劉 雁，張穎虹

（北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京100166）

火焰直接加熱的有機熱載體爐通過燃料直接燃燒產(chǎn)生的化學能用于加熱中間熱載體，通常為導熱油。導熱油在有機熱載體爐中加熱到預定溫度后，輸送到工藝系統(tǒng)的間壁式換熱器中。在換熱器中，導熱油與工藝介質(zhì)進行對流換熱，導熱油冷卻后返回到有機熱載體爐中加熱，升溫的工藝介質(zhì)進行后續(xù)的化學反應。通過間壁式換熱升溫的工藝介質(zhì)，不易結焦，工藝介質(zhì)溫度也可實現(xiàn)精確控制。同時加熱設備和用熱設備分開，使加熱過程更加安全可靠。

有機熱載體爐常見有兩種爐體型式，一種為撬裝密排螺旋盤管立式圓通爐，另一種型式為API560[1]推薦的輻射對流型立式爐結構。兩種爐型各有優(yōu)缺點及適用范圍，根據(jù)運行工況選擇合適的爐型對于保證工藝系統(tǒng)性能至關重要。

1 結構形式

撬裝密排螺旋盤管立式圓通爐結構型式如圖1所示，內(nèi)層密排的螺旋盤管構成了輻射爐膛，內(nèi)外排爐管夾層構成了對流受熱面。爐管、燃燒器及襯里集成于爐殼之中，整個有機熱載體爐結構緊湊，可撬裝供貨，整體運輸，現(xiàn)場整體安裝，施工工作量小，安裝相對簡單方便。因為整體運輸?shù)男枰?，要求這種撬裝的導熱油爐外形尺寸不能超過運輸限制尺寸，所以受熱盤管的布置面積有限，一般來說最大設計負荷不超過20 MW。由于只有內(nèi)層盤管內(nèi)表面接受熱輻射，所以撬裝爐型的輻射熱強度較大，不利于膜溫的控制。此種爐型運行中爐頂及煙風管道為正壓。

API560推薦的輻射對流型立式爐結構型式如圖2所示，靠爐墻布置的管束構成了輻射受熱面，上部水平錯列的管束構成了對流受熱面，對流管束可以采用翅片管型式，這種管束強化換熱，更加有利于回收煙氣中的熱量。此種爐型運行中爐頂及煙風管道均為微負壓狀態(tài)。API 爐型適用于任何負荷要求：小于30 MW，采用輻射對流型立式圓筒爐結構；大于30 MW，采用輻射對流型立式方箱爐結構[2]。API型式的熱載體爐現(xiàn)場安裝工作量大，安裝周期較長。即便是模塊化供貨，現(xiàn)場安裝周期也遠遠長于撬裝結構。此種爐型平時維護檢修方便，爐管更換簡便。從負荷適用范圍及檢修角度看，此種爐型優(yōu)于撬裝型式。但是，此種爐型投資遠遠高于撬裝型式。

圖1 撬裝密排螺旋盤管立式圓筒爐

圖2 API型式熱載體爐

2 有機熱載體的結焦原理及膜溫控制

膜溫這個指標對于選擇合適的爐型至關重要。邊界層內(nèi)流速較低，溫度最高，膜溫遠遠高于主流溫度。如果膜溫過高，邊界層內(nèi)有機熱載體裂解率會提高，導致管內(nèi)結焦。結焦反應溫度即膜溫對結焦速率影響巨大。低的膜溫不光是安全性的限制，也是評價熱工設計優(yōu)劣的重要指標，結焦速率方程[3]為

式中：Rc為結焦速率，mg ?cm-2h-1；C1為結焦母體速度 ，mg ?cm-3；n為反應級數(shù) ，指前因子mg1-n?cm3n-2?h-1；E為活化能，kJ/mol；R為通用氣體常數(shù)，kJ ?mol-1?K-1；T為溫度，K。

對于有機熱載體爐，不論是撬裝型式還是API 型式，都可以通過文獻[4]，定性的分析工業(yè)爐的結焦情況，為爐體熱工設計提供參數(shù)優(yōu)化的指導：

式中：C2為方程系數(shù)；d為爐管內(nèi)徑,mm；Re為雷諾數(shù)。

從上述兩個結焦速率方程，可以看出油膜溫度升高，結焦速率成指數(shù)倍變化。同種導熱油，流速越小，雷諾數(shù)小，導致結焦速率變大；采用規(guī)格尺寸大的管徑，也會使結焦速率變大。因此，熱工設計時，盡量采用多頭小管徑，這樣也可以使管系在規(guī)定的壓降范圍內(nèi)取得高流速及高的雷諾數(shù)，降低膜溫。

真實膜溫至今無法測量，只是通過膜溫的計算值為有機熱載體爐安全運行提供一個依據(jù)。計算中要保證導熱油最高介質(zhì)溫度處、熱強度最大處及雷諾數(shù)最小處的計算膜溫小于此種導熱油的最高允許液膜溫度，并且有一定的溫度余量。最高膜溫計算可按照《鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程釋義》附件二[5]進行。熱強度最大處一般發(fā)生在輻射段及遮蔽段，在這兩個部位需合理布置冷熱流體，盡量降低膜溫。

3 熱力參數(shù)實例

根據(jù)實際項目參數(shù)，給出了相關的熱力計算參數(shù)（見表1）。

表1 熱力計算參數(shù)

從表1 計算結果看出，由于導熱油進出口溫度都遠離最高允許使用溫度，所以，兩種型式計算出的最高膜溫、熱強度、出爐煙溫等熱力參數(shù)均符合要求。理論上講，兩種爐型均可采用。在熱力性能滿足要求的前提下，由于撬裝爐型造價低、現(xiàn)場安裝工作量小、安裝周期短，所以會優(yōu)先考慮撬裝爐型。

從表2 可以看出，導熱油進出口溫度與允許使用溫度比較接近，這種情況下，撬裝型式的導熱油爐計算膜溫已經(jīng)超過最高允許膜溫。如果采用撬裝爐型，就會導致導熱油結焦、爐管過熱燒穿。由于API爐型現(xiàn)場安裝，無運輸尺寸要求，所以爐管受熱面可以布置為一面輻射，一面反射的型式，有效降低了管壁熱強度，從而降低了膜溫差。

表2 熱力計算參數(shù)

撬裝爐型撬裝密排螺旋盤管立式圓筒爐由于運輸限制，內(nèi)部換熱面布置有限，且只有內(nèi)層盤管內(nèi)部為輻射受熱面，所以熱強度較高、熱負荷較大，工藝要求的導熱油進出口溫度較高的情況下，需仔細核實膜溫。如果膜溫較高或已經(jīng)超過允許膜溫，可使用API 型式的導熱油爐。設計時盡量采用小管徑爐管以達到優(yōu)化設計的目的。

4 結 論

API 型式導熱油爐及撬裝密排螺旋盤管立式圓筒爐型式各有優(yōu)缺點，導熱油爐熱力性能優(yōu)化及運行安全性是選擇爐型的首要標準。一般來說，設計負荷超過20 MW時，優(yōu)先采用API型式導熱油爐；設計負荷小于20 MW時，需分別計算出兩種爐型的熱力參數(shù)，如熱強度、膜溫等，經(jīng)性能及經(jīng)濟性對比后，選擇出合理的爐型。

無論API型式導熱油爐還是撬裝密排螺旋盤管立式圓筒爐型式，設計時盡量采用小管徑爐管及高的介質(zhì)流速以優(yōu)化性能。