焦炭塔中間孔道模型放熱模式考察

王蘭娟，張文鐘，肖家治

（1.中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；2.勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司）

焦炭塔是延遲焦化裝置的核心設(shè)備，也是煉油廠所有壓力容器中使用環(huán)境最差的設(shè)備之一。關(guān)于焦炭塔內(nèi)的焦層結(jié)構(gòu)，波霍金柯［1］對(duì)側(cè)向和軸向進(jìn)料方式下焦炭在焦炭塔內(nèi)的形成及物料流動(dòng)情況進(jìn)行了研究；美國(guó)Great Lakes Carbon公司通過(guò)對(duì)針狀焦樣品和由焦炭塔底部切下的焦炭塊的研究，提出“焦炭塔里樹(shù)樣結(jié)構(gòu)”的孔道分枝理論［2－4］；國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)為焦炭由塔壁向中心延伸，在中心形成進(jìn)料通道［5］，作者曾運(yùn)用控制容積法對(duì)中間孔道焦層模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算［6］。本課題主要考察不同放熱模式對(duì)焦層放熱速率及冷焦水汽化量的影響，為焦化裝置大型化和縮短生焦周期提供技術(shù)支撐。

1 中間孔道焦層模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)生焦機(jī)理的解釋及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，焦炭塔內(nèi)的焦層結(jié)構(gòu)如圖1所示，可概括為：①塔內(nèi)存在中間孔道和分支孔道，中間孔道是冷焦水和汽化蒸汽上升的主要通道。②冷焦水和汽化蒸汽沿中間孔道上升過(guò)程中，少量水和蒸汽也會(huì)進(jìn)入分支孔道。③焦層內(nèi)的焦炭為多孔熔融狀物質(zhì)，孔內(nèi)存在殘余油氣。

中間孔道焦層模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，焦層中間孔道直徑d參考現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)值。當(dāng)焦炭塔直徑為5.6m時(shí)，d為300～400mm；當(dāng)塔徑為9.4m時(shí)，d為500～600mm。本課題忽略冷焦水在焦層微孔內(nèi)部的汽化，并假定給水冷焦之前殘余油氣已被蒸汽全部帶走。

圖1 焦層基本結(jié)構(gòu)

圖2 中間孔道焦層模型結(jié)構(gòu)

2 中間孔道焦層模型的求解

2.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分有很多種，本課題采用均勻網(wǎng)格。網(wǎng)格大小和時(shí)間步長(zhǎng)的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大。從結(jié)果精度和計(jì)算時(shí)間兩方面綜合考慮，確定了含焦焦炭塔溫度場(chǎng)計(jì)算程序合理的網(wǎng)格參數(shù)，即徑向劃分188個(gè)網(wǎng)格，軸向劃分50個(gè)網(wǎng)格，時(shí)間步長(zhǎng)1min。

2.2 初始條件

考慮到焦層內(nèi)側(cè)受到吹汽階段過(guò)熱蒸汽3h的沖刷，取內(nèi)側(cè)軸向初始溫度等于吹汽階段過(guò)熱蒸汽溫度。

考慮到焦層外側(cè)緊貼焦炭塔壁且導(dǎo)熱良好，取外側(cè)初始溫度與吹汽過(guò)程結(jié)束時(shí)塔壁溫度相等且軸向線性分布。

初始時(shí)刻焦層徑向溫度場(chǎng)采用穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分布。

2.3 焦層物性參數(shù)

焦層物性參數(shù)主要包括焦炭的導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱容cp及密度ρ。這3個(gè)參數(shù)均沒(méi)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道，只能參考煙煤煉焦得到的焦炭物性［7－8］，即導(dǎo)熱系數(shù)取1.33W／（m·℃），比熱容取1.136×103J／（kg·℃），密度取850kg／m3。

2.4 結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)

某煉油廠焦炭塔結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，焦炭塔安裝下、中、上3個(gè)塔壁熱電偶，給水冷焦過(guò)程中塔壁降溫曲線見(jiàn)圖3。本課題重點(diǎn)研究CE段，包括小給水全過(guò)程和大給水過(guò)程，共2h。CE段下部和中部熱電偶降溫迅速，源于冷焦水溫度低、并伴有汽化過(guò)程；冷焦水先與下部熱電偶區(qū)域接觸，換熱后再與中部熱電偶區(qū)域接觸，因此下部熱電偶溫度低于中部熱電偶溫度；CE段上部熱電偶降溫不明顯，源于該位置主要與汽化蒸汽換熱，傳熱效果差。

表1 某煉油廠焦炭塔結(jié)構(gòu)參數(shù) m

放空操作時(shí)，自焦炭塔頂部放空的蒸汽和油氣進(jìn)放空塔，與頂循環(huán)油接觸冷卻，大部分油氣和少量蒸汽冷卻至塔底，待液面到一定高度時(shí)甩油出裝置；少量油氣和大部分蒸汽從塔頂出來(lái)，經(jīng)空冷器、水冷器冷卻到油水分離器分層，上層為污油，下層為含硫污水。根據(jù)該煉油廠液位控制的污水流量DCS圖，現(xiàn)場(chǎng)采集了5個(gè)典型周期放空系統(tǒng)污水流量。結(jié)果表明，污水流量最大點(diǎn)主要集中在小給水階段初期0～0.5h，給水階段冷凝水流量范圍4～15t／h，最大流量范圍7～15t／h。

圖3 降溫階段時(shí)間分配示意

焦炭塔放空過(guò)程中小給水、大給水階段的冷焦水汽化量及對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)操作給水量對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)：小給水階段冷焦水汽化量是5～15t／h，小于現(xiàn)場(chǎng)給水量（20～60t／h）；大給水階段冷焦水汽化量是4～15t／h，明顯小于現(xiàn)場(chǎng)給水量（200～300t／h），說(shuō)明冷焦水整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有完全汽化。即使在焦層溫度較高的給水初期也沒(méi)有完全汽化，這為后面給水冷焦過(guò)程的模型結(jié)果分析提供了參考數(shù)據(jù)。在大給水時(shí)間3～5h或塔頂溢流水出口溫度達(dá)到100℃以下時(shí)，停泵進(jìn)入泡焦階段。在除焦前1.5h打開(kāi)塔頂揮發(fā)線上的呼吸閥向沉降池放水。

表2 放空過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)給水量與汽化蒸汽量對(duì)比

2.5 邊界條件

邊界條件說(shuō)明熱體邊界上導(dǎo)熱過(guò)程的特點(diǎn)，反映與周圍環(huán)境相互作用的條件。常見(jiàn)的邊界條件分為3類［9］：①第一類邊界條件：規(guī)定邊界上的溫度值。②第二類邊界條件：規(guī)定邊界上的熱流密度值。③第3類邊界條件：規(guī)定邊界上物體與周圍流體間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k和周圍流體的溫度tf。

不同的放熱模式對(duì)應(yīng)不同的邊界條件，本課題考察了中間孔道焦層模型的3種放熱模式：壁溫給定模式、絕熱模式和沸騰給熱模式。

2.5.1 壁溫給定模式的邊界條件 ①內(nèi)邊界取第一類邊界條件，等于與塔頂壓力對(duì)應(yīng)的冷焦水汽化溫度；②上邊界取第一類邊界條件，等于與塔頂壓力對(duì)應(yīng)的冷焦水汽化溫度；③外邊界取第一類邊界條件，等于現(xiàn)場(chǎng)焦炭塔塔壁熱電偶溫度；④下邊界取絕熱邊界。

2.5.2 絕熱模式的邊界條件 ①內(nèi)邊界取第一類邊界條件，等于與塔頂壓力對(duì)應(yīng)的冷焦水汽化溫度；②上邊界取第一類邊界條件，等于與塔頂壓力對(duì)應(yīng)的冷焦水汽化溫度；③外邊界取絕熱邊界；④下邊界取絕熱邊界。

2.5.3 沸騰給熱模式的邊界條件 ①內(nèi)邊界和上邊界都是取第三類邊界條件，計(jì)算時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)取2500～25000W／（m2·℃）［10］，流體主體溫度取塔頂壓力對(duì)應(yīng)的飽和水溫度［11］；②外邊界取第一類邊界條件，等于現(xiàn)場(chǎng)塔壁熱電偶溫度且線性分布；③下邊界取絕熱邊界。

3 冷焦水汽化量計(jì)算結(jié)果分析

以Visual Basic為平臺(tái)，編制了中間孔道焦層模型含焦焦炭塔溫度場(chǎng)計(jì)算程序。主要包括網(wǎng)格劃分、初值給定、計(jì)算及輸出結(jié)果四部分。運(yùn)用控制容積法對(duì)中間孔道焦層模型的3種放熱模式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析，得到不同時(shí)刻不同部位焦層溫度場(chǎng)，將所有小微元降溫放熱量疊加得到焦層整體放熱速率Q整體。在相同的初始條件和物性參數(shù)下，3種放熱模式下的不同時(shí)刻焦層整體放熱速率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。同時(shí)，根據(jù)焦層降溫放熱量等于冷焦水吸熱汽化量的事實(shí)，得到3種放熱模式下的冷焦水汽化量，作為現(xiàn)場(chǎng)冷凝水流量的對(duì)比參數(shù)。不同時(shí)刻冷焦水汽化量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

3種放熱模式中，焦層整體放熱速率存在相同的規(guī)律，即隨著給水時(shí)間的增加，焦層整體放熱速率呈減小趨勢(shì)，且開(kāi)始時(shí)減小很快，后來(lái)減小緩慢。壁溫給定模式的冷焦水汽化量為1.42～12.17t／h，絕熱模式為0.12～0.44t／h，沸騰給熱模式為1.39～11.98t／h。與現(xiàn)場(chǎng)冷凝水實(shí)際產(chǎn)生量（4～15t／h）相比，絕熱模式的結(jié)果則相差太大，說(shuō)明中間孔道焦層模型中絕熱外邊界的假設(shè)不合理。壁溫給定模式和沸騰給熱模式的汽化量最大值出現(xiàn)在計(jì)算初始時(shí)刻，也就是給水開(kāi)始后的10min，符合現(xiàn)場(chǎng)冷凝水產(chǎn)生量最大點(diǎn)主要集中在給水開(kāi)始后的0～0.5h的規(guī)律。

圖4 3種放熱模式下的焦層整體放熱速率

圖5 3種放熱模式下的冷焦水汽化量

4 結(jié) 論

假定焦炭塔成型焦層為中間孔道結(jié)構(gòu)，根據(jù)焦層降溫放熱量等于冷焦水汽化吸熱量，對(duì)中間孔道焦層模型的壁溫給定、絕熱和沸騰給熱3種放熱模式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析的結(jié)果表明：由壁溫給定模式和沸騰給熱模式計(jì)算所得冷焦水汽化速率接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值；絕熱模式的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值存在較大的偏差。

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