管式加热炉炉管结焦分析

管式加热炉炉管结焦分析

章许云1，2

（1.南京扬子石油化工设计工程有限责任公司，江苏 南京 210048）

（2.南京工业大学，江苏 南京 210032）

[摘 要] 管式加热炉运行中炉管结焦是重大安全隐患。本文对炉管结焦的形成及影响因素、预防结焦、处理结焦进行了整体分析，提出了相应的对策。

[关键词] 管式加热炉；炉管结焦；安全措施

作者简介：章许云（1981—），男，江苏人，本科学历，助理

工程师，研究方向，化工设备管道设计安全评价。

图1 管式加热炉结构图

1 管式加热炉简介

管式加热炉是石油炼制、化工和化纤工业中使用的工艺加热炉。其作用是将油品或其它介质加热以达到工艺要求。在石油化工行业中，管式加热炉作为提供石油化工生产对热能需要的一种供热手段得到了广泛运用。

管式加热炉一般由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧器以及通风系统五部分所组成。见图1。辐射室和对流室内装有炉管，这个部分直接受到火焰烧烤，温度最高，必须充分考虑选用材料的强度和耐热性能等要求。在辐射室的底部、侧室或顶部装有火嘴，在烟囱内装有挡板。较先进的加热炉还配备烟气余（回）热系统、空气和燃料比的控制调节系统。低温物料先流进对流室炉管，再流经辐射室炉管，在炉膛内吸热后成为高温物料而流出。

2 管式加热炉炉管损坏的原因

炉管是加热炉进行热量传递的重要设备。炉管在苛刻的条件下运行，直接见火。由于设计上不可能留有很高的安全系数（否则，炉管会过

厚），因此比厂内的其他通用设备容易损坏。炉管损坏的主要形态有：管壁减薄、变形、破裂、鼓包、内外腐蚀等。

炉管损坏是多种因素的综合作用造成的，如管内结焦、传热恶化、局部过热、进料原油中含盐等。2.1 炉管结焦

加热炉损坏一般以结焦为主，由多种因素共同作用形成。结焦是炉管内的油品温度超过一定界限后发生热裂解，变成游离炭，堆积到炉管上的现象。损坏过程为：管内开始结焦，提高了管壁温度，从而也加剧了表面的氧化和炉管的腐蚀。氧化使管壁厚度减薄，减薄处在内压和热量的双重作用下首先鼓出。炉管鼓包后管子内壁和焦层之间间隙加大，使炉管其它部位的温度也逐渐升高，进一步氧化减薄，最终导致炉管的破裂。炉管三维图见图2。

图2 炉管三维图

- 52 -安全密封石油与化工设备2010年第13卷

2.2 传热恶化

传热恶化是因为燃烧器离炉管太近。为改善传热，可以调整燃烧火焰，重新布置或更换燃烧器，重新布置加热盘管。

2.3 局部过热

如果管内流量减少以后，管内介质的传热系数有可能大幅度下降，管内介质的流动状态有可能突变，盘管各路之间也更容易发生偏流。它们的不良后果有可能抵消因热负荷降低给炉管带来的安全度，而造成低负荷下的炉管局部过热损坏（俗称“干烧”）。

2.4 炉管腐蚀

炉管内外的腐蚀从机理上讲，与一般设备材料的腐蚀没有本质的区别，但有两点：一是炉管材质应耐腐蚀性能更高，因为炉管的使用条件更苛刻。另一点是从保持尽可能高的传热效能和尽可能小的温差应力来考虑，不希望炉管壁厚的腐蚀裕量取得过大。

2.5 原料油中含盐

加热炉原油中含盐过高会导致炉管损坏。油料中含盐量越高，则炉管结焦的速度越快。燃料油中的金属盐是导致加热炉结焦的主要原因之一。脱除燃料油中的金属盐，一是在原油中加入沉淀剂，使其生成亲水性微小沉淀颗粒进入水相；二是加入螯合子形成溶于水的螯合物随水排出。

3 炉管结焦形成及影响因素

3.1 炉管结焦的形成

炉管内壁结上一层焦炭以后，热阻增加，使管壁温度升高，其后，气相和液相油品继续渗透到焦层的孔隙中去，继续结焦，逐渐形成越来越厚的坚实的焦层，使管壁温度最终升高到允许值以上，这从炉管外表面的局部区域颜色变化可以判断出来。

管内结焦是传热表面上生成“污垢”的一种现象，可采用传热面上“结垢速度”这一概念来分析。根据这一概念，可将炉管管内的结焦速度定义为每小时管内结垢热阻R i 的增加值。由于R i 的单位为(m2.hK)/kj，所以结焦速度的单位为(m2.

h.K/kj)/h。

结焦的多少取决于两大因素：焦炭生成速度及焦层脱落速度，即

结焦速度=焦炭生成速度—焦层脱落速度

结焦过程可以解释为：结焦最初是热烈解、聚缩、高分子物质离析等。主要起因于加热引起的反应，由于流速下降，达不到紊流状态，上述反应物残留在管壁，逐渐沉积起来，形成了焦层。

3.2 影响结焦因素

(1)管内流体的温度过高；(2)结焦是在管内壁表面上产生，管壁的温度影响焦炭生成速度，为防止结焦，不应把辐射热强度取得太高；(3)管内流体的流速慢，加快了结焦的形成；(4)管内流态状况。

4 预防措施

4.1 控制加热温度

单纯加热用的炉子，只要能满足工艺过程的基本要求，应尽量降低流体被加热的温度。降低流体温度可采用降低炉子盘管系统压力，向炉管注水蒸气等方法。

对非单纯加热炉的焦化、裂化等装置使用的“反应型”加热炉，首先，应注意加热温度和加热时间的关系。通常油品的温度越高，则裂解速度越快，轻质油收率越高，但反应时间宜短。反应时间越长，裂解反应的焦质物越多，所以必须对加热反应的过程进行控制，尽量缩短在高温区的停留时间。

设计这类炉子时必须了解管内流体的热解生焦特性。每种油品都有自己开始发生结焦的“临界温度”。一般油品越重，直链烷烃越多，结焦的“临界温度”越低，如图4所示。管内油品的特性因数K值可综合地表征油品的特性，图4为K值与结焦温度的关系。只要工艺和操作上允许，整个炉子盘管系统都应控制在此温度以下，这是防止焦炭生成的基础。

图2 炉管三维图

4.2 处理好管壁温度和热强度的关系

焦层是在管内壁表面上生成的，管壁温度是

- 53 -第5期

章许云 管式加热炉炉管结焦分析

影响焦炭生成速度的最基本的因素之一。由于介质和管壁的接触面存在一边界层。如果介质在边界层内的温度或者管壁的温度比管内主流的温度高，那么，高出多少主要取决于炉管的表面热强度，也与内膜传热系数等因素有关。为了防止结焦，对焦化炉或润滑加热炉，不应片面追求过于先进的传热指标，而把辐射热强度取得太高。4.3 提高管内流速

足够的管内流速可提供将尚未固着的初期疏松焦层排出炉外所需的紊流的动能，因此流速是使焦层脱落最基本的因素。为防止结焦，只要压降允许而又造成冲蚀，应尽可能采用高流速。这时内膜传热系数也可增大，从而使管壁温度减低，也有缓和结焦的作用。

4.4 管内流态状况

对水平管，结焦可能性大的流态是层流，在这种流态下气、液两相分开流动，管子的上部是气体，下部是液体。较好的流态是喷雾流或环状流。此时气液相混，几乎呈等流速。层流时，焦层主要在管子上部的气相上侧形成，这是由于气相上侧排走结焦物的动能不足，以及气相的内膜传热系数比液相小，管壁温度局部升高的缘故。

对垂直管，当汽化率低时，对于上升管，管内的气泡与液体速度基本相同，有个别气泡上升速度可能稍快；然而不论上升还是下降，液相量总比汽相量大得多，所以炉管内壁主要与液体接触，上升管与下降管的传热阻力相近，管壁温度相差不大。在中等汽化率下，上升流动时由于存在气、液两相的密度差，蒸汽在管子的芯部快速上升，液相在管壁圆周呈膜状上升；下降流动时同样由于气、液的密度差，与上升流相反，液体在管芯高速下落，而蒸汽则沿管壁缓缓下降，在这种状态下管壁主要与流速慢的蒸气接触，管内膜传热系数显著变小，管壁温度会有相当程度的升高，使下降管的氧化减薄量比上升管大。因大部分炼油化工管式加热炉在中等汽化率下运行，所以下降管的损坏较为突出。当汽化率很高，液相成为喷雾状，均匀地分布在气相中时，可以忽略重力的影响，上升管与下降管的流态基本相同，两者的管壁温度也大致一样。

5 处理炉管结焦常用方法

5.1 通空气烧焦

通空气烧焦时，加热炉炉膛温度控制为600℃。向炉管内通入空气，则炉管内壁上的焦炭层就会燃烧起来，使焦炭层烧损而变得疏松，并有部分焦粉、焦块剥落下来被尾气吹出炉管外，同时炉管及焦炭层(天然气或水煤气)侧喷入炉膛内。

在加热炉炉管进行烧焦时，应将加热炉的进料口与进料系统用盲板隔离开。

5.2 通蒸气破焦

炉管内通空气使焦炭层燃烧而使其升温。当有大量的蒸气通入炉管时，一方面蒸气与赤热的焦炭反应；另一方面造成炉管及焦炭层的快速降温，使疏松的焦炭层受到收缩和膨胀的冲击和蒸气的冲刷，造成大量的焦粉、焦块剥落被尾气吹出炉管处。这时应适当控制通入的蒸气量和空气量，使剥落下来的焦粉粒度不大于3mm，以防止炉管堵塞。

通空气烧焦和通蒸气破焦的过程交替反复进行多次，便可使炉管内壁的焦炭层完全剥落下来。使炉管内壁变得洁净如初，交替操作的次数和频率可根据具体情况确定。

6 结语

管式加热炉炉管结焦，是加热炉的重大安全隐患。为此，企业应注重加热炉的安全分析。分析研究的重点除了炉管安全分析外，还有炉墙安全设计、操作安全设计等，均构成加热炉的安全系统分析。

◆参考文献

[1] 蔡乔方.加热炉[M].北京：冶金工业出版社，2005.

[2] 钱加麟，于遵宏.管式加热炉[M].北京：烃加工出版社， 1987.

[3] 胡颜邦.加热炉问答[M].北京：冶金工业出版社，1985．收稿日期：2010-03-23：修回日期：2010-04-30