组合清焦在加热炉中的应用

张祝东，吴时骅，刘海春，陈宝林，王 敏

(1.岳阳长岭设备研究所有限公司，湖南 岳阳 414012； 2.中国石化长岭分公司设备工程部，湖南 岳阳 414012)

中石化某炼化分公司重整装置热载体加热炉1971年投产，2009年改造更新，立式圆筒炉，设计负荷19.91 MW，加热介质为重柴油，燃烧采用强制通风方式，鼓风机将空气送入炉内参与燃烧，烟气经辐射段、对流段和空气预热器由引风机送至烟囱排放。2017年，第二路炉管出口物料温度较其他三路偏高，经调整操作后，满足工艺要求。2021年4月装置检修开工后，又出现第二路炉管出口物料温度(TI1860)高于其他三路的相同问题，如图1所示。调节各路炉管出口阀门无效，判断炉管疑似结焦偏流，决定对其进行清焦处理。

图1 四路温度情况

1 炉管结构形式

加热炉共四路炉管，采用一分二，二分四的方式，Ⅰ路和Ⅱ路并联由东面进入对流段，Ⅲ路和Ⅳ路并联由西面进入对流段。物料经对流段炉管加热后进入辐射段炉管(辐射段出口设置手阀)，并于辐射顶联合至转油线送出装置。炉管采用20#钢，Φ168 mm×8 mm。对流段炉管为水平翅片管，共10层，炉管直管段长3 000 mm；辐射段炉管垂直布置，共64根，单根长14 000 mm。炉管结构如图2所示。

图2 对流段及辐射段炉管结构形式

2 清焦技术介绍

目前国内外管式加热炉较为常用的清焦技术有在线烧焦、机械清焦和高压水射流清焦三种方式，在实际清焦过程中每种方式均有各自的优势及缺陷。

2.1 在线烧焦技术

在线烧焦技术分两种方式：恒温法和变温法。恒温法是利用高温蒸汽在炉管内高速流动，对焦垢层进行强烈冲刷，在高温下与焦炭发生化学反应。此方法常用于炉管结焦时间较短的加热炉，主要清除管内的较软焦层[1]。当炉管内结焦时间过长，焦垢层较为坚硬，采用恒温法成效不大，一般采用变温法烧焦，其原理是利用焦垢层与炉管材质的热膨胀系数不同，通过快速升高及降低炉管温度，使得焦垢从炉管内壁剥离。变温法烧焦一般持续时间较长，频繁的升降温过程中，炉管外壁容易出现氧化爆皮现象；且因烧焦温度控制困难，易发生过烧现象，严重时会将炉管烧穿；同时烧焦过程还会产生大量废气、废物，对周边环境产生不利影响。

2.2 机械清焦技术

机械清焦技术其原理是利用炉管两端的水压差将带金属钉的清焦球(Pig球)从发射器端推向接收器端，当清焦球抵达接收器端后，通过改变水压方向使其返回。在正、反向水压下，清焦球通过表面凸出的金属钉对管内壁焦垢进行机械摩擦，将焦垢刮下，从而达到清焦效果。当炉管内焦垢堵塞过大或完全堵塞的情况下，清焦球无法通过，清焦无法实现。

2.3 高压水射流清焦技术

高压水射流清焦技术是将带有高压喷头的高压水枪伸入炉管内，当高压水射流以一定角度冲击被清洗面的焦垢时，高压水射流具有的冲击作用、挤压作用、脉冲作用、水楔作用、磨削作用，对炉管内的焦垢层产生冲蚀、渗透、剪切、压缩、剥离、破碎效果[2]。高压水射流清焦受连接软管长度与喷头限制，不能连续通过多个弯头，必要时需要切割炉管弯头进行直接清焦。

3 清焦方式选择

基于全厂开工在即，不具备长时间清焦条件；炉管结焦时间较长，焦垢可能较为坚硬；沿江企业环保政策较为严苛三方面因素，最终不考虑在线烧焦技术，选定Pig球与高压水射流组合清焦。

4 清焦方案的实施

4.1 机械清焦实施情况

装置停工后，按照炉管清焦步骤先进行Pig球清焦方案，为确保清焦全面覆盖第二路炉管，将清焦发射器安装在对流段第二路炉管入口处，接收器安装在辐射段出口阀处，拆除对流段弯头箱管板，形成循环回路。

清焦过程中首先使用直径为5.08 cm的探测球进行试探，全程通过且带出一部分焦垢，焦块最大尺寸接近100 mm，如图3所示。在清焦球完好通过的前提下，以0.635 cm的大小进行依次递增，当清焦球直径达到8.89 cm时，清焦球无法全流程通过。通过增加水压从而加大推力，接收器处的清焦球破碎较为严重，如图4所示。为避免偶然性事件，连续试验3次，该尺寸清焦球仍无法全流程通过，判断炉管某一局部存在较大且坚硬的焦垢。

图3 焦垢形貌尺寸图

图4 清焦球破碎情况

为判断焦垢所在部位，采取了正、反加压计时和听声辩位二种方法。将清焦球从对流段入口发出，历经20 s炉管内水压明显上升；清焦球从辐射段出口发出，3 min后水压上升，通过正反加压，结合水流速度和清焦球卡住时间，计算相应的管程，预估焦垢可能存在于对流段。

由于清焦球经过炉管产生的机械摩擦会发出异响，通过听声辩位的方法最终确定结焦点位于对流段从上往下数第二、三排，如图5所示。

图5 结焦部位示意图

将第二、三排炉管弯头割除，弯头未见堵塞，将全尺寸泡沫球从对流、辐射段出口发出，泡沫球完好通过，因此结焦部位位于第二、三排右侧炉管。从割开的弯头处观察炉管内部，发现焦垢位于直管段，且呈坡形状堵塞约2/3，导致清焦球无法通过，如图6、图7所示。

图6 焦垢形貌图

图7 管内结焦示意图

4.2 高压水射流清焦实施情况

根据现场焦垢堵塞情况，喷头选用进口獾猪喷头，四周分布10个宝石喷嘴，为自进旋转式喷头，如图8所示。

图8 进口獾猪喷头

最高可产生瞬时2 800 kg/cm2的冲击力，清洗时喷头与高压软管相连接，从切割处进入炉管内部，喷头靠自身的水流喷射产生反推力前进，操作人员位于入口处反复拉扯高压软管，从而全方面进行清洗。

5 清洗效果

经高压水射流清焦后，目测炉管内表面比较光洁，焦垢清除的非常彻底，如图9所示。采用氩电联焊恢复炉管弯头后，将全尺寸泡沫球从对流、辐射段出口发出，泡沫球完好通过，验证清焦效果良好。

图9 清焦后炉管内部情形

此次重整装置热载体加热炉清焦采用了机械清焦(Pig球)和高压水射流组合方式，清焦过程较为顺利，先利用机械清焦探测炉管结焦情况并找出结焦点，后利用高压水射流进行坚硬焦垢的清除，从停炉到开炉仅耗费3天时间。开工后，第二路炉管介质流量、压降在工艺操作范围内，出口温度恢复到工艺要求，达到了预期效果。

6 结 语

机械清焦和高压水射流清焦在行业中都是较为常见的清焦方式，两种方式均有各自的优缺点，采用单一方式清焦在特殊情况下有一定局限性，通过对炉管结焦情况的具体分析，采用两种方式相结合，使得清焦更为彻底，且大大提高清焦效率，缩短了炉管清焦周期，该技术在炉管清焦的广泛应用中有着借鉴意义，能取得显著的经济和环保效益。