高压柴油加氢反应进料加热炉的设计

谢 龙

（中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266061）

为完善差异化产品布局和产品结构调整的要求，某厂以加氢改质柴油为原料，生产低凝低芳变压器油及轻质白油等产品。采用临氢降凝-补充精制-蒸馏切割工艺技术路线，高压反应部分采用高压一段加氢工艺技术，临氢降凝和补充精制在一个反应器内进行[1]。高压柴油加氢反应进料加热炉是装置中的核心设备之一，为加氢反应提供热源。该加热炉采取炉前混氢气液两相流加热技术方案，加热炉设计热负荷5 000 kW，设计压力21 MPa，操作压力17 MPa。

1 加热炉设计技术研究

加热炉设计技术一般包括炉型选择、 炉管系统、辐射管架、燃烧器、炉衬结构、钢结构及炉壁板、余热回收及烟风道系统、控制方案等部分，本文主要对炉型、炉管系统、辐射管架等关键设计问题进行研究讨论。

1.1 炉型

加热炉炉型的选择，需要考虑装置的工艺特点及处理能力、建设投资、操作费用、维护与检修、占地面积等诸多方面，经过全面计算和比较后，才能确定既能满足工艺过程要求又能取得较好经济效益的炉型[2]。一般情况下，当加热炉热负荷小于30 MW 时，如工艺无特殊要求，优先选择圆筒形加热炉。但加氢装置的炉型选择和炉管选材、压降、防结焦、流型等因素密切相关。

炉管选用奥氏体钢炉管时，即使加热炉热负荷小，圆筒炉也是不经济的。当管心距为2 倍管径时，单排单面辐射炉管的有效吸收因数为0.883，而单排双面辐射炉管的有效因数为1.316，也就是最高表面热强度相同时，单排双面辐射炉管吸收的热量是单排单面辐射炉管吸收热量的1.49 倍，吸收热负荷相同时，单排双面辐射炉管总长度可减少1/3，即管材耗量节省33%。同时，在相同的管内流速条件下，单排双面辐射炉管压降仅为单面辐射的67%，因此，炉管压降最小。

立管加热炉在汽柴油加氢精制等中低压反应炉上用的多一些，其最大的缺点是沿炉管长度方向受热不均匀，会在炉管底部造成一个高温区（一般在离炉底2～3 m 高度），对特别容易结焦的高压加氢反应炉来说是很大的威胁。另外高压加氢反应炉炉管内介质为气液两相流，介质流动状态复杂，在加热过程中随着温度的升高两相流可呈现气泡流、液节流、环雾状流等多种流型，为保证均匀传热和防止管线振动，选取合理的管内流型十分重要。适合立管炉的流型范围较窄，不合理的流型可能导致出现 “滑脱”、气-液分离等现象，造成局部过热和管路结焦。而卧管加热炉可以在较宽的流速范围内保持较好的流型，适用于高压加氢炉。

因此，本反应进料加热炉设计为双辐射室单排管双面辐射卧管箱式炉，炉区三维模型如图1 所示。

图1 加热炉炉区三维模型简图

1.2 炉管系统

对于炉前混氢的加热炉，其炉管一般选用ASTM A312 的 TP321 和 TP347，TP347 的高温许用应力比TP321 高20%～50%，因此，一般操作压力低于 10 MPa 时选 TP321，高于 10 MPa 时选 TP347[3]。综合考虑本反应进料加热炉管内介质（油气+氢气+硫化氢）的腐蚀情况、操作温度、压力等影响因素，辐射段炉管、 遮蔽管、 对流炉管均选用ASTM A213 TP347H 材质，并对炉管的机械性能、固溶和稳定化热处理提出严格要求，如表1、表2 所示，以提高炉管抗连多硫酸、抗氧化、抗H2+H2S 腐蚀能力，延长加热炉开工周期。

表1 炉管拉伸性能要求

表2 炉管固溶热处理温度 （℃）

在炉管布置方面，严格遵循“水力学、热力学对称”的原则，在加热炉对流段部分分两路进料，预热后分别进入两个辐射室，从对流室到辐射室完全水力学对称，减少管内介质偏流。由于辐射段为双辐射室，即使偶尔出现流量不对称现象，也可以通过调节炉膛温度保证加热炉工艺介质出炉温度符合要求，即可满足热力学对称要求。

1.3 辐射管架

对于本装置设计的卧管箱式炉炉型，辐射管架通常有两种设计方式。第一种为上吊式管架结构，如图2 所示，早期的卧管加热炉常用该结构，上吊式管架材料消耗量较少，但加工制造要求高，若出现制造质量不过关，在上下段连接关节处容易产生裂纹，存在安全隐患，已服役该类加热炉的问题比较突出。第二种为稳定性更好的下支撑式管架，如图3 所示。下支撑式辐射管架架构稳定，但合金钢用量多，且下支撑式管架的膨胀量要比管系的膨胀量大，会导致连接对流炉管与辐射炉管的转油线产生较大的管道应力，严重时影响炉管安全。

本次设计时选择稳定性更好的下支撑式管架，并对下支撑式管架存在的问题进行了工程设计优化。在管架立柱外表面设计绑扎40 mm 厚耐火纤维毯，并将立柱上下两端处的炉顶、炉底壁板打通，让管内流通空气，从而大大降低了管架的温度和膨胀量。同时，将对流转辐射的炉外转油线分为上、下两段，中间加横管和支座，利用杠杆原理使上、下两段转油线的膨胀量相互抵消。通过这些措施，有效降低了管系应力，保证了炉管的安全。

图2 上吊式辐射管架示意图

图3 下支撑式辐射管架示意图

2 结语

对于高压加氢加热炉设计，炉型、炉管系统、辐射管架等关键技术直接影响加热炉长周期安全稳定运行。对于炉型，宜选择双辐射室单排管双面辐射卧管箱式炉，确保兼顾热强度、流型、经济性等；对于辐射管架，应充分考虑吸收热膨胀效果最好的结构型式，且工程上使用成熟稳定；对于炉管系统，宜选择水力学对称、热力学对称的炉管排布结构，炉管材料宜取ASTM A213 TP347H，并满足特定的性能要求。