连续重整装置电加热器结焦失效及结构改进

郭历伟

（锦西石化分公司，辽宁葫芦岛 125001）

0 引言

锦西石化分公司60 万吨/年连续重整装置采用美国UOP连续重整技术，2002 年1 月建成投产，2009 年9 月由60 万吨/年扩能改造为80 万吨/年。还原气电加热器是给进入重整反应器还原段的重整氢加热的设备，由于重整氢纯度仅为93%左右，有少量烃类携带，经常导致电加热器管束结焦崩烧，平均每年更换加热器管束1～2 次，严重影响重整再生系统的平稳操作，而且更换管束需要花费大量的维修费用。通过调研发现，国内炼厂不止锦西石化分公司重整装置还原气电加热器故障频繁，很多同类装置也经常发生类似故障[1]。

1 还原气电加热器简介

该连续重整装置还原段电加热器原为英国进口ELTRON Chromalox 产品，结焦崩烧后改为国产无锡博睿奥克电气有限公司产品，后期改为扬州优珂电气有限公司的管束。经常发生故障的是1#还原气电加热器，尺寸为Φ254 mm×3701 mm，功率246 kW，入口温度171 ℃、出口温度377 ℃，操作压力0.85 MPa，介质为氢气+烃。电加热器UOP 工艺包结构要求及结焦部位见图1。除加热器管束距离尾端300 mm 左右中心部位巴掌大区域外，管束其他部位光洁无结焦，且很少发生加热管崩烧失效情况[2]。

2 故障原因分析

2.1 结焦原因分析

氢气不会发生结焦现象，电加热的结焦烧损肯定源于氢气中携带的少量烃类，但几乎每次电加热器结焦的部位总是发生在管束末端中心部位，而其他部位几乎不结焦，值得深入分析[2]。

如图1 所示，冷氢气由电加热器壳程入口进入，至加热器尾部排出，介质氢气从前至后逐渐加热升温，温度由入口171 ℃逐渐升至末端377 ℃。由于管束末端介质温度较高，能携带走的热量较少，而加热管内电流一致，加热管前后单位表面加热效率一致，加热器末端中心部位受热辐射较外沿管束更为集中，因此该部位温度最高，结焦主要集中在此温度最高部位。

图1 电加热器结构及结焦部位

通过有限元分析软件进行加热器热分布模拟，得出的结论与分析情况一致，管束末端中心部位最高点温度达到530 ℃（图2）。

2.1 失效原因结论

通过上述分析，可以得出结论，电加热器结焦的2 个必要条件：一是氢气纯度不高、携带少量烃类，二是要达到足够的温度。因此，如图2 改造前热分布模拟图中，低温的部位几乎不结焦，加热器管束结焦仅发生在管束末端中心的最高温度部位，因此判断，这个部位的温度刚好达到重整氢中烃类结焦温度[3]。

3 改进措施

3.1 增设氢气膜回收提纯PSA 装置

氢气纯度不足93%～98.5%，携带少量烃类，是结焦的必要因素之一，国内很多重整装置，采用氢气膜回收提纯PSA（Pressure Swing Adsorption，变压吸附）装置，来将重整氢纯度提高至99.5%以上，以此来减少结焦介质，降低结焦概率，可以极大地延长加热器使用寿命。但采用氢气膜回收提纯装置提纯重整氢纯度的装置，仍存在部分炼厂重整还原气电加热器结焦情况。而且，膜回收提纯装置投资约200 万元，运行能耗和维护费用每年也需10 万元左右。

3.2 电加热器管束结构改进[4]

有限元分析模拟管束表面温度，结焦部位温度约600 ℃左右，而其他温度不高（<500 ℃）的部位不结焦。还原气加热器共计36 根加热元件，结构改进通过将其最中心10 根加热元件末端缩短300 mm，减少改造前易结焦高温部位的加热元件密度，进而降低该部位局部热力集中。改造结构见图3，其中：①加热元件60°排布，管间距25 mm，36 根加热元件无备用，测量元件4 支，1#测温元件与12#元件绑定，2#测温元件与20#元件绑定，3#测温元件与17#元件绑定，4#测温元件与15#元件绑定；②7#—9#、14#—17#、24#—26#，10 根加热元件末端缩短300 mm，单根功率6.44 kW，热区2160 mm，冷区200 mm；③其与外圈26根元件，单根功率6.83 kW，热区2360 mm，冷区300 mm；④加热器总额定功率为242 kW；⑤升温过程要慢，元件升温速度不超过100 ℃/h；⑥DCS 设定值为220 kW，当达不到出口温度时，按5%逐步调整，直到达到出口温度。

图2 改造前热分布模拟图

图3 电加热器改造结构

改造后有限元分析热分布模拟图见图4。结构改造后，加热器管束表面最高温度仅为410 ℃，降低温度近120℃左右，能完全避免电加热器结焦烧损。仅在缩短加热元件后功率由单根6.83 kW 将至6.44 kW，总计降低电加热器功率3.9 kW，却几乎不影响加热效率和效果。电加热器结构改进不增加采购成本，也不会影响设备能耗。

图4 改造后热分布模拟图

4 结语

综合对比2 种改进措施，增设膜回收提纯装置提高氢气纯度，无论是投资还是运行维护费用都较高，而采取缩短加热器末端中心加热元件密度，降低局部高温集中的方式，既不增加采购成本，又不增加运行维护费用，而且便于实施，能够彻底解决电加热器结焦烧损问题[5]。按60 万吨/年重整还原气加热器计，每台国产管束加热约35 万元，每年故障1～2 次，则每年平均可以节省费用约50 万元。这种解决方案已由锦西石化分公司申请了专利。国内共计近200 套连续重整装置，还原气电加热器结焦烧损的情况较为普遍，即使采用进口加热器和膜回收氢气提纯装置也不能完全避免。采用改进的加热器结构，完全可以将电加热器国产化且保障可靠运行，应用前景十分广阔。