500 mm的S30408材質鋼條進行捆綁；對流段采用普鋁纖維針織維毯。由于爐膛溫度較高，局部保溫材料及捆綁材料選擇不合理，致使保溫層開裂與不規則脫落，導致爐底外部達230℃以上，爐筒外部溫度達75℃以上，對流段外部溫度達50℃以上，遠遠超過控制標準。

基于上述原因，改造時，采用爐底鋪3 cm厚高溫石棉板、中間為高鋁耐火磚、表面為耐火澆注泥和高溫涂料、溝縫填充高鋁纖維的組合形式；爐身采用外表面普鋁纖維針織毯、內表面高鋁纖維針織毯和高溫涂料、同時用陶瓷帽固定的組合形式；爐頂采用全高鋁纖維針織毯，同時用250 mm×250 mm的Cr25Ni20材質鋼條進行捆綁固定的組合形式；對流段全部采用高鋁纖維針織毯和高溫涂料的組合。

1.3熱風換熱器

原有燃燒爐對流段未使用熱風換熱器，燃燒器全部采用外部冷空氣配風，裂解爐燃燒尾氣全部由煙囪排放，煙氣溫度達到350℃以上，煙囪經常損壞，且熱損失大，燃氣用量大。

為了降低燃料消耗，改變燃燒器冷熱交替工況現狀，在對流段上部增加1個熱風換熱器，見圖3。燃燒器配風先經過熱風換熱器逆流換熱，將溫度加熱到130～180℃，再與燃氣一起通過燃燒器進行燃燒。

圖3 增加熱風換熱器后的裂解爐Fig 3 Cracking furnace with increased hot air heat exchanger

1.4零部件

裂解爐的零部件相當多，一套裂解爐達上萬個。改進前部分零部件設計不合理，例如蒸汽換熱管的導向管、輻射段的檢修孔、爐底的加強筋、煙囪擋板等，造成裂解爐檢修頻率高、故障率高。

將輻射段蒸汽加熱管的底部導向管與裂解爐底板隔開，避免內部熱量通過導向管直接傳到底板外，造成爐底外部溫度過高，同時將材質由原來的S30408材質改為Cr25Ni20。

將輻射段檢修孔改進成凹槽密封，同時在凹槽和檢修蓋板部位增加以高鋁纖維為主要材料的保溫材料，避免熱量散失。

將底部燃燒器噴火口改進為45°蝸殼狀喇叭口形，使火焰充分燃燒，同時將火焰直徑控制在一定的范圍，避免火焰舔管造成輻射段換熱管發生蠕變。

將輻射段換熱管掛鉤改成為U型，U型的轉彎薄弱部分加厚，U型內部按照換熱管彎頭的形狀進行修正，使其更好的貼合，以免熱脹冷縮后換熱管脫離U型掛鉤，發生變形，同時將U型掛鉤的材質更換為ZG5Cr26Ni36Co15W5。

將原來的煙囪擋板改為電動蝶閥，材料為S30408材質，可以更加直觀的觀察到煙氣流道開度，更加精準的控制爐膛的負壓。

將對流段管板加工面由原來的自由尺寸公差按GB/T 1804—2000的第14級精度加工，改為自由尺寸公差按JB 2854—80的第2級精度加工，同時將管板材質改進為ZGCr25Ni12Si2［1-2］。

將爐底測溫點設置在距離爐底板以上1.5～2.0 m位置，插入深度900 cm，便于測量火焰的外焰實際溫度；將爐中溫度測溫點設置在輻射段蒸汽換熱管出口位置，插入深度700 cm，便于監控加熱效果；將爐頂測溫點設置在對流段和熱風換熱器結合部位，插入深度500 cm。同時增加熱風換熱器后煙道和熱風的溫度檢測點。

1.5控制方式

裂解爐的控制方式有很多種，一般分為現場的PLC控制和遠程DCS控制，控制方式改進前采用現場PLC控制方式，爐溫、爐膛負壓、燃氣量、風量等都需在現場PLC上進行調節，由于信號的滯后造成裂解爐多項參數不能及時的修正，因此無法滿足控制精度要求，頻發事故。

基于此，將原有的控制方式改為現場PLC和遠程DCS組合控制的方式，采用轉換開關進行切換。裂解爐在開車和停車階段，將轉換開關切換至PLC控制方式，便于現場對各項參數進行修正，同時避免緊急事故的發生。當裂解爐處于正常操作階段時，將轉換開關切換至DCS控制方式，便于根據各項控制參數的變化進行遠程調整。同時，采用單回路連鎖和先進的等比例控制方式，對爐膛壓力、溫度、空燃比進行自動調節。

表1 裂解爐改造前后運行情況Tab 1 Operation situation of cracking furnace before and after modification

2　運行效果

通過對裂解爐的一系列優化改造，其使用壽命和運行效果都有了明顯的提高，檢修頻率比改進前降低很多，由原來的半年1次小修降到1年1次小修，1年1次大修降到5年1次大修。同時裂解爐的各項控制參數相當可控，無論是轉化率、燃氣消耗、溫度控制等方面均有明顯的進步。改造前后運行情況見表1。

從表1可以看出，同等四氟乙烯產量的情況下燃氣消耗量比改造前少消耗約50 m3/h，且系統運行平穩。爐膛溫度梯度分布合理。煙道氣溫度較改進前降低很多，很大一部分熱量通過熱風換熱器進行回收利用，從而顯著降低了燃料的消耗。

3　結束語

通過對燃氣裂解爐的一系列優化改造，不但延長了裂解爐的使用壽命，顯著降低了燃氣燃燒爐的檢修頻率，大幅降低檢修費用，能源、原材料消耗同比明顯減少，且多項控制參數得到了優化，在很小投資的情況下達到了大的收益，效果明顯。

參考文獻

［1］GB/T 1804—2000一般公差未注公差的線性和角度尺寸的公差［S］.

［2］JB 2854—80鑄鐵件機械加工余量尺寸公差和重量偏差［S］.

研究與開發

中圖分類號TQ222.4+2

文獻標識碼BDOI 10.3969/j.issn.1006-6829.2016.01.006

收稿日期：2015-10-24