应用于灵活焦化行业废热锅炉结构分析

李勇，金宇，武国义，吴雅玉

（兰州兰石重型装备股份有限公司，兰州 730314）

随着石油资源越来越匮乏以及原油劣质化、重质化越来越严重，炼油厂对重油的炼化技术又有新的要求。灵活焦化工艺是基于流化焦化和流化催化裂化技术发展起来的新技术、新工艺。首先，在灵活焦化工艺中不设置加热炉，大大减小了因炉管结焦而引起整台装置停工的风险，且灵活焦化工艺作为一种连续操作工艺路线，可以将90%的石油焦密闭转化为热值很低的煤气[1]。脱硫后的低热值煤气经过降尘除杂后可作为清洁燃料气被有效使用，而剩余少量含有重金属的石油焦粉可进一步深化加工后作为金属回收利用，不仅解决了大量劣质石油焦不能被充分利用造成的资源浪费问题，而且避免了在装置内反应后产生低价值的高硫焦，焦炭储存及运输问题。其次，灵活焦化工艺生产过程全封闭，减少了装置开工及运行期间引起的一系列粉尘及空气污染等[2-3]。灵活气废热锅炉作为灵活焦化工艺生产装置中的核心设备，将生产装置尾部灵活气重新利用，通过灵活气余热锅炉产生中低压蒸汽，作为供热及动力的辅助能源，节约能源的同时能够提高热能的利用率，为劣质燃料油实行清洁、环保、高效生产开创了先例[4-5]。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

灵活焦化工艺是美国石油化工企业埃克森美孚公司的专利技术，该技术采用流化床工艺，解决了延迟焦化技术中存在的诸多难题。灵活气废热锅炉作为灵活焦化工艺生产装置中的核心设备，已在国外广泛应用，日本、委内瑞拉、美国和希腊等国家灵活焦化装置已安全运行了30 年，具有工艺技术成熟可靠，运行安全系数高，对环境污染小，设备运行周期长等特点。

1.2 国内研究现状

目前，我国炼厂尚未采用灵活焦化工艺，大部分炼厂均采用延迟焦化工艺，原油劣质化、缺氢缺燃料、环保要求高等问题是国内炼油企业面临的严峻挑战。灵活焦化工艺作为一项有前瞻性的技术，是对国内炼厂有特殊适用性，在解决这几个问题上都有自己的突出特点。灵活气废热锅炉作为灵活焦化工艺生产装置中的核心设备，不仅是保证整个装置能有效运行的前提，而且能保证700 ℃左右的高温灵活气被有效利用，在灵活气蒸汽过热器中通过换热产生饱和蒸汽，为工厂节约能源，降低生产成本。

2 灵活气废热锅炉工作原理及主要设计参数

灵活气废热锅炉是由灵活气蒸汽发生器、预热器、汽包等设备组成，是一台自然循环的余热回收锅炉，既能满足汽包预热给水，又能满足灵活气蒸汽发生器产生中低压蒸汽的要求。灵活气蒸汽发生器与预热器并列布置在气化系统的框架上，由管道连接在一起。高温灵活气从灵活气蒸汽发生器顶部进入，依次通过灵活气蒸汽发生器、连接管道、预热器，最终从预热器顶部排出再进入后续装置。锅炉给水通过给水泵进入预热器预热后经过专门给水管道进入汽包，在汽包内混合后经下降管进入灵活气蒸汽发生器。在灵活气蒸汽发生器中换热产生的汽水混合物通过上升管回到汽包，经汽包内一次分离原件、二次分离原件等分离系统进行汽水分离后的水重新进入下一轮循环，而分离出的饱和蒸汽可以通过蒸汽管网用来推动蒸汽轮机发电，也可用于生产过程的加热或供生活取暖。灵活气废热锅炉布置如图1 所示。

图1 灵活气废热锅炉布置图Fig.1 Flexible waste heat boiler layout

2.1 灵活气蒸汽发生器

灵活气蒸汽发生器是灵活气废热锅炉中的核心设备，采用立式火管锅炉结构，壳程介质为饱和水，管程介质为700 ℃左右的高温灵活气。来自气化炉的高温灵活气纵向冲刷换热管，高温灵活气与冷却水通过换热产生中压蒸汽用于后部生产工艺，达到节约能源及环保的目的。

2.1.1 耐火衬里选用

灵活气蒸汽发生器入口温度高达698 ℃，为满足管箱金属壁温控制在200 ℃以下的要求，在管箱内壁设置轻质隔热耐火材料，达到隔热及防磨的作用。耐火衬里与管箱之间通过锚固钉连接，保证耐火衬里与管箱内壁紧密结合，防止高温灵活气直接与管箱接触，造成管箱超温，结构强度不满足设计要求而引起的安全隐患。耐火衬里的厚度计算如图2 所示，由图中可以看出设置150 mm 厚轻质隔热耐火材料后传递至管箱金属的壁温为187.5 ℃，满足工艺要求。

图2 管箱温度分布图Fig.2 Temperature distribution of tube box

2.1.2 换热管与管板焊接接头处防护结构

换热管与管板的连接是保证设备有效运行的关键因素，由于灵活气入口端换热管与管板焊接接头长期受高速高温灵活气的冲刷及侵蚀，必须采取有效的措施防止管板和换热管焊接连接处因热疲劳、高温气腐蚀和热应力出现裂纹。换热管与管板焊接接头热防护结构如图3 所示，热防护结构的设计需注意以下几点：①在灵活气蒸汽发生器灵活气入口侧换热管设置高合金不锈钢保护套管；②保护套管必须插入换热管一定的深度，且保护套管与换热管之间的间隙用陶瓷纤维塞紧，避免保护套管在换热管内晃动；③在灵活气入口侧的管板面设置厚度适当的轻质隔热浇注料，将管板与换热管焊接部位完全覆盖，避免了高温灵活气与管板、换热管直接接触；通过以上几种方式将换热管与管板焊接接头与高温灵活气有效隔离，有效降低了传递至管板及换热管的温度，减小了热应力。

图3 热防护结构图Fig.3 Thermal protection structure

2.1.3 管板结构

管板是灵活气蒸汽发生器整台设备中设计的重中之重，是保证灵活气蒸汽发生器有效运行的关键部件。管板的设计受设计条件及工艺气介质的影响因素较大，同时因管板所在位置的不同，采用结构形式、材料也不相同。管板根据实际情况采用分段制造或者整体锻造，保证达到预期使用效果的同时也可节省材料，达到安全、经济的目的。

由于管板承受管程及壳程温度、压力及介质重力等载荷，既要满足在各种载荷组合作用下的强度要求，又要能吸收由换热管与壳体由于温度差引起的热膨胀。因此管板的设计一般采用带R 段的挠性管板结构，利用管板翻边处的R 段吸收热应力，改善管板的受力状况，保证管板安全有效地运行。

2.2 预热器

预热器位于灵活气蒸汽发生器的下游，通过管道将其与灵活气蒸汽发生器连接在一起。其主要作用是吸收来自灵活气蒸汽发生器低温灵活气的热量，将锅炉给水预热为汽包工作压力下的饱和水，为顶部汽包持续提供水源。在提高汽包给水温度的同时，降低了管程灵活气的温度，既提高了效率又节约能 源。

预热器管程入口温度较低，热应力对管板的影响不大，管板的厚度取值可以按照管壳式换热器用SW6 进行强度计算。由于温度的影响较小，预热器材料的选择相对较低，管壳程材料均可以选择低合金钢，节约成本。

为有效吸收灵活气的热能，预热器的折流板设计为双弓型，设置较小的间距增加扰流，强化传热。

2.3 汽包

汽包作为分离饱和蒸汽的核心设备，对整个灵活气废热锅炉系统的安全运行至关重要。汽包内件主要由一次分离原件、二次分离原件、锅炉给水分配器、排污分配管四大部件组成。分离原件主要是将灵活气蒸汽发生器产生的汽水混合物分离，分离后产生的饱和蒸汽进入蒸汽管网被用来发电或者民用，分离出来的饱和水由下降管进入灵活气蒸汽发生器循环重复利用，这样一种自然循环的过程不需要外界提供动力。锅炉给水分配器的主要作用是将锅炉水均匀地分布在汽包的整个横向截面，使锅炉给水与分离原件分离出来的水均匀混合后，通过下降管循环利用。排污分配器设在汽包正常液位以下，将汽包中盐分较大的水通过其喇叭管均匀地排出，防止水汽中盐分较大，对设备造成腐蚀。

3 结束语

未来石油资源将越来越短缺，且随着原油、天然气价格的持续上涨，原油劣质化日益加重，延迟焦化生产工艺中产生的高硫石油焦的处理成为一大难题，对能源的浪费以及环境的破坏非常严重。灵活焦化生产工艺能有效利用劣质原油的优势将不断凸显出来。灵活气废热锅炉作为灵活焦化工艺中的核心设备将有很大市场空间，将不断地向大型化发展，应用范围也将会越来越广泛。通过对灵活焦化工艺中的核心设备灵活气废热锅炉结构及工作原理分析，对设备的关键节点进行简单的阐述，为将来研发设计此类产品提供借鉴。