深度好文|連續重整反應進料加熱爐工程設計優化!

原標題：深度好文｜連續重整反應進料加熱爐工程設計優化！

摘要：連續重整反應進料加熱爐是連續重整裝置中重要的核心設備，其在重整裝置中能耗比例佔到了50%左右甚至更高。本文對兩種常用爐型的優缺點進行了詳細對比分析，重點論述了連續重整反應進料加熱爐工藝設計參數確定、爐管材料選擇、燃燒器選型布置、火焰長度與爐型尺寸匹配等關鍵優化設計技術；對於燃料氣中含硫量較低及全廠蒸汽平衡不存在問題的情況，重整反應進料加熱爐可以採用取消對流餘熱鍋爐省煤段並增設空氣預熱器的設計方案，與常規設計相比不僅可將加熱爐計算熱效率提高到93%以上，還可大大節省燃料氣用量，以達到節能減排的目的。

關鍵詞：催化重整，反應進料加熱爐 爐型 工程設計 優化 熱效率

催化重整是以石腦油為原料，在一定的溫度、壓力和臨氫狀態下，在裝有催化劑的反應器內將原料中的大部分環烷烴和部分烷烴轉化成芳烴的反應過程。催化重整反應是吸熱反應，需要將原料在管式爐內加熱到重整反應所需溫度後再送入反應器進行化學反應。常規連續重整裝置一般需要設置四個串聯的反應器才能達到理想的芳烴產率，這樣原料進每個反應器之前都需要設置一臺反應進料加熱爐，為節省設備投資通常將這四臺加熱爐在爐體結構上設計為有四個輻射室的一臺加熱爐，即所謂的「四合一」重整加熱爐。近幾年加工量在150萬噸/年以上的大型重整裝置的反應進料加熱爐，因爐體龐大，通常拆分為兩個「二合一」加熱爐。

反應進料加熱爐是連續重整裝置的主要設備之一，對重整裝置的操作及效益有著重大影響。連續重整反應進料加熱爐的主要特點是：工藝介質為純氣相的石腦油和循環氫氣混合物，操作壓力較低（約為0.5-0.3MPa），爐出口溫度較高（約520-560℃），工藝介質體積流量較大，允許壓降小（一般均在17-30kPa），上述工藝操作特點決定了工藝介質加熱盤管必須採用多管程並聯結構才能滿足要求，這也是連續重整反應進料加熱爐與其他裝置加熱爐主要區別之處。

1、常用爐型

目前，連續重整反應進料加熱爐主要有端燒∪形管箱式爐和底燒∩形管箱式爐兩種爐型，這兩種爐型基本上用於處理量為40萬噸/年以上的連續重整裝置（見圖1，2），表1為兩種爐型技術對比情況。

圖1. 端燒∪形管箱式爐示意圖

圖2. 底燒∩形管箱式爐示意圖

1.1 端燒∪形管箱式爐

端燒∪形管箱式爐輻射室為長方體箱形結構，輻射管（多路並聯∪形管）布置在輻射室的中間，並與進出口集合管相連，進出口集合管位於輻射室頂部（爐外），集合管與爐外彈簧吊架連接，將輻射盤管整體懸吊在爐體鋼結構上，爐管受熱後向下膨脹；各爐用中間火牆隔開(也可採用鋼結構分隔為獨立的輻射室)，在輻射室兩個端牆布置自然通風燃燒器水平對燒，輻射管可為單面輻射也可為雙面輻射；輻射室上部的對流室設置有餘熱鍋爐，出對流室餘熱鍋爐的冷煙氣由煙囪排入大氣。

1.2 底燒∩形管箱式爐

底燒∩形管箱式爐爐輻射室為長方體箱形結構，輻射管（多路並聯∩形管）布置在輻射室的中間並與進出口集合管相連，進出口集合管位於輻射室底部（爐外），輻射盤管整體靠集合管支撐在爐底滑動支座上，爐管受熱後向上膨脹；各爐用中間火牆隔開(也可採用鋼結構分隔為獨立的輻射室)，在輻射室底部布置自然通風燃燒器向上燃燒，輻射爐管可為單面輻射也可為雙面輻射；輻射室上部的對流室設置有餘熱鍋爐，出對流室餘熱鍋爐的冷煙氣由煙囪排入大氣。

表1 兩種常用爐型技術對比

	優點	缺點
端燒∪形管爐型	1. 爐管系統穩定性較好，爐管長度方向增高不會出現失穩問題。 2. 燃燒器檢修、維護較為方便。	1. 由於燃燒器為水平對燒，輻射室內煙氣為從兩端牆下部燃燒器處向爐膛中心流動，然後在爐膛中心會合後再向上流動，因此輻射室內存在煙氣內回流區，使得煙氣溫度及輻射管熱強度分布不均勻，容易造成管內工藝介質出現偏流、局部管壁溫度超溫等現象，爐管使用壽命縮短，增大了裝置操作費用及設備維修費用； 2. 火焰長度對輻射室內長度方向管壁熱強度分布有著較大的影響，火焰長度太長時會造成兩面對燒的火焰相互碰撞而發散到兩側爐管處，造成爐管局部超溫；火焰太短會造成輻射室中間部位的爐管熱強度及管壁溫度偏低，而兩端的爐管熱強度及管壁溫度偏高。當重整反應進料加熱爐操作工況改變時，燃燒器發熱量及火焰長度會發生變化，因此在各種工況下都達到最優化的火焰長度難以實現； 3. 採用自然通風燃燒器時，由於爐膛負壓沿爐膛高度方向逐漸變小，上下排布的燃燒器所對應的爐膛負壓值不同，造成燃燒器進空氣量的不同，影響燃燒器的穩定燃燒； 4. 爐膛長度（火焰燃燒方向）一般不得超過15m，否則會導致爐內溫度場不均勻性過大，因此該爐型用於大型化重整反應進料加熱爐時就會受到限制，對於單臺爐需要設置2個並聯加熱盤管，導致投資增大。
底燒∩形管爐型	1. 克服了端牆對燒爐型的缺點； 2. 燃燒器檢修、維護方便。	1. 由於爐管為下支撐結構，爐管長度過大時會出現失穩現象，因此對於大型化重整加熱爐來說爐管長度方向的增長就受到了限制； 2. 由於該種爐型集合管布置在爐底，對於採用疊置式重整反應器的重整裝置將導致加熱爐至反應器的轉油線長度增加，造成管線壓降過大，因此該爐型一般只能用於並列式布置反應器的重整裝置。

2、工藝設計參數選擇

2.1 輻射爐管規格及管心距

連續重整反應進料加熱爐管內介質為純氣相，為保證爐管傳熱均勻，爐管直徑不宜過大，一般應選擇外徑不大於141mm的爐管。對於新設計加熱爐，爐管管心距一般不應小於爐管外徑的2倍，對於擴能改造的加熱爐，管心距可以適當縮小。

2.2 管內流速與管程數

連續重整反應進料加熱爐的管內質量流速一般均在90-200kg/(m2.s）範圍內，該值可在確定爐管規格和管程數（即爐管根數）後計算得出。管內流速選擇將直接決定工藝介質的壓降，因此需要在確定輻射盤管結構後核算管內壓降是否滿足工藝要求，否則需要重新調整管程數或爐管規格。

2.3 輻射管平均熱強度及管壁溫度

單面輻射重整反應進料加熱爐輻射平均熱強度設計範圍一般可按20000-33000W/m2 [1]進行設計，對於雙面輻射加熱爐，可以按單面輻射爐熱強度值的1.5倍設計。根據選定的輻射管平均熱強度可以計算出需要的輻射排管面積，然後在根據確定的爐管規格和管程數計算出需要的爐管總受熱長度。輻射平均熱強度的確定還受到最高管壁溫度的制約，對於連續重整反應進料加熱爐常用的9Cr-1Mo材質爐管來說，計算出的最高管壁溫度不宜超過630℃。

2.4 集合管流通面積

為確保工藝介質在各管程流量分布的均勻性，集合管管內流通面積與各支管流通面積之和的比值應控制在0.9-1.5範圍內，且進出口集合管應按同側進出設計。如果採用流體力學模擬計算軟體，確定集合管流通面積時應能保證各分支爐管的偏流量不大於3%。

2.5 其他

底燒∩形管箱式爐爐膛內輻射管直段長度宜在6-11m範圍內,且∩形彎管半徑宜在1.8-2.2m範圍內；∪形管箱式爐∪形彎管半徑宜在1.5-2.2m範圍內，對於端燒∪形管箱式爐，為保證爐膛溫度分布的均勻性，其爐膛長度（火焰燃燒方向）不宜大於15m。

3、機械設計

3.1 爐管系統材質選擇與壁厚計算

由於連續重整反應進料加熱爐工藝介質出爐溫度最高可達560℃，爐管最高壁溫已超過600℃，因此爐管材質應選用9Cr-1Mo，該種材質爐管的最高使用溫度為650℃，可以滿足連續重整反應進料加熱爐工藝操作要求。爐管壁厚應按彈性設計和斷裂設計[3]兩種方法進行計算，並取其中的較大值。

進出口集合管通常選用1.25Cr-0.5Mo 材質無縫鋼管，集合管與爐管多採用厚壁管上拔制凸緣法對焊連接。當集合管外徑大於406.4mm時也可選用縱向焊縫的焊接鋼管，縱向焊縫不應位於集合管支撐及與爐管連接區域，當縱向焊縫焊接鋼管需要對接焊時，兩段鋼管的縱向焊縫應錯開180°。集合管壁厚計算較為複雜，如果沒有成熟的工程經驗，應採用壓力容器分析計算方法進行詳細應力分析計算以確定可靠的設計壁厚。集合管採用熱拔口型式時，應考慮拔口部位成形壁厚對主管壁厚的要求。

3.2 輻射管系懸吊或支撐方式

無論是∪形輻射管還是∩形輻射管，整個輻射管系（包括集合管）的支撐受力都是作用在集合管上面，所不同的是∪形輻射管採用恆力彈簧將整個輻射管系懸吊起來，而∩形輻射管則採用滑動或滾動支座對整個輻射管系進行支撐。

對於∪形輻射管，通常每組輻射管系採用4-8個恆力彈簧吊架，其選型需要對整個輻射管系及外部配管統一進行應力計算後才能確定，應力計算需要模擬多個工況（如冷態、開車、正常、停車等工況），計算出集合管吊點處對彈簧吊架的最大作用力及該處在3維空間的最大位移量。∩形輻射管滑動或滾動支座的選用和∪形輻射管恆力彈簧吊架選型類似，但支撐點位移可僅考慮平面2個方向即可。

3.3 燃燒器

為比較精確地控制工藝物料進入反應器的溫度，連續重整反應進料加熱爐通常需要採用穩定可靠的氣體燃燒器，尤其是對於端燒∪形管箱式爐，不應採用燒油或油氣混燒的燃燒器，原因是燃燒器油槍噴出的未燃油滴可能會降落在底部爐管表面二次燃燒，造成爐管損壞。

燃燒器產生的火焰長度與燃燒器類型及發熱量有關，確定單個燃燒器發熱量時需要考慮燃燒器火焰長度與爐膛尺寸相匹配的問題。為保證輻射室爐管受熱的均勻性，對於底燒∩形管箱式爐或頂燒∪形管箱式爐爐型，燃燒器設計條件下的火焰長度宜為爐膛高度30-70%，而對於端牆對燒∪形管箱式爐爐型，爐膛長度應至少比燃燒器設計條件下火焰長度的2倍大1.2m,並且火焰長度宜為爐膛長度的30-40%。對於U型爐應根據燃燒器布置位置的高低差，精確設計燃燒器進風口尺寸，以保證燃燒器進風量相同。

4、提高連續重整反應進料加熱爐熱效率

連續重整裝置中所有加熱爐的能耗約佔裝置能耗的80%左右[2][5]，個別煉油廠甚至達到90%以上[6]，而反應進料加熱爐是重整裝置中能耗最大的設備，其燃料氣用量約為裝置加熱爐燃料氣總用量的65%以上。國內目前絕大多數連續重整反應進料加熱爐均採用設置對流段餘熱鍋爐來回收輻射段的高溫煙氣熱量，由於餘熱鍋爐省煤段進水溫度通常控制在120℃左右，因此對流段排煙溫度很難降到160℃以下，導致此種常規設計的加熱爐計算熱效率均在91%以下，因此進一步提高重整反應進料加熱爐熱效率對降低裝置能耗以及煉油廠節能減排有著極其重要的意義。

當燃料氣中H2S含量能控制在20 mg/m3以內時，可以通過設置煙氣餘熱回收系統加熱燃燒空氣將重整反應進料加熱爐計算熱效率提高到93%以上，通常可按下述2種方案進行設計：

方案1. 在原常規設計基礎上增設空氣預熱器，將對流段排煙溫度約160℃-180℃降低到120℃以下。由於空氣預熱後溫度僅比環境空氣溫度提高了約50℃-70℃，儘管加熱爐熱效率提高到了93%以上，但所節約的燃料量不大，因此所增加的設備投資回收期一般較長，該方案一般用於現有重整反應進料加熱爐的改造。

方案2. 對於新設計的重整反應進料加熱爐，可以取消對流餘熱鍋爐的省煤段，將煙氣出對流段溫度提高到300℃以上，然後再引入空氣預熱器加熱空氣，排煙溫度控制在120℃以下。該方案空氣預熱後溫度可比環境空氣溫度提高約210℃以上，不僅加熱爐熱效率提高到了93%以上，所節約的燃料量也相當可觀。由於取消了餘熱鍋爐省煤段，鍋爐給水將直接進入汽包，因此餘熱鍋爐蒸發段、過熱段以及汽包的設計和常規設計相比存在較大的變化，另外採用此種方案會導致餘熱鍋爐產汽量大幅度降低，這將直接影響到重整裝置甚至全廠的蒸汽平衡，這也是採用此方案時必須要考慮的重要問題之一。

表2為某廠60萬噸/年連續重整裝置四合一反應進料加熱爐兩種設計方案的主要計算數據對比情況。從計算結果可以看出，與常規無空氣預熱設計方案相比，採用空氣預熱方案後燃燒空氣溫度從13℃提高到258℃，加熱爐排煙溫度由161℃下降到120.5℃，計算熱效率由91.2%提高到93.2%，燃料量節省了15.72%，對流餘熱鍋爐產生的過熱蒸汽流量降低了40.28%。

表2 某廠重整反應進料加熱爐兩種設計方案計算數據對比表

項目	常規無空氣預熱方案	增設空氣預熱方案
輻射段工藝介質熱負荷，MW	36.62	36.62
對流段餘熱鍋爐熱負荷，MW	19.391	11.579
燃料氣用量，kg/s	1.4336	1.2082
燃料氣低熱值，kJ/kg	42807	42807
煙氣出輻射段平均溫度，℃	775.3	772.9
煙氣出對流段溫度，℃	161	326.1
加熱爐排煙溫度，℃	161	120.5
空氣進燃燒器溫度，℃	13	258
全爐計算熱效率，%	91.2%	93.2%
對流段餘熱鍋爐過熱蒸汽量，kg/s	6.777	4.047
註：對流段餘熱鍋爐過熱蒸汽出口溫度為427℃, 壓力為4.185MPa(g)

5、結束語

重整反應進料加熱爐管內加熱的工藝介質為純氣相的石腦油和循環氫氣混合物，具有著操作壓力低、溫度高、體積流量大、允許壓降小的特點。儘管其操作壓力不高，但工藝介質出爐溫度在所有煉油裝置的各類加熱爐中是比較高的，因此爐管系統的安全優化設計尤為重要，不僅需要考慮管內外的操作條件，還需要考慮外部配管對爐管系統造成的應力和位移的影響。對於新設計的項目，當全廠蒸汽平衡不存在問題時，採用增設餘熱回收系統的方案來提高重整反應進料加熱爐熱效率是可行的，但還需要考慮煙氣露點腐蝕的問題，不可盲目地降低排煙溫度（參考文獻略）。

作者簡介：魏學軍，男，1966年生，漢族，籍貫河北，1990年畢業於石油大學石油加工專業，碩士研究生，現任中國石油工程建設公司華東設計分公司副總工程師，高級工程師，主要從事煉油裝置管式加熱爐工程設計工作，曾獲中國石化總公司科技進步三等獎2項，中國石化總公司科技進步二等獎1項，全國第十屆優秀工程設計項目金質獎1項，已發表論文5篇。本文已獲得作者授權發布，供行業朋友學習交流，向石化緣投稿請點擊下方圖片了解詳情！

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