火焰直接加热的有机热载体炉炉型对比与分析

2020-01-17张颖虹

工业加热 2019年6期

刘雁，张颖虹

（北京航天石化技术装备工程有限公司，北京100166）

火焰直接加热的有机热载体炉通过燃料直接燃烧产生的化学能用于加热中间热载体，通常为导热油。导热油在有机热载体炉中加热到预定温度后，输送到工艺系统的间壁式换热器中。在换热器中，导热油与工艺介质进行对流换热，导热油冷却后返回到有机热载体炉中加热，升温的工艺介质进行后续的化学反应。通过间壁式换热升温的工艺介质，不易结焦，工艺介质温度也可实现精确控制。同时加热设备和用热设备分开，使加热过程更加安全可靠。

有机热载体炉常见有两种炉体型式，一种为撬装密排螺旋盘管立式圆通炉，另一种型式为API560[1]推荐的辐射对流型立式炉结构。两种炉型各有优缺点及适用范围，根据运行工况选择合适的炉型对于保证工艺系统性能至关重要。

1 结构形式

撬装密排螺旋盘管立式圆通炉结构型式如图1所示，内层密排的螺旋盘管构成了辐射炉膛，内外排炉管夹层构成了对流受热面。炉管、燃烧器及衬里集成于炉壳之中，整个有机热载体炉结构紧凑，可撬装供货，整体运输，现场整体安装，施工工作量小，安装相对简单方便。因为整体运输的需要，要求这种撬装的导热油炉外形尺寸不能超过运输限制尺寸，所以受热盘管的布置面积有限，一般来说最大设计负荷不超过20 MW。由于只有内层盘管内表面接受热辐射，所以撬装炉型的辐射热强度较大，不利于膜温的控制。此种炉型运行中炉顶及烟风管道为正压。

API560推荐的辐射对流型立式炉结构型式如图2所示，靠炉墙布置的管束构成了辐射受热面，上部水平错列的管束构成了对流受热面，对流管束可以采用翅片管型式，这种管束强化换热，更加有利于回收烟气中的热量。此种炉型运行中炉顶及烟风管道均为微负压状态。API 炉型适用于任何负荷要求：小于30 MW，采用辐射对流型立式圆筒炉结构；大于30 MW，采用辐射对流型立式方箱炉结构[2]。API型式的热载体炉现场安装工作量大，安装周期较长。即便是模块化供货，现场安装周期也远远长于撬装结构。此种炉型平时维护检修方便，炉管更换简便。从负荷适用范围及检修角度看，此种炉型优于撬装型式。但是，此种炉型投资远远高于撬装型式。

图1 撬装密排螺旋盘管立式圆筒炉

图2 API型式热载体炉

2 有机热载体的结焦原理及膜温控制

膜温这个指标对于选择合适的炉型至关重要。边界层内流速较低，温度最高，膜温远远高于主流温度。如果膜温过高，边界层内有机热载体裂解率会提高，导致管内结焦。结焦反应温度即膜温对结焦速率影响巨大。低的膜温不光是安全性的限制，也是评价热工设计优劣的重要指标，结焦速率方程[3]为

式中：Rc为结焦速率，mg ⋅cm-2h-1；C1为结焦母体速度，mg ⋅cm-3；n为反应级数，指前因子mg1-n⋅cm3n-2⋅h-1；E为活化能，kJ/mol；R为通用气体常数，kJ ⋅mol-1⋅K-1；T为温度，K。

对于有机热载体炉，不论是撬装型式还是API 型式，都可以通过文献[4]，定性的分析工业炉的结焦情况，为炉体热工设计提供参数优化的指导：

式中：C2为方程系数；d为炉管内径,mm；Re为雷诺数。

从上述两个结焦速率方程，可以看出油膜温度升高，结焦速率成指数倍变化。同种导热油，流速越小，雷诺数小，导致结焦速率变大；采用规格尺寸大的管径，也会使结焦速率变大。因此，热工设计时，尽量采用多头小管径，这样也可以使管系在规定的压降范围内取得高流速及高的雷诺数，降低膜温。

真实膜温至今无法测量，只是通过膜温的计算值为有机热载体炉安全运行提供一个依据。计算中要保证导热油最高介质温度处、热强度最大处及雷诺数最小处的计算膜温小于此种导热油的最高允许液膜温度，并且有一定的温度余量。最高膜温计算可按照《锅炉安全技术监察规程释义》附件二[5]进行。热强度最大处一般发生在辐射段及遮蔽段，在这两个部位需合理布置冷热流体，尽量降低膜温。

3 热力参数实例

根据实际项目参数，给出了相关的热力计算参数（见表1）。

表1 热力计算参数

从表1 计算结果看出，由于导热油进出口温度都远离最高允许使用温度，所以，两种型式计算出的最高膜温、热强度、出炉烟温等热力参数均符合要求。理论上讲，两种炉型均可采用。在热力性能满足要求的前提下，由于撬装炉型造价低、现场安装工作量小、安装周期短，所以会优先考虑撬装炉型。

从表2 可以看出，导热油进出口温度与允许使用温度比较接近，这种情况下，撬装型式的导热油炉计算膜温已经超过最高允许膜温。如果采用撬装炉型，就会导致导热油结焦、炉管过热烧穿。由于API炉型现场安装，无运输尺寸要求，所以炉管受热面可以布置为一面辐射，一面反射的型式，有效降低了管壁热强度，从而降低了膜温差。