柳國(guó)榮

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司煉油部，上海 200540)

中國(guó)石化上海石化股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海石化)1#延遲焦化裝置2000年1月投產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模1 Mt/a；2#延遲焦化裝置2007年12月投產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模1.2 Mt/a。兩套裝置均采用一爐兩塔流程，加熱爐具有多點(diǎn)注汽、雙向燒焦、在線清焦等特點(diǎn)。延遲焦化加熱爐作為裝置的核心設(shè)備，它的長(zhǎng)周期運(yùn)行是影響裝置運(yùn)行周期的關(guān)鍵因素。影響加熱爐長(zhǎng)周期運(yùn)行的因素主要有焦化原料的性質(zhì)、裝置工藝操作條件的選擇和加熱爐燒焦工藝的應(yīng)用等。文章針對(duì)特定的或預(yù)處理后的原料，在良好的工藝操作技術(shù)平臺(tái)下，采用加熱爐燒焦工藝，就影響延遲焦化輻射爐長(zhǎng)周期運(yùn)行的因素及解決方法展開(kāi)探討。

1 焦化原料性質(zhì)的影響

焦化裝置可以處理直餾渣油、裂解焦油、脫油瀝青、煤焦油、澄清油、減黏渣油等多種重質(zhì)、劣質(zhì)原料。這些重質(zhì)原料在熱轉(zhuǎn)化的過(guò)程中都同時(shí)沿著裂解和縮合兩個(gè)方向進(jìn)行，前者是由較大的分子分解成較小的分子，后者則為由較小的分子縮合成較大的分子直至焦炭。焦化加熱爐長(zhǎng)周期運(yùn)行的影響因素幾乎都和焦炭的生成有直接或間接的關(guān)系。焦化原料的性質(zhì)變化不僅影響焦化產(chǎn)品的分布和性質(zhì)，而且會(huì)影響爐出口溫度等，因此需要對(duì)這些主要操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。另外焦化原料的性質(zhì)變化還會(huì)影響加熱爐連續(xù)運(yùn)行周期，在原料性質(zhì)較為惡劣(如瀝青質(zhì)含量高、鹽類(lèi)和其他固體含量較高等)的情況下，加熱爐爐管被燒焦，縮短了加熱爐的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間。

1.1 原料含鹽和固體雜質(zhì)

根據(jù)爐管結(jié)焦機(jī)理分析可知，加熱爐進(jìn)料中的鹽類(lèi)和固體雜質(zhì)會(huì)誘發(fā)成焦先兆體的快速增加，從而導(dǎo)致?tīng)t管結(jié)垢。焦化原料(如渣油)中主要是鈉鹽和鈣鹽，占原油中鹽類(lèi)的大部分，焦化原料要求控制鈉鹽質(zhì)量濃度不超過(guò)50 μg/g，因此實(shí)際操作中煉油裝置在上游常減壓裝置均設(shè)有良好的電脫鹽設(shè)施，以保證脫鹽率在95%以上。

由于煉油廠實(shí)際流程不同，在焦化原料中往往摻有含有不同非溶解性固體雜質(zhì)的回?zé)捰推?，如催化澄清油含有催化劑粉末，這些非溶解性固體雜質(zhì)會(huì)誘發(fā)、加快高溫介質(zhì)成焦先兆體的出現(xiàn)，進(jìn)而在爐管內(nèi)產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象。因此在考慮回?zé)挻呋吻逵汀⑸a(chǎn)優(yōu)質(zhì)石油焦時(shí)，應(yīng)先對(duì)部分含非溶解性固體雜質(zhì)的焦化原料進(jìn)行預(yù)處理，如對(duì)催化澄清油進(jìn)行靜電除塵或自動(dòng)反沖洗的機(jī)械過(guò)濾，以除去催化劑粉末。

1.2 原料的特性

原料的特性(主要指飽和烴/芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù))不同，則它的臨界分解溫度范圍也不同，飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)高則臨界分解溫度低，反之，芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)高則臨界分解溫度高。焦化加熱爐介質(zhì)熱穩(wěn)定性與四組成(膠質(zhì)/瀝青質(zhì)/飽和烴/芳烴)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，當(dāng)瀝青質(zhì)和飽和烴比例(尤其是蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù))增加時(shí)，介質(zhì)的熱穩(wěn)定性下降；當(dāng)芳烴和膠質(zhì)比例增加時(shí)，瀝青質(zhì)和飽和烴比例下降，使介質(zhì)熱穩(wěn)定性上升[1-2]。

當(dāng)焦化介質(zhì)的芳烴比例增加，瀝青質(zhì)比例降低，則焦化轉(zhuǎn)化率可提高, 也就是在已給定的爐子出口溫度下，可以緩和爐管結(jié)焦或者允許有更高的爐出口溫度。所以殘?zhí)恐凳呛饬吭铣山箖A向的主要預(yù)測(cè)指標(biāo)，可作為估計(jì)焦炭收率和允許焦化轉(zhuǎn)化率的依據(jù)。

1.3 摻煉催化油漿

煉廠催化油漿的出路成為目前煉廠總體物料平衡的主要焦點(diǎn)，各煉廠催化裝置產(chǎn)生的催化油漿基本都是選擇進(jìn)焦化裝置摻煉。

1.3.1 催化油漿性質(zhì)

催化油漿與減壓渣油在物理和化學(xué)性質(zhì)上有顯著的差別，這主要是由于催化油漿是減壓蠟油和減壓渣油經(jīng)過(guò)高溫催化裂化反應(yīng)的產(chǎn)物，包含部分未經(jīng)反應(yīng)的各種烴類(lèi)。與減壓渣油相比，催化油漿具有以下特點(diǎn)：

(1)密度高。催化油漿的相對(duì)密度基本都大于1.0，明顯高于減壓渣油的密度。

(2)黏度低。催化油漿的黏度遠(yuǎn)低于減壓渣油的黏度，在100 ℃時(shí)的流動(dòng)性能方面遠(yuǎn)好于減壓渣油。

(3)殘?zhí)康?。催化油漿的殘?zhí)窟h(yuǎn)低于減壓渣油的殘?zhí)?，這與它的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量低有關(guān)。

(4)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。催化油漿的芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本在50%以上，較減壓渣油高5%左右。

(5)餾程窄。催化油漿350 ℃的餾出量為10%左右，而減壓渣油在500 ℃的餾出量只有5%左右。

1.3.2 摻煉催化油漿對(duì)加熱爐影響

焦化裝置摻煉催化油漿前后爐管表面溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 摻煉催化油漿前后爐管表面溫度對(duì)比 ℃

從表1中可以看出：摻煉催化油漿前后輻射段爐管表面溫度平均增加9.5 K，一組二組爐管表面溫度上升趨勢(shì)尤為明顯，最高達(dá)到21.7 K，摻煉催化油漿后明顯加速爐管結(jié)焦速率。

1.3.3 摻煉催化油漿對(duì)收率影響

焦化裝置摻煉催化油漿前后產(chǎn)品分布情況見(jiàn)表2。

從表2中可以看出：焦化裝置摻煉催化油漿后，焦炭收率上升了7.07%，干氣收率上升1.05%，相應(yīng)液體收率降低8.17%，說(shuō)明催化油漿的結(jié)焦傾向高。

表2 摻煉催化油漿前后裝置產(chǎn)品分布情況對(duì)比

續(xù)表2

2 操作條件的選擇

2.1 循環(huán)比的調(diào)整

循環(huán)比作為焦化裝置工藝操作參數(shù)之一，在提高處理量、保證液體產(chǎn)品質(zhì)量和收率、避免爐管結(jié)焦等方面具有重要的作用，因此合理調(diào)節(jié)循環(huán)比不僅有利于工藝操作條件的調(diào)整，還有利于延長(zhǎng)焦化加熱爐運(yùn)行的周期[3]。

原料的性質(zhì)決定了循環(huán)比的降低程度，當(dāng)原料四組成中的瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高時(shí)，原料的結(jié)焦傾向嚴(yán)重，在這種情況下不但不能降低循環(huán)比，反而需要增加循環(huán)比來(lái)改善加熱爐進(jìn)料性質(zhì)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常需要提高液體產(chǎn)品收率而降低循環(huán)比。在一定處理量下循環(huán)比的降低必然導(dǎo)致進(jìn)加熱爐管油品量降低，爐管內(nèi)油品的流動(dòng)狀態(tài)不利于傳熱，滯流內(nèi)層較厚，造成緊靠管壁的油品溫度上升，從而使結(jié)焦情況更容易發(fā)生。應(yīng)該根據(jù)需要適當(dāng)增加注水量或注汽量來(lái)改善油品的流速和流動(dòng)方式，避免爐管過(guò)早出現(xiàn)結(jié)焦。當(dāng)然，隨著循環(huán)比的降低，蠟油的質(zhì)量逐漸變差，尤其是焦化蠟油直接作為催化原料時(shí)要適當(dāng)控制循環(huán)化，防止出現(xiàn)焦化效益提高，但催化效益下降的問(wèn)題，煉廠應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 循環(huán)油品質(zhì)

由于循環(huán)比變化范圍受到一定的限制，因此在保證焦化裝置渣油處理量一定的情況下，如果原料的四組分發(fā)生了變化(實(shí)際生產(chǎn)中原油品種發(fā)生變化)，原料的熱穩(wěn)定性也將隨之發(fā)生變化，為了保證加熱爐的長(zhǎng)周期運(yùn)行，循環(huán)油的品質(zhì)應(yīng)該及時(shí)調(diào)整。

如果原料油的特性因數(shù)降低，說(shuō)明芳烴和膠質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，熱穩(wěn)定性升高，在保證爐管結(jié)焦速率較低的情況下，為提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益，可以適當(dāng)調(diào)整分餾塔低油和重蠟油作為循環(huán)油。原料油的特性因數(shù)升高，說(shuō)明瀝青質(zhì)和飽和烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，熱穩(wěn)定性降低，結(jié)焦傾向明顯，為了保證加熱爐的長(zhǎng)周期運(yùn)行，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整輕蠟油甚至部分柴油作為循環(huán)油來(lái)滿(mǎn)足加熱爐長(zhǎng)周期運(yùn)行操作的需要[4]。

2.3 輻射進(jìn)料流量、注汽量的控制

延遲焦化裝置在低負(fù)荷運(yùn)行情況下，由于爐管內(nèi)平均流量偏低，流速較小，造成渣油在爐管內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，引起爐管內(nèi)壁層流內(nèi)層處的渣油出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象，影響爐子的長(zhǎng)周期運(yùn)行。應(yīng)適當(dāng)加大循環(huán)比提高爐管內(nèi)油品流速，通過(guò)注汽、注水來(lái)改變爐管內(nèi)油品的流動(dòng)型態(tài)。

在偏流的情況下，流量小的管程內(nèi)會(huì)發(fā)生介質(zhì)停留時(shí)間延長(zhǎng)、管壁溫度出現(xiàn)上升等有利于結(jié)焦現(xiàn)象的情況，因此加熱爐操作中應(yīng)盡量保持各管程中進(jìn)料流量和注汽量相同，避免出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，造成管內(nèi)結(jié)焦。

爐管內(nèi)介質(zhì)結(jié)焦速度取決于焦垢生成速度和脫離速度，即：結(jié)焦速度=焦垢生成速度-焦垢脫離速度[5]。

內(nèi)膜溫度(或管壁溫度)和表面熱強(qiáng)度是影響焦垢生成速度的主要因素。在一定質(zhì)量流速下，熱強(qiáng)度增大或內(nèi)膜溫度升高，則生焦速度加快，此時(shí)為了降低結(jié)焦速度，務(wù)必提高焦垢脫離速度，即增加質(zhì)量流速，使之處于高湍流狀態(tài)。所以在爐管入口，尤其在高內(nèi)膜溫度段前注入蒸汽(或凝結(jié)水)有利于焦垢的脫離，但由于注入蒸汽會(huì)導(dǎo)致油分壓降低，氣化率增加，則使氣相和液相的高溫介質(zhì)密度增加、變重，則更易造成爐管內(nèi)介質(zhì)不穩(wěn)定而結(jié)焦，若注水又會(huì)增加輻射段所需熱負(fù)荷從而提高爐膛燃燒熱強(qiáng)度。所以國(guó)外焦化爐及減黏爐設(shè)計(jì)的注汽(或水)量比國(guó)內(nèi)低得多(只有進(jìn)料量的0.3%～0.5%)。另外小幅增加注汽量就會(huì)導(dǎo)致?tīng)t管入口壓力大幅增加，所以應(yīng)該采用高冷油流速(≥2 m/s)。

2.4 加熱爐溫度的控制

在確保爐內(nèi)各管程流量均衡的情況下，輻射室工藝介質(zhì)出爐溫度需嚴(yán)格控制，嚴(yán)禁超溫操作。輻射盤(pán)管設(shè)置的管壁熱電偶應(yīng)連續(xù)監(jiān)測(cè)并記錄管壁溫度，如出現(xiàn)管壁溫度突然升高的情況，應(yīng)立刻檢查火嘴燃燒狀況及輻射進(jìn)料流量、注汽量、工藝介質(zhì)出爐溫度等操作參數(shù)是否正常，并及時(shí)調(diào)整操作。

3 加熱爐燒焦工藝的應(yīng)用

在線清焦顧名思義就是在加熱爐不停工的條件下，對(duì)多管程加熱爐中的某一列管程進(jìn)行通蒸汽清焦，通過(guò)改變蒸汽量和管壁溫度使焦炭剝落，達(dá)到清焦目的。

在線清焦技術(shù)特別適用于加工低熱穩(wěn)定性的重質(zhì)原料以及消除擴(kuò)能瓶頸的低循環(huán)比工況操作條件,可以延長(zhǎng)加熱爐的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，縮短停爐燒焦次數(shù)及停工檢修次數(shù)，從而提高全裝置以至于全廠的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 在線清焦技術(shù)

在線清焦技術(shù)的焦化爐一般采用4管程，以避免對(duì)后續(xù)設(shè)備操作造成太大的影響。操作時(shí)對(duì)其中一管程通入蒸汽，其余3管程正常操作，在線清焦用的蒸汽及清除的焦炭與其余3管程油品一同進(jìn)入焦炭塔。

在線清焦方法有兩種：一是恒溫法，其原理是利用高速流動(dòng)的水蒸氣對(duì)焦垢層的沖刷作用及水蒸氣在高溫下與焦炭發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣，該方法僅可用于結(jié)焦時(shí)間較短的焦化爐，可有效的去除管內(nèi)生成的軟焦層；二是變溫法，其原理是利用爐管金屬與管內(nèi)焦垢層熱膨脹因子的不同，通過(guò)快速升高或降低爐管溫度，使得焦炭層與爐管剝離。當(dāng)管壁溫度達(dá)到630 ℃且持續(xù)3個(gè)月以上時(shí)，管內(nèi)焦層已經(jīng)變硬，采用恒溫法進(jìn)行在線清焦的效果就不理想，此時(shí)應(yīng)當(dāng)采用變溫法。無(wú)論采用何種方法，都必須嚴(yán)格控制管壁溫度不超過(guò)爐管的最高使用溫度，并保證清焦管程的蒸汽壓降大于或等于其他正常操作的3管程的管內(nèi)壓降，以免熱油泄漏到清焦的管程中。在線清焦所需蒸汽量、管壁溫度的升降范圍及速度應(yīng)按照焦化爐實(shí)際爐管規(guī)格、根數(shù)、材質(zhì)進(jìn)行計(jì)算后確定，其操作必須嚴(yán)格按照規(guī)定的步驟進(jìn)行實(shí)施，否則有可能造成爐管堵塞、變形，甚至爐管爆裂等嚴(yán)重事故。

在線清焦技術(shù)特別適用于加工高瀝青質(zhì)、高殘?zhí)康臒岱€(wěn)定性差的重質(zhì)油以及消除擴(kuò)能瓶頸的低循環(huán)比工況操作條件下運(yùn)行的加熱爐。在線清焦技術(shù)可延長(zhǎng)加熱爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，縮短停爐燒焦次數(shù)及停工檢修次數(shù)。一般在線清焦的效果是：爐管表面溫度降低50 K左右，爐管壓降基本恢復(fù)到開(kāi)工時(shí)壓降，清焦后可節(jié)省燃料10%～15%，單爐可連續(xù)運(yùn)行3年。

3.2 雙向清焦

雙向清焦是在加熱爐進(jìn)出口管線分別設(shè)置清焦蒸汽及空氣接管，實(shí)際操作中可由入口至出口進(jìn)行正常清焦。當(dāng)加熱爐靠近爐入口部位管內(nèi)結(jié)焦嚴(yán)重，采用正常方向清焦不能有效清除時(shí)，還可由出口至入口進(jìn)行反向清焦。雙向清焦對(duì)具有在線清焦技術(shù)的雙面輻射焦化爐是十分必要的，尤其對(duì)于重質(zhì)焦化進(jìn)料在低循環(huán)比和超低循環(huán)比條件下運(yùn)行的焦化爐，面臨原料換熱預(yù)熱升溫效果不佳時(shí)，采用在線清焦和雙向在線清焦更為必要。

3.3 加熱爐在線燒焦的應(yīng)用

延遲焦化加熱爐爐管結(jié)焦是個(gè)不可避免的問(wèn)題，加工原料的差異、加熱爐操作要求不同決定加熱爐的結(jié)焦速率和加熱爐的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，國(guó)內(nèi)加熱爐的運(yùn)轉(zhuǎn)周期基本在3～18月。隨著煉油行業(yè)加工重油比例的上升，焦化原料的劣質(zhì)化程度加大，為了在不停爐的情況下，延長(zhǎng)高要求操作條件下加熱爐的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，上海石化兩套延遲焦化裝置在運(yùn)行過(guò)程中均采用加熱爐在線燒焦工藝。

3.3.1 降低爐管表面溫度

在線燒焦工藝可以大幅度降低加熱爐爐管表面溫度。加熱爐燒焦前后爐管表面溫度對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 加熱爐在線燒焦前后爐管表面溫度 ℃

續(xù)表3

由表3可以看出：加熱爐輻射段同等負(fù)荷下溫度由最高的638.1 ℃下降至536.2 ℃,下降101.9 K,最低下降50 K,平均下降72 K。

3.3.2 降低爐管入口壓力

加熱爐燒焦前后對(duì)流段入口壓力對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 加熱爐在線燒焦前后對(duì)流段入口壓力

由表4可以看出：同等負(fù)荷下加熱爐對(duì)流段入口壓力由在線燒焦前的1.13 MPa下降至1.02 MPa，平均下降0.12 MPa，第三組對(duì)流入口壓力最大，下降了0.15 MPa。

4 結(jié)論

(1)影響延遲焦化輻射爐長(zhǎng)周期運(yùn)行的主要因素包括焦化原料(特別是加熱爐進(jìn)料)的性質(zhì)、裝置操作條件的選擇等。

(2)摻煉催化油漿使得延遲焦化輻射爐爐管結(jié)焦速率明顯提高。

(3)采用加熱爐在線清焦工藝可以延長(zhǎng)延遲焦化裝置運(yùn)行周期。