組合清焦在加熱爐中的應用

張祝東，吳時驊，劉海春，陳寶林，王 敏

(1.岳陽長嶺設備研究所有限公司，湖南 岳陽 414012； 2.中國石化長嶺分公司設備工程部，湖南 岳陽 414012)

中石化某煉化分公司重整裝置熱載體加熱爐1971年投產，2009年改造更新，立式圓筒爐，設計負荷19.91 MW，加熱介質為重柴油，燃燒采用強制通風方式，鼓風機將空氣送入爐內參與燃燒，煙氣經輻射段、對流段和空氣預熱器由引風機送至煙囪排放。2017年，第二路爐管出口物料溫度較其他三路偏高，經調整操作后，滿足工藝要求。2021年4月裝置檢修開工后，又出現第二路爐管出口物料溫度(TI1860)高于其他三路的相同問題，如圖1所示。調節各路爐管出口閥門無效，判斷爐管疑似結焦偏流，決定對其進行清焦處理。

圖1 四路溫度情況

1 爐管結構形式

加熱爐共四路爐管，采用一分二，二分四的方式，Ⅰ路和Ⅱ路并聯由東面進入對流段，Ⅲ路和Ⅳ路并聯由西面進入對流段。物料經對流段爐管加熱后進入輻射段爐管(輻射段出口設置手閥)，并于輻射頂聯合至轉油線送出裝置。爐管采用20#鋼，Φ168 mm×8 mm。對流段爐管為水平翅片管，共10層，爐管直管段長3 000 mm；輻射段爐管垂直布置，共64根，單根長14 000 mm。爐管結構如圖2所示。

圖2 對流段及輻射段爐管結構形式

2 清焦技術介紹

目前國內外管式加熱爐較為常用的清焦技術有在線燒焦、機械清焦和高壓水射流清焦三種方式，在實際清焦過程中每種方式均有各自的優勢及缺陷。

2.1 在線燒焦技術

在線燒焦技術分兩種方式：恒溫法和變溫法。恒溫法是利用高溫蒸汽在爐管內高速流動，對焦垢層進行強烈沖刷，在高溫下與焦炭發生化學反應。此方法常用于爐管結焦時間較短的加熱爐，主要清除管內的較軟焦層[1]。當爐管內結焦時間過長，焦垢層較為堅硬，采用恒溫法成效不大，一般采用變溫法燒焦，其原理是利用焦垢層與爐管材質的熱膨脹系數不同，通過快速升高及降低爐管溫度，使得焦垢從爐管內壁剝離。變溫法燒焦一般持續時間較長，頻繁的升降溫過程中，爐管外壁容易出現氧化爆皮現象；且因燒焦溫度控制困難，易發生過燒現象，嚴重時會將爐管燒穿；同時燒焦過程還會產生大量廢氣、廢物，對周邊環境產生不利影響。

2.2 機械清焦技術

機械清焦技術其原理是利用爐管兩端的水壓差將帶金屬釘的清焦球(Pig球)從發射器端推向接收器端，當清焦球抵達接收器端后，通過改變水壓方向使其返回。在正、反向水壓下，清焦球通過表面凸出的金屬釘對管內壁焦垢進行機械摩擦，將焦垢刮下，從而達到清焦效果。當爐管內焦垢堵塞過大或完全堵塞的情況下，清焦球無法通過，清焦無法實現。

2.3 高壓水射流清焦技術

高壓水射流清焦技術是將帶有高壓噴頭的高壓水槍伸入爐管內，當高壓水射流以一定角度沖擊被清洗面的焦垢時，高壓水射流具有的沖擊作用、擠壓作用、脈沖作用、水楔作用、磨削作用，對爐管內的焦垢層產生沖蝕、滲透、剪切、壓縮、剝離、破碎效果[2]。高壓水射流清焦受連接軟管長度與噴頭限制，不能連續通過多個彎頭，必要時需要切割爐管彎頭進行直接清焦。

3 清焦方式選擇

基于全廠開工在即，不具備長時間清焦條件；爐管結焦時間較長，焦垢可能較為堅硬；沿江企業環保政策較為嚴苛三方面因素，最終不考慮在線燒焦技術，選定Pig球與高壓水射流組合清焦。

4 清焦方案的實施

4.1 機械清焦實施情況

裝置停工后，按照爐管清焦步驟先進行Pig球清焦方案，為確保清焦全面覆蓋第二路爐管，將清焦發射器安裝在對流段第二路爐管入口處，接收器安裝在輻射段出口閥處，拆除對流段彎頭箱管板，形成循環回路。

清焦過程中首先使用直徑為5.08 cm的探測球進行試探，全程通過且帶出一部分焦垢，焦塊最大尺寸接近100 mm，如圖3所示。在清焦球完好通過的前提下，以0.635 cm的大小進行依次遞增，當清焦球直徑達到8.89 cm時，清焦球無法全流程通過。通過增加水壓從而加大推力，接收器處的清焦球破碎較為嚴重，如圖4所示。為避免偶然性事件，連續試驗3次，該尺寸清焦球仍無法全流程通過，判斷爐管某一局部存在較大且堅硬的焦垢。

圖3 焦垢形貌尺寸圖

圖4 清焦球破碎情況

為判斷焦垢所在部位，采取了正、反加壓計時和聽聲辯位二種方法。將清焦球從對流段入口發出，歷經20 s爐管內水壓明顯上升；清焦球從輻射段出口發出，3 min后水壓上升，通過正反加壓，結合水流速度和清焦球卡住時間，計算相應的管程，預估焦垢可能存在于對流段。

由于清焦球經過爐管產生的機械摩擦會發出異響，通過聽聲辯位的方法最終確定結焦點位于對流段從上往下數第二、三排，如圖5所示。

圖5 結焦部位示意圖

將第二、三排爐管彎頭割除，彎頭未見堵塞，將全尺寸泡沫球從對流、輻射段出口發出，泡沫球完好通過，因此結焦部位位于第二、三排右側爐管。從割開的彎頭處觀察爐管內部，發現焦垢位于直管段，且呈坡形狀堵塞約2/3，導致清焦球無法通過，如圖6、圖7所示。

圖6 焦垢形貌圖

圖7 管內結焦示意圖

4.2 高壓水射流清焦實施情況

根據現場焦垢堵塞情況，噴頭選用進口獾豬噴頭，四周分布10個寶石噴嘴，為自進旋轉式噴頭，如圖8所示。

圖8 進口獾豬噴頭

最高可產生瞬時2 800 kg/cm2的沖擊力，清洗時噴頭與高壓軟管相連接，從切割處進入爐管內部，噴頭靠自身的水流噴射產生反推力前進，操作人員位于入口處反復拉扯高壓軟管，從而全方面進行清洗。

5 清洗效果

經高壓水射流清焦后，目測爐管內表面比較光潔，焦垢清除的非常徹底，如圖9所示。采用氬電聯焊恢復爐管彎頭后，將全尺寸泡沫球從對流、輻射段出口發出，泡沫球完好通過，驗證清焦效果良好。

圖9 清焦后爐管內部情形

此次重整裝置熱載體加熱爐清焦采用了機械清焦(Pig球)和高壓水射流組合方式，清焦過程較為順利，先利用機械清焦探測爐管結焦情況并找出結焦點，后利用高壓水射流進行堅硬焦垢的清除，從停爐到開爐僅耗費3天時間。開工后，第二路爐管介質流量、壓降在工藝操作范圍內，出口溫度恢復到工藝要求，達到了預期效果。

6 結 語

機械清焦和高壓水射流清焦在行業中都是較為常見的清焦方式，兩種方式均有各自的優缺點，采用單一方式清焦在特殊情況下有一定局限性，通過對爐管結焦情況的具體分析，采用兩種方式相結合，使得清焦更為徹底，且大大提高清焦效率，縮短了爐管清焦周期，該技術在爐管清焦的廣泛應用中有著借鑒意義，能取得顯著的經濟和環保效益。