重整装置四合一炉出口温度波动的原因分析及对策

＊代 丹

（中海石油舟山石化有限公司 浙江 316000）

舟山石化90万吨/年连续重整装置反应部分配有一台四合一立式加热炉F3201～F3204作为重整反应的热源，该四合一炉采用U型管箱式炉型，物料仅在辐射段进行加热。四合一炉共设四个炉膛，根据反应热量需要布置多排U型管，分别通过集合管与工艺系统连接。烟气由炉顶烟道排入独立烟囱，包括余热锅炉在内的总体计算热效率为90%。

1.问题描述

自2020年开始，四合一炉中的二号反应炉F3202在操作条件稳定的情况下，炉出口温度出现不定期无规律波动，现象为炉出口温度大幅下降约5～10℃，炉膛温度大幅下降20～30℃，瓦斯量大幅增加约100～200Nm3/h，影响了其它3个加热炉的炉膛温度及瓦斯用量、重整反应及锅炉产汽的平稳运行。二号反应炉F3202出口温度波动的现象维持时间不定，在不作任何调整的情况下又会恢复。

2.二号反应炉F3202出口温度波动的原因分析

一般来说，影响加热炉出口温度波动的因素主要包括进料变化、燃料气变化、燃烧状态、设备老化、仪表控制系统不合适、负压不稳定及外界环境等。

（1）从进料角度分析。重整进料流量波动、温度波动、性质改变等均会影响加热炉的出口温度。二号反应炉F3202出口温度波动时，重整进料量稳定，入口温度平稳。查阅非波动时与波动时的重整进料性质化验数据，可以看出前后并没有太大的变化，基本可以排除进料流量、温度、性质变化的影响。当温度达到370℃以上时，重整进料已经气化，考虑到炉管内介质为石脑油与氢气的混合物，若集合管内油与气两者的分布不均匀也可能会导致温度的波动，因而应该增加循环氢流量，使石脑油以较快的速度通过反应器[1]，提高氢油比来优化炉管内油气分布。

（2）从燃料气角度分析。燃料气管网的压力波动及组成变化均会引起燃料气流量、热值发生变化。全厂燃料气由延迟焦化装置产出，送入连续重整装置瓦斯缓冲罐V4501（正常压力控制在0.45MPa）。除焦化装置切塔操作及投用液化气汽化器外，燃料气管网压力基本稳定，在燃料气压力稳定时波动现象依然存在，可以排除燃料气压力波动因素的影响。二号反应炉F3202出口温度波动前后燃料气组成变化不大，燃料气含有大量焦化干气，洁净度较差，间断投用汽化器将液化气并入燃料气管网，C3+组分增多，同时根据氢气平衡也存在氢气排放至燃料气管网的情况，燃料气组分变化可能导致燃烧不稳定。但是除四合一炉外，其他装置的管箱式加热炉并没有出现类似现象，因而燃料气组成的变化可能是引起炉出口温度波动的因素，但并非关键因素。

（3）从设备角度分析。四合一炉60台燃烧器大部分为2007年3月出厂，投用时间长达10年以上，且无法单独拆卸枪头进行清理疏通。燃烧器的老旧、气枪的堵塞会导致燃烧不稳定，引起炉出口温度的波动。但正常生产状态下燃烧器无法实施更换，需等待停工检修时予以消除。

（4）从加热炉燃烧情况角度分析。2020年3月，现场查看二号反应炉F3202燃烧器的燃烧状态，发现个别燃烧器火苗飘忽不定、软绵无力。特别是在瓦斯燃烧不完全的情况下，则会导致瓦斯尾燃引起出口温度变化。这种情形可能是燃料气配风量与瓦斯量不合适引起的，因而操作人员巡检过程中应特别关注四合一炉燃烧状态，及时作出调整。

（5）从仪表控制系统角度分析。仪表控制系统不合适的PID参数会导致瓦斯调节阀“过调”“滞后”等问题，但二号反应炉F3202在瓦斯流量调节阀手动控制时出口温度依然会波动，可以排除PID参数的影响。

氧含量、炉膛温度热电偶等仪表指示是否真实准确或测点位置也会影响到燃烧状况。尤其是氧分析仪直接影响了操作人员的判断，真实氧含量低燃烧不完全，尾燃现象的发生也直接影响了炉出口温度的波动。

（6）从加热炉负压及烟气扰动角度分析。四合一炉四个辐射室下部由火墙隔开，上部分属于连通结构，二号反应炉F3202辐射段到对流段有3个通道，特别是炉内负压不合适时，二号反应炉F3202上部烟气走向存在不确定性，有可能发生烟气波动、互窜，而且二号反应炉F3202热负荷高且产生的烟气量大，烟气流动的不确定性大，热量分布不均匀，也有可能引起出口温度波动。因而应该调整炉膛负压，改善四合一炉各炉膛的负压分布。

3.排查与调整措施

（1）复核四合一炉负荷。为排除加热炉热负荷过高对出口温度的影响因素，2021年3月委托石化工程对四合一炉负荷进行模拟核算。表1是四合一炉设计负荷模拟核算结果的对比。同时对比DCS数据和2019年的标定数据，四台加热炉温升、操作热负荷均小于设计值。结合模拟核算结果可知，F3202、F3203热负荷比设计值偏大，炉膛温度比设计值、DCS数值都偏大一些。但基本在设计工艺最大工况范围内，排除热负荷超过设计负荷的因素影响。

表1 四合一炉设计负荷与模拟核算结果对比

（2）增加循环氢流量，以优化集合管内油气分布状态。为了改善集合管内油气分布状态，稳定炉出口温度，2021年4月，在其他条件基本上不变的情况下，逐步提高循环氢流量。图1是出口温度与循环氢流量的变化关系，可见在提高氢油比的情况下，出口温度依然波动，可以排除该因素的影响。

（3）调整燃烧状况。2021年，针对四合一炉各燃烧器的燃烧状况进行了调整，对火苗飘忽不定等问题进行了配风量和瓦斯量的调整，力求将燃烧状况调整至最佳。经过几个月的调整，大多数燃烧器燃烧状况得到了改善。但由于燃烧器使用年限长、设备老化的问题，部分燃烧器配风量无法调整，特别是三层长明灯火焰发飘、脱焰，存在明显的不完全燃烧现象。在调整过程中，出口温度时而波动，时而稳定，问题依然存在。

（4）调整氧含量以改善燃烧状况。为避免瓦斯不完全燃烧导致温度波动，适当调高加热炉氧含量，控制在4%～5%左右（正常控制在2%～3%）。同时定期对加热炉氧分析仪进行标定，对炉膛温度热电偶进行断电检查，均没有发现异常。调高氧含量，出口温度波动现象依然存在，如图2所示。

（5）调整负压状况。调整负压状况的目的是为了稳定加热炉炉膛内的烟气流量，通过提高烟道挡板开度保证炉膛内烟气的稳定性。

自2021年2月开始开大重整进料加热炉的烟道挡板，关小燃烧器的风门，使氧含量控制在2%～4%范围内。调整前二号反应炉F3202炉膛烟道挡板前的负压一直处于较高的状态，由于烟气量在烟道挡板处被截流，因此炉膛内气流在受到燃烧情况变化时，使烟气量产生了不稳定性。

如图3、4所示，经过两个月的调整，二号反应炉F3202炉膛温度及炉出口温度波动情况减少且趋于稳定，同时加热炉的燃烧情况有所好转。但在此负压状态下，重整加工量大幅调整期间，二号反应炉F3202炉出口温度重新出现波动情况。因此怀疑加热炉内烟气量可能是影响加热炉内气流流向的因素之一，特别是提量降量操作使得整个加热炉的氧含量、瓦斯量、炉膛温度等参数发生不同程度的变化，打破了原有的平衡，使得烟气流动紊乱，烟气的聚集使炉内出现湍流，最后影响加热炉热负荷分布。但归根结底烟气流动紊乱还是设备老化、燃烧状况差导致的。

（6）采取红外线检测炉膛温度分布状况。由于主火嘴、长明灯前无压力表，无法精确控制阀后压力是否在最佳操作区间，尤其是在燃烧器火嘴堵塞的情况下，每台燃烧器燃烧情况、负荷不同，且烟气流动不稳定，怀疑加热炉热量分布不均匀引起了炉出口温度的波动。2021年，委托中石化加热炉检测评定中心金陵中心站对四合一炉炉膛温度分布进行了红外线检测，分别对辐射室（二至四层）每一层的看火门进行打开测试。表2是此次红外线检测炉膛温度分布的情况。

表2 炉膛温度分布情况（℃）

检测一共拍摄54张炉管红外，通过对数据的整理，四台加热炉的炉管温度最高不大于610℃，且所有温度数值接近。因而也可排除烟气流动不稳定的因素。

4.结论与实施效果

（1）排查结论。通过现场运行情况排查和采取了多种调整措施，四合一炉二号反应炉F3202出口温度与之前相比已比较稳定，操作人员对F3202的调整也逐渐摸索出规律，并且得出了以下结论：

①主火嘴、长明灯前无压力表，无法精确控制阀后压力是否在最佳操作区间，尤其是在部分燃烧器堵塞的情况下，每台燃烧器燃烧情况、负荷不同，难以调整。②由于燃烧器老旧，部分火嘴堵塞无法拆卸枪头疏通，长明灯几乎全开，燃料气组分偏重存在不完全燃烧。③经过四合一炉热负荷核算可以满足生产热负荷要求。④经过炉膛温度红外线检测，加热炉炉膛温度较为均衡没有出现局部温度偏高现象。⑤根据近几年重整装置的加工负荷，三层的燃烧器长期处于仅点燃长明灯的状态，存在瓦斯不完全燃烧引起尾燃的现象。

综上所述，排除了加热炉热负荷和加热炉气流波动影响后，可以基本上确定加热炉燃烧器的老旧和燃烧器的瓦斯压力控制欠佳而引起炉出口温度的波动。

（2）实施效果。2022年大检修期间，重整装置将四合一炉各燃烧器更换为新型低氮燃烧器，并在燃烧器主瓦斯线上增设压力表，同时对烟道挡板进行维修，以精确调整加热炉的燃烧情况。

新型低氮燃烧器投用后，在重整进料量分别为92t/h、68t/h时，四合一炉二号反应炉F3202出口温度及炉膛温度如图5所示。观察现场火嘴燃烧情况，较之前有了很大的改善。可见四合一炉燃烧器更换后，二号反应炉F3202炉出口温度能够长时间稳定在控制值，炉出口温度无规律波动的问题得到了解决。