裂解爐燒焦過程的動(dòng)態(tài)模擬

諸澤人，吳志光

（中國(guó)石化 廣州分公司，廣東 廣州 510726）

工業(yè)技術(shù)

裂解爐燒焦過程的動(dòng)態(tài)模擬

諸澤人，吳志光

（中國(guó)石化 廣州分公司，廣東 廣州 510726）

以某乙烯裝置USC-28型加氫尾油裂解爐為對(duì)象，根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、物料衡算、熱量守恒和動(dòng)量守恒等對(duì)裂解爐的蒸汽-空氣燒焦過程進(jìn)行了模擬，得到了溫度、壓力、物料濃度和焦炭厚度隨時(shí)間和空間變化的動(dòng)態(tài)燒焦模型；采用隱式差分Wendroff格式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并通過工業(yè)中試裝置對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，裂解爐出口處CO2含量的模擬值與實(shí)際值的變化趨勢(shì)基本相同，證明了模型的可靠性。通過對(duì)模型的分析，得到燒焦過程的影響因素為空氣流量、裂解爐出口處管壁溫度和燒焦時(shí)間，并提出了改進(jìn)燒焦工藝的方法。該模型為實(shí)際燒焦過程的操作提供了參考，并為后續(xù)先進(jìn)燒焦技術(shù)的開發(fā)提供了基礎(chǔ)。

裂解爐；燒焦；動(dòng)態(tài)模擬；乙烯

裂解爐是乙烯裝置的重要設(shè)備之一，它的運(yùn)行情況直接影響整個(gè)裝置的能耗、物耗及穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)。在烴類熱裂解過程中焦炭沉積在裂解爐爐管內(nèi)壁，使得裂解爐運(yùn)行能耗增加、裂解選擇性降低、爐管表面溫度升高。因此，需要定期停止生產(chǎn)對(duì)裂解爐進(jìn)行燒焦。目前，國(guó)內(nèi)外乙烯裝置裂解爐輻射段的主要清焦方法有蒸汽-空氣燒焦、蒸汽燒焦等方法，并已實(shí)現(xiàn)在線清焦［1-3］。中國(guó)石化北京化工研究院開發(fā)了快速燒焦技術(shù)，該技術(shù)節(jié)能降耗效果顯著，已實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用［2-3］。School等［4］曾對(duì)乙烷裂解爐的蒸汽-空氣燒焦過程進(jìn)行研究，揭示了燒焦氣體流量和組成恒定條件下的燒焦規(guī)律。Heynderickx等［5-8］在此基礎(chǔ)上，增加了內(nèi)擴(kuò)散傳質(zhì)對(duì)反應(yīng)的影響，仍在燒焦氣體流量和組成恒定的條件下模擬了燒焦過程。

本工作在前人工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)某乙烯裝置USC-28型加氫尾油裂解爐，建立了蒸汽-空氣燒焦機(jī)理模型，并在工業(yè)中試裝置上進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 燒焦反應(yīng)機(jī)理模型的建立

1.1 USC-28型裂解爐的燒焦方法

某乙烯裝置USC-28型裂解爐采用28組1-1構(gòu)型的輻射段爐管，廢熱鍋爐采用線性廢鍋（U型），設(shè)計(jì)原料為石腦油或輕柴油，乙烯產(chǎn)量35 kt/a，2008年進(jìn)行了加氫尾油裂解適應(yīng)性改造。本工作研究的是輻射段爐管的清焦工藝，具體燒焦程序如下：

1）控制裂解爐輻射段出口溫度（COT）為800℃，維持COT溫度控制模式為手動(dòng)狀態(tài)。分兩部分加入稀釋蒸汽，一部分通入到原料預(yù)熱盤管中，流量為3 000 kg/h；另一部分通入到稀釋蒸汽盤管中，流量為6 530 kg/h。

2）通入流量為稀釋蒸汽總流量l%的空氣，裂解爐兩側(cè)的空氣流量約為93 kg/h。

3）監(jiān)測(cè)裂解爐輻射段爐管外壁表面溫度，查找局部過熱點(diǎn)。如果發(fā)現(xiàn)輻射段爐管外壁表面溫度過高，接近最大限制值時(shí)，應(yīng)減少空氣流量，直到輻射段爐管外壁表面溫度降低。

4）控制COT升高幅度不超過15 ℃，否則應(yīng)暫時(shí)減少空氣流量，并檢查CO2的含量，使其在干氣相中的含量低于10%（φ）。

5）將空氣流量逐漸增至稀釋蒸汽總流量的5%，在此期間，密切監(jiān)測(cè)輻射段爐管外壁表面溫度及燒焦尾氣中CO2的含量。

6）監(jiān)控?zé)骨闆r，若沒有出現(xiàn)輻射段爐管局部過熱的現(xiàn)象，則可在4 h內(nèi)逐漸將COT增至850℃，并檢查輻射段爐管外壁表面溫度和燒焦尾氣中CO2的含量。

7）若仍未出現(xiàn)輻射段爐管局部過熱現(xiàn)象，即可在5 h內(nèi)將空氣流量逐漸提高至稀釋蒸汽總流量的20%，同時(shí)監(jiān)測(cè)輻射段爐管外壁表面溫度和燒焦尾氣中CO2的含量。

8）每間隔30 min采集燒焦尾氣試樣進(jìn)行分析，若CO2含量持續(xù)低于0.2%（φ），則可認(rèn)為燒焦結(jié)束。

1.2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程

采用蒸汽-空氣燒焦法對(duì)裂解爐進(jìn)行燒焦時(shí)，爐管內(nèi)的反應(yīng)如下［4］：

燒焦過程中，可用反應(yīng)（1）近似替代反應(yīng)（2）和（3）的連串反應(yīng)。相對(duì)于焦炭與O2的反應(yīng)，焦炭與CO2的反應(yīng)速率很慢，且在實(shí)際燒焦工藝條件下，反應(yīng)（4）和（5）的反應(yīng)速率非常慢，蒸汽主要起稀釋空氣同時(shí)帶走焦炭燃燒釋放的熱量的作用，所以在模擬過程中反應(yīng)（4）和（5）忽略不計(jì)。反應(yīng)（1）中的ΔH1=393.5 kJ/mol，焦炭氧化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程［9］為：

1.3 數(shù)學(xué)模型的建立

對(duì)裂解爐輻射段爐管內(nèi)壁的焦炭層建立微元體模型，如圖1所示。通過對(duì)生產(chǎn)裝置的實(shí)際檢測(cè)得到：初始焦炭層厚度沿管壁逐漸增加，且近似呈線性分布。假設(shè)初始焦炭層厚度沿管長(zhǎng)均勻分布，在與流動(dòng)方向垂直的管截面上取長(zhǎng)度為dz的微元體，它的截面積A=π（di/2-δ）2，與管中氣體接觸表面積dS=π（di-2δ）dz。

圖1 爐管微元體Fig.1 A micro-element of cracking furnace coil.

對(duì)圖1 所示的微元體進(jìn)行物料衡算，得到O2的物料衡算方程［9］：

焦炭的物料衡算方程：

經(jīng)計(jì)算，爐管內(nèi)氣體流動(dòng)形式為湍流狀態(tài)，爐管內(nèi)壓力沿氣體流動(dòng)方向下降，這對(duì)反應(yīng)物的濃度有一定的影響，壓降方程［9］為：

建立微元體焦炭層的熱量衡算方程［9］：

式中，Q1為焦炭向管內(nèi)氣體的傳熱量［9］：

Q2為焦炭層同外界之間的換熱量。本工作使用文獻(xiàn)［9］報(bào)道的方法簡(jiǎn)化了爐膛的傳熱過程，因?yàn)檩椛鋫鳠崾菭t管與煙氣之間的主要傳熱方式，因此僅考慮煙氣與爐管燒焦過程的熱輻射交換。

式中， C0=5.67 W/（m2·K4），F(xiàn)A=2，F(xiàn)E=0.8。同理，可得氣體的熱量衡算方程［9］為：

以上各式中的反應(yīng)速率是根據(jù)固相表面的溫度和濃度定義的，需要通過非均相模型加以轉(zhuǎn)化：

以上機(jī)理模型方程的邊界條件為：

2 機(jī)理模型的求解

所建立的機(jī)理模型是一組雙曲線非線性偏微分方程組，求解其近似解的常用方法包括有限差分法和有限元法。有限差分法是一種離散方法，包括顯示差分法和隱式差分法，其中，顯示差分法編程簡(jiǎn)單，易于求解，但精確度不高；而隱式差分法的精確度較高。本工作采用隱式差分Wendroff格式［10］進(jìn)行求解，此格式無(wú)條件收斂，且可通過選取適當(dāng)?shù)膮?shù)獲得更高的計(jì)算精度，時(shí)間步長(zhǎng)可任意選取。計(jì)算過程中將爐管等分為200份，空間步長(zhǎng)為0.066 m。

3 仿真結(jié)果與分析

采用Matlab軟件［11］進(jìn)行數(shù)值仿真，并在工業(yè)中試裝置上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，通過測(cè)量裂解爐出口處的CO2含量來(lái)驗(yàn)證模擬的正確性和精確性。裂解爐出口處CO2含量的模擬值與實(shí)際值的對(duì)比見圖2。當(dāng)CO2含量不大于0.2%（φ）時(shí)，認(rèn)為裂解爐輻射段爐管內(nèi)的焦炭已清理完畢，可以結(jié)束燒焦過程，開始下一步的裂解過程。在模擬仿真過程中，在燒焦的初始階段，模擬反應(yīng)的時(shí)間比實(shí)際燒焦操作的時(shí)間有約0.1 h的滯后，約在1.7 h時(shí)，出口處CO2含量約為0.193%（φ），低于0.2%（φ），可以結(jié)束燒焦。從圖2可看到整個(gè)燒焦過程中爐管內(nèi)的反應(yīng)情況：在初始階段，由于爐管內(nèi)溫度相對(duì)較低，空氣流量也相對(duì)較低，燒焦反應(yīng)速率較慢；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)溫度和空氣流量逐漸提高，且燒焦反應(yīng)是放熱反應(yīng)，進(jìn)一步升高了管內(nèi)的反應(yīng)溫度，因此燒焦反應(yīng)速率逐漸加快，CO2含量逐漸增大；在燒焦后期，管內(nèi)焦炭量大量減少，燒焦反應(yīng)速率大幅降低，CO2含量也隨著降低。雖然模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一定的誤差，但變化趨勢(shì)大致吻合，說(shuō)明該模型能較好地反映整個(gè)燒焦過程的變化趨勢(shì)，根據(jù)變化趨勢(shì)可提前進(jìn)行操作變量的優(yōu)化，指導(dǎo)燒焦過程。

圖2 裂解爐出口處CO2含量的模擬值（a）與實(shí)際值（b）的對(duì)比Fig.2 Comparison between the simulated values(a) and actual values(b) of CO2contents at the outlet of cracking furnace.

裂解爐入口處的空氣流量見圖3。從圖3可見，裂解爐入口處空氣流量隨時(shí)間而變化，本工作采用逐漸提高空氣流量的燒焦方案。焦炭的燃燒是在固體與氣體之間進(jìn)行的多相燃燒的過程，充足的空氣是保障燒焦效果的重要條件；但空氣流量也不宜過大，空氣流量過大雖會(huì)大幅提高燒焦反應(yīng)速率，但也會(huì)在反應(yīng)過程中釋放大量的熱量，使管內(nèi)溫度超過爐管的承受范圍，嚴(yán)重影響工藝的安全性及燒焦裝置的使用壽命。

圖3 裂解爐入口處的空氣流量Fig.3 Air fowrate at the inlet of cracking furnace.

裂解爐出口處管壁溫度的模擬值和實(shí)際值分別見圖4和圖5。比較圖4和圖5可看出，裂解爐出口處管壁溫度的模擬值與實(shí)際值的變化趨勢(shì)大致吻合，在相同的范圍內(nèi)變化，模擬值上升和下降的幅度與實(shí)際值基本相符。隨著燒焦反應(yīng)的進(jìn)行，裂解爐出口處管壁溫度有所升高，變化范圍在800～830℃之間。

圖4 裂解爐出口處管壁溫度（模擬值）Fig.4 Tube wall temperature at the outlet of cracking furnace(simulated value).

圖5 裂解爐出口處管壁溫度（實(shí)際值）Fig.5 Tube wall temperature at the outlet of cracking furnace(actual value).

分析圖2和圖3可看出，空氣流量影響整個(gè)燒焦過程，空氣流量增大，燒焦反應(yīng)速率加快；分析圖2和圖4可看出，裂解爐出口處管壁溫度也影響整個(gè)燒焦過程，出口處管壁溫度升高，說(shuō)明裂解爐出口處氣體溫度升高，也說(shuō)明了爐管內(nèi)反應(yīng)溫度升高，燒焦反應(yīng)速率加快。在燒焦工藝末期，要提高空氣流量和裂解爐出口處管壁溫度，以使燒焦進(jìn)行得更徹底，減少焦炭殘余量。綜上所述，在燒焦過程中影響燒焦進(jìn)程的主要3個(gè)變量為空氣流量、爐管出口處管壁溫度和燒焦時(shí)間。爐管出口處氣體溫度和爐管出口處管壁溫度相關(guān)聯(lián)，因?yàn)槌隹谔幑鼙跍囟饶苤苯颖碚鳠惯^程中爐管設(shè)備的安全性，所以本工作主要分析的是裂解爐出口處的管壁溫度。

USC-28型裂解爐在燒焦過程中是由空氣流量、爐管出口處氣體溫度、燒焦時(shí)間來(lái)控制整個(gè)燒焦過程，空氣流量和溫度的提高有利于燒焦，使燒焦時(shí)間縮短；但提高幅度過大，會(huì)使反應(yīng)變得劇烈，導(dǎo)致溫度急劇升高，不僅容易發(fā)生危險(xiǎn)，更會(huì)損壞爐管。而燒焦時(shí)間過長(zhǎng)將會(huì)大大延長(zhǎng)乙烯的生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)效率。所以，在USC-28型裂解爐的實(shí)際燒焦過程中，以燒焦氣中的CO2含量及COT作為參考指標(biāo)，指導(dǎo)燒焦空氣流量、燒焦溫度及稀釋蒸汽量等工藝參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)燒焦反應(yīng)速率的控制，確保燒焦過程安全。

4 結(jié)論

1）燒焦工藝是USC-28型裂解爐運(yùn)行過程中十分重要的操作步驟，是保證設(shè)備正常運(yùn)行的重要條件。通過觀察裂解爐出口處CO2含量來(lái)了解燒焦工藝的運(yùn)行情況。在實(shí)際燒焦工藝中，當(dāng)出口處CO2含量低于0.2%（φ）時(shí)，認(rèn)為裂解爐內(nèi)的焦炭已清除干凈，燒焦結(jié)束。

2）采用隱式差分法求解蒸汽-空氣燒焦機(jī)理模型，裂解爐出口處CO2含量的模擬值與實(shí)際值的變化趨勢(shì)基本相同，證明了模型的可靠性及模擬過程的可行性?？赏ㄟ^該模型近似估計(jì)燒焦結(jié)果，為實(shí)際燒焦工藝提供一定的參考，縮短燒焦時(shí)間。

3）燒焦過程中關(guān)鍵要控制裂解爐入口處空氣流量和出口處管壁溫度。在可控范圍內(nèi)，空氣流量越大、管壁溫度越高，燒焦反應(yīng)速率越快。但在燒焦過程中，空氣流量和出口處管壁溫度都不宜過高，以免造成局部溫度過高，超出爐管的承受范圍，影響工藝的安全性及設(shè)備的使用壽命。

4）在建模和計(jì)算過程中采用了合理假設(shè)，后期可通過改進(jìn)模型及計(jì)算方法，對(duì)燒焦過程進(jìn)行更精確的模擬，為實(shí)際燒焦工藝提供更可靠的理論依據(jù)。

符 號(hào) 說(shuō) 明

A 橫截面積，m2

C0黑體輻射系數(shù)，W/（m2·K4）

Cp恒壓熱容，kJ/（kg2·K）

d 爐管外徑，mm

di爐管內(nèi)徑，mm

FA幾何因數(shù)

FE綜合輻射系數(shù)

G 氣相質(zhì)量流量，kg/（m2·s）

g 重力加速度，m/s

ΔH1焦炭的氧化反應(yīng)熱，kJ/mol

h 對(duì)流傳熱系數(shù)，m/s

(kg)O2氧的傳質(zhì)系數(shù)，m/s

Mc焦炭的平均相對(duì)分子質(zhì)量

Mm氣體混合物的平均相對(duì)分子質(zhì)量

pt氣體總壓力，Pa

Q1焦炭向管內(nèi)氣體的傳熱量，kJ

Q2焦炭向外界的傳熱量，kJ

R 氣體常數(shù)，J/（mol·K）

Re 雷諾數(shù)

rO2氧的反應(yīng)速率，kmol/（m2·s）

S 爐管內(nèi)表面積，m2

Tf煙氣溫度，K

Tg爐管內(nèi)氣體溫度，K

Ts焦炭溫度，K

Tw爐管表面溫度，K

t 時(shí)間，s

u 氣相總物料流速，m/s

z 軸向距離，m

δ 焦炭厚度，mm

ρ 密度，kg/m3

角標(biāo)

0 “0”時(shí)刻，即初始時(shí)刻

g 氣體

s 固體

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（編輯 王 萍）

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Dynamic Simulation of Decoking Process in Cracking Furnace

Zhu Zeren，Wu Zhiguang
（SINOPEC Guangzhou Company，Guangzhou Guangdong 510726，China）

The steam-air decoking process in USC-28 cracking furnace coil was simulated based on reaction kinetics，material balance，heat balance and momentum conservation，and a dynamic decoking model for the variation of temperature，pressure，material concentrations and coke layer thickness in the decoking process with time and space was established. Calculation was carried out by implicit difference Wendroff scheme and the results were proved to be reliable through pilot plant test. The trends of the simulated values and actual values for CO2content at the outlet of the cracking furnace were the same almost. The major factors influencing the decoking process included air f owrate，tube wall temperature at the outlet of the cracking furnace and decoking time. A method for improving the decoking process was proposed.

cracking furnace；decoking；dynamic simulation；ethylene

1000 - 8144（2014）01 - 0074 - 05

TQ 221.21

A

2013 - 07 - 19；［修改稿日期］ 2013 - 10 - 18。

諸澤人（1967—），男，上海市人，大學(xué)，高級(jí)工程師，電話 020 - 62128838，電郵 zhuzr.gzsh@sinopec.com。