新型強化傳熱裂解爐爐管的應用

張曉

（中國石油撫順石化公司，遼寧撫順 113004）

裂解爐是乙烯裝置的主反應器，裂解爐輻射段爐管是裂解爐的“心臟”，是將原料反應生成目的產物的最核心部位。輻射段爐管工作條件十分苛刻，輻射段爐膛作為提供反應熱的場所，其內部溫度高達1 200～1 400℃，裂解反應在輻射段爐管內進行，該反應是高溫強吸熱、體積膨脹、易結焦的過程。因此，爐管既是特殊形式的“換熱器”，又是重要的“反應器”。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，材質為下行管25Gr-35Ni，上行管35Gr-45Ni，清焦周期為55～60天/次。自裝置開工以來，已連續運行9年，部分爐管出現嚴重的滲碳、蠕變、減薄、彎曲變形等現象。因此，為提高裂解爐的安全性和運行效率，2021年采用新型強化傳熱爐管對裂解爐進行了爐管更換改造，改造后運行效果和經濟性明顯。

1 強化傳熱爐管原理和技術特點

1.1 強化傳熱爐管原理

在常規離心鑄造光管內部增加強化傳熱元件，元件材料與母管相同，采用專有的靜態鑄造制造工藝在爐管內部離散布置頭大尾小的水滴狀元件，具有體積小、阻力降小、與爐管內壁完全融合、不會對爐管產生附加應力的優點，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，強化傳熱元件內部結構見圖1。

圖1 強化傳熱元件內部結構

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

1.2 強化傳熱爐管技術特點

1）改善流體流動狀態：強化傳熱元件對流體起到擾動作用，提高流體的雷諾數，增加湍流效果，破壞流體在管內壁的滯留層。

2）改善傳熱效果：加大管內壁對介質的傳熱系數，使介質在管內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，相應提升原料處理量可以達到5%～10%。

3）降低管壁溫度：流體擾動降低滯留層的厚度，加大管內壁的傳熱系數，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）延長清焦周期：管內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，抑制結焦速率，與光管相比，延長清焦周期30%以上；同時延長爐管使用壽命。

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

6）穩定性良好：強化傳熱元件的化學成份、金相結構、力學性能和抗滲碳性均與母材相同。由于特殊的制作工藝，保證強化傳熱元件與母管接觸面優良的抗熱沖擊性，保證元件不會因為頻繁開停車和物料沖刷而脫落。

2 裂解爐爐管更換改造方案

裂解爐原設計有7臺液態原料裂解爐，均采用美國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對流段形式，爐管在爐膛內單排U型2程排列，結構為連接件→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構，滿足最小化改造條件，新爐管進行了重新局部設計，同樣采用單排U型2程排列，結構為連接件→文丘里→下行管→S彎→U彎→S彎→變徑→上行管（附強化傳熱元件）。布局結構見圖2。新爐管增加了第二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 新爐管布局結構

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

文丘里作為分配、調節流量的主要元件，縮小喉徑后每根爐管流量分配更加均勻，同時使得文丘里前后的絕壓比[1]減小，對裂解爐適當提高加工負荷起到關鍵作用，也能提高裂解爐對原料的適應性，滿足不同裂解原料生產工況的要求。文丘里前后絕壓比減小有效延長了裂解爐清焦周期。

考慮到上行管內增加了雨滴狀元件（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，表觀停留時間延長。結合文丘里后壓力與爐出口壓力（COP）設計值進行等通量計算，管徑必須擴大。因此上行管管徑增加。

3 新爐管更換后的性能標定

3.1 裂解爐運行參數標定

為驗證新爐管更換后效果，保持原進料模式及分配方式不變進行72 h數據標定。根據設計工況要求，原料進料量滿負荷為315 t/h。按2.5 H＋3 L＋0.5 LPG＋1氣態＋1備用的模式操作，各爐加工負荷及原料種類見表1。在表1運行模式下，整理各裂解爐72 h的關鍵運行數據見表2。

表1 原料種類及負荷分配

在相同運行模式下，查找原爐管各裂解爐關鍵運行數據，見表3。

由表2和表3數據可看出，更換新爐管后各爐橫跨壓力均出現不同程度上漲，重油上漲約0.01 MPa，輕油上漲約0.02 MPa。由此可見新爐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；受新爐管強化傳熱作用，各爐在同樣的裂解深度條件下燃料氣消耗均出現相應減少（重油減少約0.6 t/h，輕油減少約0.8 t/h），爐管更換前后總燃料氣消耗降低約4.3 t/h；隨著燃料氣耗量減少總煙氣量降低，直接表現為各爐拱頂溫度大幅降低；煙氣量減少，對流段預熱模塊熱負荷降低，各爐SS產量均出現下降情況，更換爐管前后總SS發汽量減少約19.7 t/h，平均每臺爐減少2.81 t/h；同樣，隨著對流段熱負荷降低各裂解爐排煙溫度降低，對提高裂解爐熱效率起到積極作用。

表2 各裂解爐運行數據

表3 原爐管各裂解爐運行數據

3.2 產品收率標定

統計標定期間裝置產品收率情況，與同模式下原爐管運行期間產品收率進行對比，驗證新爐管使用的經濟性，數據見表4。可以看出，同樣工況下更換新爐管對提高目的產品收率有較大貢獻，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%，而副產品收率均有所降低。

表4 數據整理

3.3 燒焦周期評估

根據裂解爐設計燒焦條件及新爐管理論預期值（燒焦周期預期90天/次）對重油爐和輕油爐的新爐管進行隨機抽選（標定爐管）并進行了一個燒焦周期的數據跟蹤，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）出口溫度三個燒焦必要參數變化，驗證新爐管的理論預期合理性。

3.3.1 絕壓比

由爐管文丘里前后絕壓比計算[2]見式（1）：

其中，ΔP為文丘里處絕壓比；P大為標準大氣壓，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，見圖3。

圖3 絕壓比變化情況

通過圖3數據可以看出，重油爐運至第90天時文丘里處絕壓比達到0.853，接近設計燒焦條件（絕壓比≤0.9），認為重油爐運行達到末期；輕油爐在第90天時文丘里處絕壓比為0.795，尚有可操作空間。

3.3.2 廢熱鍋爐（SLE）出口溫度

根據裂解爐線性套管廢熱鍋爐設計形式，重油爐為2根爐管共用1個SLE形式，輕油爐為1根爐管共用1個SLE形式，收集上述標定爐管對應SLE出口溫度數據變化情況，變化趨勢見圖4。

圖4 SLE出口溫度變化情況

通過圖4數據顯示，在裂解爐運行至第90天時，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 ℃，均低于裂解爐設計燒焦條件（重油爐：≤675 ℃；輕油爐：≤450 ℃）。

3.3.3 爐管表面溫度的檢測（TMT）

保持裂解爐相對穩定的裂解條件和裂解溫度，對標定爐管進行上行管表面測溫，測溫情況見圖5。

通過圖5數據可以看出，前50天溫度變化不明顯，后期標定爐管的TMT值出現明顯漲幅，表明爐管內壁成焦量增大，焦層厚度增加，熱阻隨之增加，強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天時二者溫度均未達到裂解爐設計燒焦條件（爐管表面溫度TMT≤1 125 ℃）。

圖5 爐管表面測溫情況

綜上，在90天的數據收集中發現，只有重油爐文丘里處絕壓比值接近燒焦條件，其它參數均未達到燒焦要求，表明輕油爐還有一定的運行空間。

4 燒焦期間耗能及經濟效益對比

4.1 耗能對比

裂解爐運行至第90天（第1個運行周期）時工藝上進行了燒焦操作，燒焦工藝條件按工藝數據表控制，燒焦結束標志以裂解爐出口紅外在線分析數據（CO2＋CO≤2 000 ppm）為準。燒焦期間耗能統計數據與原爐管數據對比見表5。

由表5數據可知，新爐管更換后，燒焦時長減少2.2 h；蒸汽、工業風量均出現大幅降低；重油爐燃料氣量單次燒焦節省4.92 t，輕油爐燃料氣量單次燒焦節省4.74 t；超高壓蒸汽自產量受燃料氣耗量降低影響，兩種爐型均出現不同程度下降情況，鍋爐給水消耗量相應降低。

表5 燒焦數據對比

4.2 經濟效益對比

更換新爐管后所產生的經濟效益主要體現在燒焦次數減少和單次燒焦費用降低兩個方面。單臺爐燒焦需要消耗費用[3]為：（燃料氣量×單價＋工業風量×單價＋稀釋蒸汽量×單價＋脫鹽水量×單價-超高壓蒸汽量×單價）×燒焦時間。原爐管單次燒焦費用約為47.9萬元，新爐管單次燒焦費用約為45.2萬元。根據原爐管運行周期為60天，新爐管運行周期為90天計算，7臺裂解爐每年可節省燒焦14次，共計節省費用746.2萬元/年。

5 結論

新型強化傳熱爐管通過增加強化傳熱元件改善了爐管內物流的流動狀態，有效降低爐管表面溫度，傳熱效果增強，節省了燃料氣消耗，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。新爐管的使用提高了主要產品的收率，對增加裝置的加工能力和經濟性起到積極作用。通過標定，裂解爐運行周期較普通爐管大幅延長，燒焦次數的減少不僅提高了裝置的運行穩定性，還降低了裝置的運行成本，經濟效益可觀。隨著裝置的長周期運行，新爐管的使用可以顯現出裂解爐操作的靈活性和可優化性。