四氟乙烯燃气裂解炉的系列优化改造

2016-07-02谢小刚谭建明李非露中昊晨光化工研究院有限公司四川自贡643201

化工生产与技术 2016年1期

谢小刚，谭建明，刘　钱，李非露（中昊晨光化工研究院有限公司，四川　自贡　643201）

四氟乙烯燃气裂解炉的系列优化改造

谢小刚，谭建明，刘钱，李非露
（中昊晨光化工研究院有限公司，四川自贡643201）

摘要针对四氟乙烯燃气裂解炉检修频率高、事故频繁、燃料消耗高等问题，从燃烧器、保温层、零部件结构和控制方式等方面进行了分析，并以此对燃气裂解炉进行优化改造。改造后实际运行结果表明，裂解炉的使用寿命延长，检修频率降低、费用降低，能源、原材料消耗同比明显减少，且多项控制参数得到了优化，在很小投资的情况下达到了大的收益，效果明显。

关键词燃气裂解炉；四氟乙烯；燃烧器；优化改造

燃气裂解炉是四氟乙烯单体生产装置的核心设备。某燃气裂解炉为立式筒炉，内部结构复杂，主要包括筒体、换热管、热风换热器、燃烧器、烟囱及保温材料等。裂解炉的运行条件复杂，涉及到天然气、二氟一氯甲烷（F22）、水蒸汽、无离子水、氮气等物料在炉内的燃烧、流动、转化和热交换等，且设备长期在高温条件下运行，以及骤冷骤热的交替工况，致使每半年小修1次，1年大修1次。

原有的三点式正三角型底烧式燃烧器，其结构决定了燃料燃烧不完全，炉底温度过高，易烧坏燃烧炉底板保温层，炉底浇注泥呈贯通式开裂，对流段、辐射段均有保温材料不规则脱落，同时燃烧火焰经常出现偏烧舔管，使换热管发生蠕变变形。由于没有设置热风换热器及时移走烟气热量，致使烟道气温度高达350℃以上，烟囱经常损坏。

在控制方式上采用现场PLC控制，炉温、炉膛负压、燃气量、风量等都需在现场PLC面板上进行调节，由于控制信号上的滞后造成裂解炉多项参数不能及时修正，致使炉底外部温度高达230℃以上，筒体外部温度达75℃以上，满足不了控制精度要求，且事故频发。因此该设备的检修频率较高，燃料消耗高，不能满足化工装置的长周期安全平稳运行。

1原因分析及改进措施

四氟乙烯燃气裂解炉总体结构见图1。

图1 裂解炉Fig 1 Cracking furnace

1.1燃烧器

燃气裂解炉的热源都由燃烧器燃烧燃气产生，其结构形式、燃烧喷嘴、空燃比、材质等都与燃烧效果密切相关。改造前的燃烧器采用简单的三点式正三角型底烧式燃烧器，空燃比的调节采用人工调节，存在3点空燃比调节不一致、部分燃烧不完全、火焰偏烧、炉内温度分配不均匀和炉底温度过高等问题，造成燃烧器经常损坏；炉内蒸汽换热管火焰偏烧舔管造成蠕变；炉底温度过高造成底板保温材料损坏，更换频繁；燃气用量大，燃烧效率低；烟道气温度过高。

基于上述原因，将燃烧器改造为底烧多枪平流式，设置在裂解炉底部正中，燃气枪放在调风器空气通道内，枪头8～12个。燃烧器本体材质采用碳钢，枪头材质采用Cr25Ni20，助燃配风为45°旋进气。改进后的燃烧器结构见图2。

图2 改进后的燃烧器结构Fig 2 The improved structure of burner

1.2保温材料

改造前的裂解炉炉底采用高温石棉板、耐火浇注泥、高温涂料的组合保温形式；辐射段炉身采用普铝纤维针织毯、高温涂料的组合形式，炉顶同样采用普铝纤维针织毯、高温涂料的组合形式，且用500 mm×500 mm的S30408材质钢条进行捆绑；对流段采用普铝纤维针织维毯。由于炉膛温度较高，局部保温材料及捆绑材料选择不合理，致使保温层开裂与不规则脱落，导致炉底外部达230℃以上，炉筒外部温度达75℃以上，对流段外部温度达50℃以上，远远超过控制标准。

基于上述原因，改造时，采用炉底铺3 cm厚高温石棉板、中间为高铝耐火砖、表面为耐火浇注泥和高温涂料、沟缝填充高铝纤维的组合形式；炉身采用外表面普铝纤维针织毯、内表面高铝纤维针织毯和高温涂料、同时用陶瓷帽固定的组合形式；炉顶采用全高铝纤维针织毯，同时用250 mm×250 mm的Cr25Ni20材质钢条进行捆绑固定的组合形式；对流段全部采用高铝纤维针织毯和高温涂料的组合。

1.3热风换热器

原有燃烧炉对流段未使用热风换热器，燃烧器全部采用外部冷空气配风，裂解炉燃烧尾气全部由烟囱排放，烟气温度达到350℃以上，烟囱经常损坏，且热损失大，燃气用量大。

为了降低燃料消耗，改变燃烧器冷热交替工况现状，在对流段上部增加1个热风换热器，见图3。燃烧器配风先经过热风换热器逆流换热，将温度加热到130～180℃，再与燃气一起通过燃烧器进行燃烧。

图3 增加热风换热器后的裂解炉Fig 3 Cracking furnace with increased hot air heat exchanger

1.4零部件

裂解炉的零部件相当多，一套裂解炉达上万个。改进前部分零部件设计不合理，例如蒸汽换热管的导向管、辐射段的检修孔、炉底的加强筋、烟囱挡板等，造成裂解炉检修频率高、故障率高。

将辐射段蒸汽加热管的底部导向管与裂解炉底板隔开，避免内部热量通过导向管直接传到底板外，造成炉底外部温度过高，同时将材质由原来的S30408材质改为Cr25Ni20。

将辐射段检修孔改进成凹槽密封，同时在凹槽和检修盖板部位增加以高铝纤维为主要材料的保温材料，避免热量散失。

将底部燃烧器喷火口改进为45°蜗壳状喇叭口形，使火焰充分燃烧，同时将火焰直径控制在一定的范围，避免火焰舔管造成辐射段换热管发生蠕变。

将辐射段换热管挂钩改成为U型，U型的转弯薄弱部分加厚，U型内部按照换热管弯头的形状进行修正，使其更好的贴合，以免热胀冷缩后换热管脱离U型挂钩，发生变形，同时将U型挂钩的材质更换为ZG5Cr26Ni36Co15W5。

将原来的烟囱挡板改为电动蝶阀，材料为S30408材质，可以更加直观的观察到烟气流道开度，更加精准的控制炉膛的负压。

将对流段管板加工面由原来的自由尺寸公差按GB/T 1804—2000的第14级精度加工，改为自由尺寸公差按JB 2854—80的第2级精度加工，同时将管板材质改进为ZGCr25Ni12Si2［1-2］。

将炉底测温点设置在距离炉底板以上1.5～2.0 m位置，插入深度900 cm，便于测量火焰的外焰实际温度；将炉中温度测温点设置在辐射段蒸汽换热管出口位置，插入深度700 cm，便于监控加热效果；将炉顶测温点设置在对流段和热风换热器结合部位，插入深度500 cm。同时增加热风换热器后烟道和热风的温度检测点。

1.5控制方式

裂解炉的控制方式有很多种，一般分为现场的PLC控制和远程DCS控制，控制方式改进前采用现场PLC控制方式，炉温、炉膛负压、燃气量、风量等都需在现场PLC上进行调节，由于信号的滞后造成裂解炉多项参数不能及时的修正，因此无法满足控制精度要求，频发事故。

基于此，将原有的控制方式改为现场PLC和远程DCS组合控制的方式，采用转换开关进行切换。裂解炉在开车和停车阶段，将转换开关切换至PLC控制方式，便于现场对各项参数进行修正，同时避免紧急事故的发生。当裂解炉处于正常操作阶段时，将转换开关切换至DCS控制方式，便于根据各项控制参数的变化进行远程调整。同时，采用单回路连锁和先进的等比例控制方式，对炉膛压力、温度、空燃比进行自动调节。