石家莊宋建飛對影響焦化裝置長周期運(yùn)行的幾個問題的分析

1、對影響焦化裝置長周期運(yùn)行的幾個問題的分析石家莊煉油廠焦化車間 谷彥坡1 概論渣油加工有加氫和脫碳兩個途徑。單從節(jié)約石油資源來看，加氫是最佳方案。但加氫工藝對減壓渣油的要求比較苛刻，還要有足夠的氫源和昂貴的設(shè)備，投資和操作費(fèi)用極高。脫碳是從渣油中脫除碳?xì)浔容^高的瀝青質(zhì)和焦炭。延遲焦化是最典型的脫碳工藝，它技術(shù)成熟，對原料適應(yīng)性強(qiáng)，輕質(zhì)油收率高，設(shè)備投資低，是十分重要的渣油輕質(zhì)化的方法。因此，開好延遲焦化裝置，延長焦化裝置的開工周期是我們當(dāng)前一項(xiàng)重要的任務(wù)。我廠是以重油催化裂化為核心、加工深度較大、手段齊全的燃料型企業(yè)。我廠的延遲焦化裝置于1990年動工興建，1992年建成并一次開汽成功，由于種種

2、原因，裝置前后共運(yùn)行20天，于1994年5月第三次開工。第三次開工至今裝置停工四次，運(yùn)行最長的是第九周期，共運(yùn)行386天。下面就對影響焦化長周期運(yùn)行的幾個問題進(jìn)行分析和探討，并提出一些改進(jìn)措施。2 影響焦化裝置長周期運(yùn)行的問題的分析2.1 原料性質(zhì)表-1 任邱渣油及其它原料性質(zhì) 項(xiàng) 目任邱減渣任邱油漿任邱重油 大慶減渣勝利減渣數(shù)據(jù)來源97年標(biāo)定97年標(biāo)定97年標(biāo)定煉油生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯編密度 g/cm30.95261.00570.96750.91820.9799殘?zhí)?%14.067.0113.477.97517.23粘度mm2/s 100435.618.6386.01011441灰分 % 0.1628

3、硫含量 %0.560.500.550.0981.47凝點(diǎn) 462830<350餾出量 %<1.0<18.6<10.0四 組成 分 析 ppm 飽和烴芳 烴膠 質(zhì)瀝青質(zhì)25.7949.4019.832.1026.0342.5629.300.45餾 程 hk 10% 50%310523208462208309433538 重金 v 屬含 cu 量分 fe 析 ni ppm na1.40.039.325.60.3780.09219.60220.12812.5521.300.04518.2222.42總氮%0.407堿氮 ppm427.4固含量 %3.0（任丘重油為任丘減渣和催

4、化油漿的混合物，其中油漿占15%。）焦化原料的來源比較廣，它不象催化裂化裝置那樣對原料的要求比較苛刻。原油經(jīng)一、二次加工以后的c/h比較高的重質(zhì)油都可作為焦化裝置的原料。如減壓渣油、熱裂化渣油、催化裂解渣油和催化裂化油漿等。殘?zhí)渴潜硎居推吩诩庸み^程中的生焦趨勢。殘?zhí)课镏饕羌性?00以上渣油的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)中的稠環(huán)芳烴的骨架結(jié)構(gòu)，是原料經(jīng)裂解縮合反應(yīng)后的凝縮產(chǎn)物?？衫斫鉃闅?zhí)渴窃椭械哪z質(zhì)瀝青質(zhì)生焦化合物的前身。渣油的四組成決定了渣油的性質(zhì)，確定了焦化裝置工藝參數(shù)。硫和重金屬含量的高低，決定了其產(chǎn)品的質(zhì)量，原料中的硫經(jīng)焦化反應(yīng)以后，集中在氣體和焦炭中，一方面對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，另一方面使焦炭的硫含

5、量更高，是原料的11.5倍，重金屬主要沉積在焦炭中。98年3月29日分餾塔底循環(huán)線斷裂和5月9日的焦炭塔安全閥短節(jié)裂紋和就是由于腐蝕造成的。我廠焦化裝置的主要原料是任邱減壓渣油。任邱渣油的飽和烴含量較高殘?zhí)繉僦械?，金屬含量也較低，說明含有較多的易裂解的烴類，為焦化反應(yīng)提供了有利的條件。隨著國家對油品市場的調(diào)整，市場對燃料油的需求量減少，為“吃干榨凈”，于94年8月開始，焦化裝置開始摻煉催化裂化油漿。油漿摻煉初期，由于摻煉的方法不當(dāng)，使原料性質(zhì)發(fā)生了很大變化，再加上未對操作參數(shù)進(jìn)行及時的調(diào)整，因而造成了兩次非計(jì)劃停工。焦化原料中的稠環(huán)芳烴和膠質(zhì)、瀝青質(zhì)是焦化反應(yīng)中生成焦炭的主要物質(zhì)，油品在焦炭塔

6、中的停留時間越長，爐出口溫度越高，此部分物質(zhì)越容易進(jìn)行反應(yīng)，分離越徹底。在油漿摻煉的初期，爐出口溫度控制在492±1，因油漿摻煉沒有一定的控制手段，時常造成摻煉量過大（有時高達(dá)60%）。摻煉量大以后，使原料性質(zhì)發(fā)生變化，芳烴含量增加，使油品的臨界反應(yīng)溫度上升，再加上處理量大，油漿中的輕組分多(如表-1)，因此在爐出口溫度不變的情況下，使焦炭塔的氣體線速增大（0.12米/秒），焦炭塔的泡沫層升高，油品在焦炭塔中反應(yīng)不完全。特別在焦炭塔油氣預(yù)熱時，使大量的反應(yīng)不完全的油氣進(jìn)入預(yù)熱塔。在預(yù)熱塔內(nèi)由于有足夠的停留時間，反應(yīng)不完全的組分進(jìn)行第二次縮合反應(yīng)，使芳環(huán)“長大長胖”，縮合成為膠質(zhì)、瀝青

7、質(zhì)，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成為碳青質(zhì)而沉積在預(yù)熱塔底，將拿油線堵塞而非計(jì)劃停工。根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品質(zhì)量的要求，在油漿摻煉比15%的情況下，不會使原料性質(zhì)發(fā)生大的變化，在其它條件不變的情況下，可保證裝置長周期運(yùn)行。原料性質(zhì)見表-1。2.2 操作條件的影響 影響焦化裝置長周期運(yùn)行的主要操作參數(shù)是溫度、壓力和循環(huán)比。2.2.1 溫度2.2.1.1 爐出口溫度 焦化過程是熱分解和縮合反應(yīng)的綜合過程。既有吸熱反應(yīng)，又有防熱反應(yīng)，綜合結(jié)果為吸熱過程。為此，加熱爐出口的操作溫度（爐出口溫度）明顯地影響著分解和縮合反應(yīng)的深度。溫度低，使生焦反應(yīng)進(jìn)行不完全，生成瀝青狀油焦或軟焦，重?zé)N類不能汽化，嚴(yán)重降低了液體產(chǎn)物的收

8、率，焦炭產(chǎn)率增加，除焦困難。溫度太低，反應(yīng)的油氣向分餾塔提供的熱量不足，影響分餾效果和操作。溫度升高，使焦化反應(yīng)完全，溫度升高，則使?fàn)t管和大瓦斯線提前結(jié)焦，降低開工周期，同時生成的焦炭硬度增加，造成水利除焦困難。爐出口溫度是根據(jù)原料性質(zhì)、產(chǎn)品質(zhì)量等因素而確定的。 焦化反應(yīng)隨著溫度的升高，過程大致如下： 烷烴烯烴二烯烴環(huán)烷烴芳烴稠環(huán)芳烴瀝青質(zhì)焦炭 環(huán)烷烴 原料中各組分裂解和縮合能力為：烷烴>芳烴>膠質(zhì)>瀝青質(zhì) 焦化熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)動力學(xué)方程為: lnk= e/rt+b 式中 k 反應(yīng)速度常數(shù) e 活化能 t 反應(yīng)溫度 b 常數(shù) 爐出口溫度的高低，是根據(jù)原料的臨界反應(yīng)溫度來確定的，而臨

9、界反應(yīng)溫度又是由油品性質(zhì)決定的。見圖1。圖-1、油品特性因數(shù)與其焦炭生成的臨界反應(yīng)溫度的關(guān)系圖 從上圖可看出，原料的性質(zhì)不同，其臨界反應(yīng)溫度就不同，隨著k值的增加，臨界反應(yīng)溫度相對減小。我廠所加工的任邱原油的k值為11.7左右，其臨界反應(yīng)溫度區(qū)間為430460，爐出口溫度選擇為490500較合適，否則如果爐出口溫度過高或過低，都對焦化反應(yīng)和開工周期不利。在實(shí)際操作中，開工初期爐出口溫度選擇為493±1，隨著開關(guān)周期的延長，熱偶套管部分結(jié)焦，爐出口溫度控制為491±1較為合適。2.2.1.2 焦炭塔出口溫度 影響裝置開工周期的另一個溫度是焦炭塔出口溫度。焦炭塔出口溫度越高，容

10、易造成霧沫夾帶，將焦炭塔中的泡沫帶入大瓦斯線和分餾塔底，使大瓦斯線和分餾塔底結(jié)焦，降低裝置的開工周期。尤其是在大處理量生產(chǎn)時，焦炭塔空高小，相對于泡沫層高，焦炭塔出口溫度更需嚴(yán)格控制。控制焦炭塔出口溫度的方法是向塔頂瓦斯出口打急冷油，我廠是用柴油和焦化污油作急冷油的，出口溫度控制為425。2.2.2 操作壓力 在溫度確定以后，系統(tǒng)壓力直接影響著產(chǎn)品的收率。提高焦炭塔的壓力可使較多的重質(zhì)烴類殘留在焦炭塔內(nèi)不易逸出，增加了裂解縮合的機(jī)會，因而蠟油收率減少焦炭產(chǎn)率增加，由于氣象烴類在焦炭塔內(nèi)停留時間加長，進(jìn)一步二次裂化反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生更多的氣體、汽油、柴油。在低壓操作時，可克服上述不利因素，可多產(chǎn)蠟油餾

11、分。目前我廠操作壓力為0.190.20mpa。2.2.3 循環(huán)比當(dāng)反反應(yīng)溫度、壓力恒定以后，循環(huán)比直接影響著分餾塔蠟油干點(diǎn)，影響產(chǎn)品的比例和操作費(fèi)用。當(dāng)裝置原料不足或希望多產(chǎn)輕油時宜采用大循環(huán)比。表-2、我廠焦化裝置的主要操作參數(shù)與其他廠比較 操 作 條 件石家莊勝 利荊 門石油二廠茂 名錦 州原料任丘渣油勝利渣油大慶渣油沈北渣油原料進(jìn)裝置溫度 98290148119（爐2）82120對流入口溫度 225290148170105185對流出口溫度 245328301300340輻射入口溫度 357367375364380367輻射出口溫度 493494498496497497爐膛平均溫度 79

12、5705830765790700焦炭塔出口溫度 423分餾塔蒸發(fā)段溫度378380388381350378焦炭塔頂壓力 mpa0·2循環(huán)比0·160·270·190·350·12.3 加熱爐焦化加熱爐是焦化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)轉(zhuǎn)的好壞直接影響焦化裝置的開工周期。焦化加熱爐的停工受爐管結(jié)焦的影響。焦化加熱爐爐管結(jié)焦的原因有如下幾個：2.3.1 a. 原料中的金屬鹽等在雜質(zhì)在溫度升高時沉降在爐管表面。 b. 輕度裂化發(fā)生在爐管內(nèi)，加速了焦炭塔在爐表面的形成。 c. 夾帶著焦粉的的循環(huán)油返回到加熱爐，特別是當(dāng)未控制好焦炭塔內(nèi)泡沫層高度時，可

13、加重爐底的結(jié)交。 d. 加熱爐操作不穩(wěn)，如爐膛火焰變壞，燃燒不均勻，局部過熱；輻射進(jìn)料量不穩(wěn)或斷量；注水不足或注水中斷。 e. 燃料性質(zhì)變化大。2.3.2 爐結(jié)焦的因素 原料性質(zhì)、輻射爐管管外熱強(qiáng)度的大小及分布、邊界底層溫度、渣油在焦化爐爐管內(nèi)的熱轉(zhuǎn)化深度及管內(nèi)截面真實(shí)流速及流型決定了爐管結(jié)焦速率的大小。焦化爐管內(nèi)由于注水及輕質(zhì)油的平衡化，實(shí)際處于兩相流動狀態(tài)。對于平衡管，兩相流有以下幾種形式： 圖-2 水平管兩相流動的不同流動形式 顯然，管內(nèi)流程是導(dǎo)致爐管結(jié)焦厚度在周向產(chǎn)生差異的原因。由于兩相流流型主要取決于汽液相流速，除溫度、壓力及原料物性外，汽液相流速主要與輻射油及注水量有關(guān)。因此在操作

14、中，通過調(diào)整注水量來控制管內(nèi)的流型，使處在高溫區(qū)結(jié)焦比較嚴(yán)重的爐管處于噴霧狀態(tài)，對延緩爐管的結(jié)焦很有利。在今年五月份焦化裝置停工以后，雖然裝置運(yùn)行了將近400天，但爐管結(jié)焦不是很厚（最大3mm左右），說明上周期注水量合適。上周期注水量約占輻射量的1.58%左右。表-3 我廠加熱爐現(xiàn)狀與其他廠相比較項(xiàng) 目石家莊勝利石油二廠錦州設(shè)計(jì)熱負(fù)荷mw15.75718.60820.934（爐2）23.795實(shí)際最大熱負(fù)荷 mw23.485爐型立式無焰爐立式立式輻射管規(guī)格mm/根數(shù)127×10/4127×10127×12127×10/84輻射段加熱面積m23823293

15、66482管心距 mm250203250材質(zhì)cr5mocr5mocr5mocr5mo對流管規(guī)格mm/根數(shù)127×8/112127×10/62102×8/152127×8/120過熱蒸汽管規(guī)格mm/根數(shù)127×8/8102×8/10127×8/16注水管規(guī)格mm/根數(shù)60×6/6460×4/56102×10/2060×6/192煙氣回收形式熱管熱管廂式熱管火嘴形式eri-1梅花a火嘴數(shù)量161002424 表-4 我廠焦化加熱爐主要操作條件及其它廠對比 項(xiàng) 目石家莊勝利煉廠石油二廠錦州設(shè)

16、計(jì)加工 萬噸/年4080100100入爐流量t/h一臺二臺三臺二臺處理量 萬噸/年42.378.3387.92100.67原料流量 t/h6050/臺55/1 64/2120入輻射溫度 364367/1 358/2341/1 364/2367輻射出口溫度 493494499/1 496/2497循環(huán)比0.160.270.1注水量 t/h1.582.0/單爐1.8/單爐3.36/單爐注水占進(jìn)料比 %2.253.172.382.51圖-3 我廠焦化加熱爐改造前后流程圖2.4 1997年我們對廠加熱爐進(jìn)行了部分改造，改造的內(nèi)容如下：2.4.1 輻射管的進(jìn)料方式進(jìn)行了調(diào)整。原來進(jìn)料方式是高進(jìn)下出，現(xiàn)改

17、為底進(jìn)中出，焦化油從底部第一根爐管進(jìn)入加熱爐的輻射段，從第八根出輻射室，由爐外轉(zhuǎn)油線再從輻射頂部的第二排遮壁管進(jìn)入輻射管，再從第九根爐管出輻射室。注水可從第一根爐管和遮壁管分別注入。2.4.2 火嘴進(jìn)行了更換。將原來的火嘴更換為洛陽設(shè)備研究所研制生產(chǎn)的焦化爐專用燃燒器（eri-1）。2.4.3 注水管進(jìn)行了調(diào)整。注水管由原來的十四排140根減少為四排56根。2.4.4 空氣預(yù)熱器的熱管進(jìn)行了改造。將頂部的四排鋼水熱管改為鋼萘熱管。2.4.5 加熱爐取消了火墻。2.4.6 增加了管壁和堵頭熱電偶。2.5 改造后的效果2.5.1 采用底進(jìn)中出的進(jìn)料方式，可使?fàn)t管內(nèi)介質(zhì)的高溫區(qū)和管壁外的輻射熱的高溫

18、區(qū)相對應(yīng)，使?fàn)t管內(nèi)介質(zhì)的取熱更加合理，可有效地防止?fàn)t管結(jié)焦。2.5.2 更換了燃燒器以后，改燒高壓瓦斯，全年可節(jié)省蒸汽5000噸。2.5.3 解決了以前注水不足的問題，但帶來的新問題是注水溫度降低，增加了輻射段的熱負(fù)荷。2.6 加熱爐存在的問題及改進(jìn)設(shè)想2.6.1 過?？諝庀禂?shù)偏高 氣體燃料易于空氣混合均勻，大量的資料表明，對一般的燒氣火嘴，過?？諝庀禂?shù)在1.11.2左右及能保證完全燃燒，燃料量不變，當(dāng)過?？諝庀禂?shù)從1.1達(dá)到1.5，加熱爐內(nèi)空氣流量的變化情況及新增過?？諝庠谳椛涫覂?nèi)的吸收熱量（從140800）見表-5。表-5 過?？諝庀禂?shù)大小與瓦斯量、空氣量和能耗的關(guān)系kg/h增量,kg/h

19、nm3/h增量,nm3/h能耗增量,kw 過?？諝庀禂?shù)=1.131758.61024530.8600過?？諝庀禂?shù)=1.234645.762887.1526760.942230.08531.96過?？諝庀禂?shù)=1.337532.905774.2928991.024460.161063.91過?？諝庀禂?shù)=1.440420.058661.4431221.106690.241595.87過?？諝庀禂?shù)=1.5 43307.2011548.5933451.188920.312127.83 標(biāo)定實(shí)測過?？諝庀禂?shù)為1.46，過?？諝庀禂?shù)除了減少煙氣帶走的熱量外，還可以減少電機(jī)的功耗，同時，由于過?？諝庀禂?shù)的降低

20、，導(dǎo)致輻射室煙氣溫度上升，也有利于輻射室的輻射傳熱，煙氣中氧氣含量的降低還有利于減少爐管表面的氧化。理論上導(dǎo)致過?？諝庀禂?shù)過高的原因可能有： （1）火嘴處需要較多的過剩空氣才能使燃料完全燃燒； （2）爐體的漏風(fēng)（爐膛為負(fù)壓）； （3）過?？諝鉁y量不準(zhǔn)； （4）操作中閥門開度過大。 其中（2）、（4）可能是使過剩空氣系數(shù)過大的主要原因，為此需要解決爐體的漏風(fēng)問題。2.6.2 存在著偏流和偏燒 上一周期，存在著偏流和偏量的問題，尤其是在末期更加明顯。北側(cè)火明顯偏大，但爐出口溫度還低。本周期開工后，將輻射入口的兩塊孔板進(jìn)行了調(diào)換，還未發(fā)現(xiàn)有偏燒和偏量的問題。2.6.3 爐頂遮蔽管未充分利用 由實(shí)測數(shù)

21、據(jù)可知，油品在遮蔽管內(nèi)溫升達(dá)32.6，每根爐管溫溫升達(dá)5.43，因此若將目前未利用的4根爐管充分利用起來可使溫升10以上。2.6.4 注水溫度過低的問題 分餾塔底溫度為380，目前注水溫度為209（液相），注水后油品溫度降至365.8，溫降達(dá)14.2，大大增加了爐管熱負(fù)荷，將注水溫度從現(xiàn)在的操作值提升到設(shè)計(jì)溫度310（氣），吸收熱量變化的情況見表-6。 為了得到爐管結(jié)焦實(shí)測數(shù)據(jù)，在廠領(lǐng)導(dǎo)和車間的大力支持下，實(shí)測了南側(cè)關(guān)鍵部位爐管的結(jié)焦重量和體積，實(shí)測數(shù)據(jù)見圖2.21和表2-18至2-20，由于實(shí)測數(shù)據(jù)偏少，在另一生產(chǎn)廠家補(bǔ)測的數(shù)據(jù)見表2-21，報廢爐管剖面結(jié)焦情況見下圖。在停工充分掃線的情況下

22、，焦層仍含1-9%的重油，表明開停工會增加爐管結(jié)焦量的。爐管向火面下部結(jié)焦嚴(yán)重，控制管內(nèi)流型和操作的平穩(wěn)是非常重要的。表-6 注水量和注水溫度和處理量的關(guān)系現(xiàn)流量60萬噸/年2%注水60萬噸/年3%注水55萬噸/年2%注水55萬噸/年3%注水流量，kg/h10581500225013752063209焓kw263.45373.52560.28342.39513.591mpa流速，m/s16.4423.3134.9721.3732.66310焓kw833.31181.431772.151082.981623.471mpa流速，m/s19.8928.2042.3025.8538.78吸熱量 kw5

23、69.85807.911211.87740.581110.88 從提高處理量的角度，建議利用目前本裝置的低溫?zé)幔岣吣壳暗淖⑺疁囟雀淖⑺疄樽⑵?.6.5 爐體的保溫問題與爐管周向傳熱均勻性 去年在標(biāo)定過程中，利用表面熱流計(jì)，對焦化爐爐體的散熱情況進(jìn)行了測定，結(jié)果見表-7。表-7 97年標(biāo)定散熱損失 日 期項(xiàng) 目6月5日6月6日平均熱流強(qiáng)度kcal/m2h11841289.25kw/m21.3771.5總散熱損失kcal/h738816804492kw859.25936.00散熱損失與總發(fā)熱量之比%3.664.0 一般爐體的散熱損失占總發(fā)熱量的13%，在夏天其散熱量即超過一般標(biāo)準(zhǔn)，說明有必要加

24、強(qiáng)爐體的保溫。 在輻射室，燃料發(fā)出熱量的90%以上是靠輻射方式傳給管內(nèi)的：如果輻射熱流量為1，在管間距為2的條件下，從理論上可以分析出直接輻射給單排管的熱量為0.658,如果爐墻散熱損失為0，則反射給熱量為1-0.658=0.342，正對于爐膛最大點(diǎn)熱強(qiáng)度如為1，則正對于爐墻的最小熱強(qiáng)度則為0.342,如果燃料發(fā)熱量的4%被爐墻散失,則，則正對于爐墻的最小熱強(qiáng)度變?yōu)?.302，正對于爐墻的半園面利用率約下降11.7%?；?，如果將散熱損失從目前的4%降至3%，2%，1%則正對于爐墻半園面利用率可上升2.92%，5.85% ，8.77%。2.6.6 爐管局部過熱問題標(biāo)定前在輻射爐管關(guān)鍵部位增設(shè)了壁

25、溫測定，關(guān)鍵部位溫度測定結(jié)果已接近c(diǎn)r5mo爐管的使用上限(600-650)，建議將這幾根爐管換成耐高溫的mo25ni20爐管（使用溫度可達(dá)1000）。2.7 焦炭塔 焦炭塔系統(tǒng)對長周期的影響主要表現(xiàn)在泡沫層高度和大瓦斯線結(jié)焦上。泡沫層的高度是由原料性質(zhì)、爐出口溫度、處理量所決定的。原料中的芳烴含量越高，泡沫層越高，泡沫層的高度還和爐出口溫度成反比，和處理量成正比。 我廠焦炭塔原設(shè)計(jì)是帶堵焦閥的，在1995年檢修時，我們?nèi)∠硕陆归y，新增設(shè)了甩油罐，改變了油氣預(yù)熱的流程，使油氣自下而上預(yù)熱，可避免因甩油不凈引起突沸將焦粉帶入分餾塔。 95年8月，在焦炭塔上還安裝了中子料位計(jì)，用來檢測泡沫層和焦炭的高度，可很好的指導(dǎo)生產(chǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累，正常操作條件下，任丘減渣生焦的泡沫層高度為5.5米左右，而摻煉15%的催化油漿以后，泡沫層高度為6米左右。2.8 分餾塔 對分餾塔首先要滿足產(chǎn)品分割的要求，提高產(chǎn)品的收率，同時在取熱上盡量利用分餾塔下部高溫位的熱量，