加热炉对流段炉管外表面污垢清除技术

加热炉对流段炉管外表面污垢清除技术

岳阳长岭设备研究所有限公司岳阳宇翔科技有限公司1前言

加热炉、裂解炉是炼油化工生产装置的主要耗能设备，随着节能工作的不断深入和发展，科研人员针对加热炉系统和部件做了大量的节能改造工作。燃烧器、炉衬、空气预热器等部件经过不断的改进已取得了良好的节能效果，而加热炉、裂解炉的一个重要传热部件——对流段炉管，其外表面积灰和结垢对传热所产生的影响还没有引起人们足够的关注。当污垢积满翅片或钉头表面时，随着对流管传热效率的下降，排烟温度的升高，加热炉最少损失了2%以上的热效率。

对流段炉管结垢比较严重情况的照片２炉管表面积聚污垢的过程2.1污垢的定义通常污垢是由灰、垢和铁锈组成的；“灰”是燃料中的可燃组分――碳元素在燃烧不完全的情况下残留下来的微粒；“垢”是燃料燃烧后残留下来的不可燃的组分，主要为钠、钾、镁等金属固体盐类；“铁锈”是炉管、翅片或钉头在高温下的氧化物和在低温下的腐蚀产物。2.2污垢积聚的过程2.2.1惯性沉积加热炉在运行过程中，烟气中的油焦、碳粉、矿物质等极微小的固体颗粒在与对流段炉管表面相互碰撞时，部分颗粒在惯性力的作用下将沉积在炉管外壁的翅片（或钉头）表面。2.2.2边界层沉积烟气流过管束时，紧贴管壁外表面存在着一层薄薄的速度边界层，当灰垢粒子进入这一边界层后动能大大降低，会在表面上沉积下来。2.2.3腐蚀产物燃料中不能蒸发汽化的部分重质烃类受热后则发生热分解，留下残碳，这些残碳形成的未燃碳粒常常成为吸附烟气中硫酸的“核子”，在烟气温度接近露点的区域形成白雪状的污垢层。由于污垢中的SO2对炉管、翅片或钉头腐蚀，形成的腐蚀产物也积聚在炉管表面。随着加热炉运行时间的延长，炉管表面积聚的污垢越来越多，特别是烧重油或减压渣油的加热炉，严重时污垢将炉管全部包裹，基本见不到炉管的翅片或钉头，大大降低了对流段炉管的传热性能，导致对流段烟气出口温度升高，加热炉热效率下降。3炉管结垢对生产的主要危害就对流段炉管而言，它主要是以对流的方式传递热量，在对流段下部由于烟气温度较高，也有一定的辐射热传递。近年来由于燃料油、燃料气价格不断上涨，要求不断提高加热炉热效率。在加热炉设计上，辐射段热负荷占全炉热负荷的百分率在逐渐减少，而对流段热负荷逐渐增加。对流段热负荷由以前的20～30％增加到现在的40～50％。因此，对流段传热效果的好坏对加热炉的操作和热效率有很大的影响。当翅片（或钉头）管表面积聚一定的污垢后，对加热炉将产生以下不利的后果。3.1大大降低传热性能增加能耗当加热炉各项操作参数基本不变时，影响对流段传热性能的主要是炉管表面污垢的多少。炉管表面污垢产生的热阻R0表示的是污垢平均厚度δ0与污垢导热系统λ0的比值。单位为m2·℃/W

通常在做加热炉设计时，选取的结垢热阻为：烧气时0.0043m2·℃/W、烧油时0.0086m2·℃/W。它考虑的平均结垢厚度约1mm，污垢的导热系数为0.22W/m·℃。从前面我们看到照片可以看出，翅片管已全部被污垢包裹，钉头管已有大部分被污垢包裹。大多数情况下炉管的翅片高度在10～15mm，钉头高度在15～25mm，按照片上的结垢情况，平均结垢厚度应该在7mm以上。在污垢导热系数不变的情况下，做传热计算时，翅片或钉头管外结垢热阻应选取0.03m2·℃/W。m2·℃/W(1)包括结垢热阻在内的烟气对流传热系数(H1)计算公式如下：式中：h1为无热阻时烟气对流传热系数（管外膜传热系数）。设计时通常选取翅片管或钉头管的h1都在100W/m2·℃左右，它比结垢热阻大很多倍。W/m2·℃（2）表１为当污垢厚度发生变化时烟气对流传热系数

变化情况。从表１的数据可以看出，当污垢的厚度由1mm增加到2mm时，烟气对流传热系数从70W/m2·℃下降到53.8W/m2·℃，降低23％；当污垢厚度增加到7mm时，烟气对流传热系数从70W/m2·℃下降到25W/m2·℃，降低65％；单位污垢的厚度mmδ＝0δ＝1（设计）δ＝2δ＝7管外膜传热系数W/m2·℃1007053.825也就是说，当翅片管或钉头管表面结垢达到一定的程度后，在加热炉有效热负荷不变的情况下，由于翅片管或钉头管表面结垢，传热效率下降后，导致排烟温度升高，势必要多烧燃料，造成炉热效率下降。3.2减少烟气的流通面积，影响加热炉正常操作当污垢积聚在翅片或钉头表面后，烟气流过对流段的流通面积相应减小。如果要保证对流段的热负荷与结垢前一致，由于炉管表面结垢，传热效率下降，必须多烧燃料，造成烟气总量增加，迫使烟气流速升高，烟气流动的阻力加大。特别是对烟囱抽力设计余量不足的加热炉而言，烟气流动的阻力加大后，使炉膛处于微负压或正压操作，造成燃烧器燃烧不完全，火焰飘浮，灰尘增加，进一步增加了对流管表面的结垢，恶性循环，最后导致停炉抢修。3.3腐蚀炉管，降低使用寿命在对流段上部的低温受热面，结垢后的管壁更容易吸附烟气中所含的硫酸蒸气，加剧了炉管表面的腐蚀。炉管表面形成的腐蚀产物，增大了炉管的传热热阻，降低了炉管的传热效率，当炉管使用一定的时间后，随着腐蚀产物的增加，炉管管壁逐渐减薄，最后导致炉管穿孔造成安全事故。此外，由于炉管外表面结垢传热效率下降，还将直接影响生产的处理量，降低生产效率，造成经济损失。下面照片为炉管腐蚀情况4炉管表面污垢清除方法4.1除垢类型4.1.1在线除垢：加热炉在运行过程中清除炉管表面的污垢。清灰剂、蒸汽吹灰器、声波吹灰器、降低燃料中硫的含量、改善燃烧器；4.1.2停工除垢：在加热炉停运期间清除炉管表面污垢。干冰清洗、化学清洗；4.2除垢方法4.2.1清灰剂：在加热炉运行过程中，定期从辐射段看火孔适量加入清灰剂，达到清除对流段炉管表面污垢的目的。原理：投入到炉膛的清灰剂燃烧后，生成碱性物质随着烟气的流动而堆积在炉管表面上，与垢物中的酸和碳酸盐起中和反应，变成无腐蚀、无粘接性的硫酸盐，从管壁上自行剥离脱落下来。4.2.2蒸汽吹灰器：利用电机旋转吹灰管，使蒸汽自喷孔旋转喷出吹扫受热面。由于喷孔位置固定以及周围管子的阻挡，吹扫有效范围小。它能保持清洁的管子始终干净，对已经积满污垢的管子要想通过它吹扫干净，基本上是不太可能的。在吹灰的过程中也消耗一定的能量（蒸汽和电）。4.2.3声波吹灰器：原理：声波吹灰器是将压缩空气（或蒸汽）转换成大功率声波（一种以疏密波的形式在空间介质（气体）中传播的压力波）送入炉内，当受热面上的积灰受到以一定频率交替变化的疏密波反复拉、压作用时，因疲劳疏松脱落，随烟气流带走，或在重力作用下沉落。4.2.4降低燃料中硫的含量：燃料中不能蒸发汽化的部分重质烃类受热后则发生热分解，留下残碳，这些残碳形成的未燃碳粒极易吸附烟气中的硫酸蒸汽而形成污垢，因此，应该尽量减少燃料中硫的含量。4.2.5改善燃烧器：随着科学技术的不断发展，燃烧器的燃料燃烬率也在不断提高，选用较高燃料燃烬率的燃烧器可减少污垢的形成量。4.2.6干冰清洗：干冰：干冰是CO2的固态存在形式，CO2常态下是一种无色无味的气体。在－78℃低温时，CO2以固体形式存在，在常压下，固体CO2直接升华，没有液化过程。清洗过程：在设备内装入已制作好的干冰颗粒，在压缩空气的驱动下，高密度干冰颗粒随着压缩空气冲击到被清洗物体表面，从而起到清洗作用。原理：干冰颗粒喷射到清洗表面后与清洗表面迅速发生热交换，具有不同热膨胀系数的两种不同材料，它们之间不同的膨胀量会破坏两种材料间的结合。另外，干冰颗粒在极短的时间内迅速升华变为气体，其体积膨胀近800倍，这样就在冲击点造成“微型爆炸”，从金属表面上清除非金属污垢。4.2.7化学清洗：清洗过程：由清洗设备将清洗液输送到对流段顶部，由上而下喷淋到对流段炉管表面，在对流段下部安装一个接液槽，将清洗液导出炉体。原理：利用清洗液的湿润、渗透、乳化、分散和剥离性能，将污垢从炉管表面清除干净。干冰清洗与化学清洗对流段炉管优、缺点的比较优点缺点干冰清洗1、瞬间气化，毫无残留，不产生二次污染；2、为非破坏性除污，不伤设备，不伤炉衬；3、操作简易安全，可避免员工处于危险工作环境中。4、使用现场压缩空气，方便实用；1、有死角2、受排管数多和管间距小的限制；3、费用高；4、有时需破坏对流炉墙。化学清洗1、清洗工期短，一般只需2天时间。2、清洗过程中对炉管基本无腐蚀。3、对辐射段、对流段炉墙炉衬无损伤。4、清洗费用低。1、排污初期（10分钟）PH值可能超标；2、对铁锈腐蚀物效果不好。5化学清洗技术5.1污垢成份分析我国加热炉辐射、对流段炉衬基本为耐火砖、混凝土或陶瓷纤维，我们采用由上而下喷淋方式对炉管进行清洗。目前炼油、化工生产装置的加热炉已投用了很多年，对流段炉管大多没有清洗过，结垢相当严重。由于垢物沉积多年，垢物牢固地粘附在管壁上，且相当坚硬。通过在国内多个加热炉对流段上采积大量的垢样进行分析，污垢成份分析结果如下：油焦：13.6%，硫化物（以FeS计）：17.3%，腐蚀产物（以Fe2O3计）：14.8%，碳：34.2%，其它矿物质：21.1%，（部分垢样中腐蚀产物，硫化物含量相对较高）。根据污垢成份分析的结果，要清除炉管表面的污垢首先应使垢物湿润、疏松，然后与清洗药剂发生化学反应而分散，并随清洗药剂一起流出。为此，在方案设计时我们选用了预清洗、清洗、加冲洗的清洗方案。5.2清洗机理：预清洗是利用清洗液的渗透和润湿性能，使预清洗药剂逐步润湿污垢的表面，渗透到污垢内部，从而使污垢疏松和易于分散。清洗时，清洗液的主要组分是表面活性剂，它能降低溶液的表面张力，并具有优良的乳化和分散性能，与助剂复配后，能迅速将污垢从设备表面脱落、分散后随清洗液一起带走，从而达到清除污垢的目的。经预清洗、清洗后炉管表面仍有极少量的污垢没有清除干净，为进一步提高清洗效果，增加冲洗过程。冲洗是利用剥离剂的剥离作用将设备表面残留的污垢剥离、冲洗干净。最后确定采用以预清洗、清洗和冲洗相结合的清洗工艺。5.3炉衬的保护在清洗过程中，如何保护好炉内对流段、辐射段衬里不被清洗液淋湿，是炉管清洗中另一个较为关键的步骤。如果对流段、辐射段衬里被淋湿、浸泡或冲坏，加热炉开工后，可能出现炉衬脱落、裂纹等现象，将影响加热炉正常运行，严重时需停炉抢修。因此，清洗中我们采取了特殊的炉衬保护措施。5.4清洗效果以石化烯烃厂裂解炉、石化炼油厂减压炉为例说明清洗前后的效果及产生的经济效益。5.4.1清洗效果2006年4月29～30日我们对某石化烯烃厂裂解炉BA－115的对流段炉管外表面进行了化学清洗。清洗前翅片管表面已积满了污垢，见照片。在清洗过程中我们测得排污液的最大腐蚀率为0.48g/㎡.h，远远低于国家规定的10g/㎡.h的标准（HG/T2387—92《工业设备化学清洗质量标准》）。清洗后炉管及翅片表面上基本无污垢存在，呈现金属本色，见照片。检查对流段、辐射段炉衬没有任何损伤，达到了我们预期的效果，用户极为满意。表一为裂解炉清洗前后操作参数的对比。从表二的数据分析，在投油量由清洗前的43T∕H增加到清洗后47T∕H的情况下，排烟温度仍降低了11℃，低于设计排烟温度（设计为145℃）。而每吨投油消耗的燃料量则由111.67KG降低为105.96KG。表二、裂解炉清洗前后工况名称单位清洗前清洗后排烟温度℃154143投油量T∕H4347风机转速RPM1003972侧壁燃料气量KG∕H975905底部燃料气量KG∕H38274075每吨投油量耗燃料KG∕T111.67105.96某石化炼油厂减压炉（F—102）清洗前炉管（钉头管）外表面结垢积灰严重，见照片，清洗后炉管表面的污垢清除干净已见金属本色，见照片。取得了较好的清洗效果。在清洗过程中，炉衬保护好，未出现环境污染问题。表三、减压炉清洗前后工况从表3中的数据可以看出，在原料进出炉温度、氧含量基本不变的情况下，清洗前，排烟温度265℃，炉热效率84.5%。清洗后，排烟温度225℃，炉热效率87%。排烟温度降低了40℃，热效率提高2.5％。名称单位清洗前清洗后原料进对流温度℃188189.4原料出辐射温度℃389389烟气出对流段温度℃265225对流顶氧含量%84.587炉热效率%4.03.95.4.2经济效益从清洗前后裂解炉的操作参数分析，可从以下二个方面说明清洗后裂解炉的能耗降低情况。第一，而每吨投油消耗的燃料量则由111.67KG降低为105.96KG，相当于每小时节约燃料气5.71×47＝268.37KG。第二，污垢清除干净后对流段烟