影響深度裂解焦化加熱爐長周期運行的原因分析與應(yīng)對措施

李曉昌，王志剛

(1.西安石油大學(xué)，西安710065；2.中國石化洛陽分公司焦化車間，河南洛陽471012)

影響深度裂解焦化加熱爐長周期運行的原因分析與應(yīng)對措施

李曉昌1，王志剛2

(1.西安石油大學(xué)，西安710065；2.中國石化洛陽分公司焦化車間，河南洛陽471012)

分析了影響焦化加熱爐運行周期的主要因素，得出原料瀝青質(zhì)和鹽含量(主要是Na+含量)高是加熱爐運行周期縮短的主要原因。當(dāng)原料中瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)大于18%、鹽含量高于10 mgNaCl/L時，加熱爐運行周期急劇縮短，最短約為2個月。通過加強原料監(jiān)控，建立預(yù)警值，及時調(diào)整循環(huán)比和反應(yīng)溫度，調(diào)整注汽比例，可將運行周期延長至4個月。當(dāng)原料中瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)不大于18%、鹽含量不大于10 mg NaCl/L時，加熱爐運行周期可達5～6個月。

焦化加熱爐 運行周期 瀝青質(zhì) 鹽含量

焦化裝置投資少、運行成本低，可以加工各類高密度、高黏度的廢渣重料，所以得到廣泛推廣[1-2]。為了加大原料裂解深度、增加液體收率，在2011年大檢修期間，中國石化洛陽分公司采用中國石油大學(xué)(華東)技術(shù)，對焦化加熱爐進行了改造。通過加熱爐標定的驗證工作，改造后原料在加熱爐內(nèi)停留時間增長、流速減慢，在一定程度上增加了液體收率，但加熱爐運行周期縮短，正常焦化加熱爐的爐管清焦周期一般為6～8個月，改造后的加熱爐清焦周期一般在4～6個月。從2013年10月加熱爐機械清焦結(jié)束后投入運行至12月，僅2個月時間，由于爐管結(jié)焦速率過快，加熱爐爐管表面溫度達到清焦要求，為保證加熱爐的安全運行，再次進行加熱爐清焦作業(yè)，出現(xiàn)了歷來運行最短的清焦周期。基于此種情況，在一定的操作條件下，延長加熱爐清焦周期是加熱爐運行過程中面臨的一個主要問題。

1 加熱爐改造的基本情況

根據(jù)焦化裝置現(xiàn)有設(shè)計條件和操作現(xiàn)狀，2011年裝置大檢修期間，在加熱爐總體結(jié)構(gòu)不變的前提下，主要做了如下改造：

(1) 輻射室內(nèi)爐管總體布置由“上進下出”(見圖1)改為“下進上出”(見圖2)流程，并且輻射室各路出口新增擴徑爐管4根，這樣焦化原料在爐管內(nèi)的縮合反應(yīng)段升溫速率降低，提高焦化原料在爐管內(nèi)的停留時間，增加裂解深度，進而降低石油焦收率；輻射室頂部新增側(cè)邊管排與現(xiàn)有管排為錯排方式，爐管變徑采用同心大小頭，防止變徑處產(chǎn)生不流動的區(qū)域而導(dǎo)致結(jié)焦。

圖1 改造前加熱爐單爐室總體流程

圖2 改造后加熱爐單爐室總體流程

(2) 對加熱爐注汽點的位置和注汽流量的控制模式進行調(diào)整，增加8臺注汽調(diào)節(jié)閥，通過“三點可靈活調(diào)節(jié)注汽流量”的模式降低爐管結(jié)焦的速率。

(3) 加熱爐燃燒器由傳統(tǒng)空間燃燒改為附墻燃燒，燃燒器負荷增加，相應(yīng)設(shè)計參數(shù)也進行改變。

(4) 輻射中間火墻采用凹凸設(shè)計，底部第一層耐火度為1 500 ℃，頂部兩層耐火度為1 200 ℃，2 m以上高度采用凸出折流磚。采用貼墻燃燒方式后，為實施“貼墻燃燒”，同時減少爐墻散熱和保證爐墻穩(wěn)定性，取消所有側(cè)墻看火孔，爐墻高溫段采用特制異型耐火磚。

(5) 流程改變后，為加強爐管表面溫度監(jiān)控，增加了部分自控儀表，改造不涉及加熱爐控制系統(tǒng)，原來PID控制方案及燃燒系統(tǒng)控制方案未作改動。

(6) 改造后加熱爐熱負荷增加，為保證加熱爐熱效率，在加熱爐空氣預(yù)熱器中增加了部分熱管。高溫?zé)煔饨?jīng)原熱管空氣預(yù)熱器流出后進入低溫段空氣預(yù)熱器，與空氣換熱后由煙囪排出。

2 加熱爐深度裂解改造后爐管流體運動情況分析

爐管中焦化物料流速過高，會增加管內(nèi)的壓力降，增加管路系統(tǒng)的能耗。但是加熱爐管內(nèi)物料的流速越低，則邊界層越厚，傳熱系數(shù)越小，管壁溫度越高，介質(zhì)在加熱爐管內(nèi)停留時間越長，容易結(jié)焦，同時也容易對爐管造成損壞[3]。所以加熱爐的流速應(yīng)當(dāng)處于一個合理的區(qū)間。

通過上述加熱爐改造的基本情況可知，對于爐管主要進行兩方面改造：①延長輻射段爐管的長度，每路增加4根爐管，共增加16根，總長度增加368 m；②新加爐管直徑由Φ127 mm擴展至Φ141 mm。原料在爐管內(nèi)的流量按式(1)計算。

GF=W/(N×F0)

(1)

式中：GF為管內(nèi)介質(zhì)流量，kg/(m2.s)；W為管內(nèi)介質(zhì)流量，kg/s；N為管程數(shù)，即爐管路數(shù)；F0為每路爐管的流通截面積，m2。

按照式(1)進行計算改造前后爐管流量，結(jié)果見表1。由表1可知，與改造前相比，改造后焦化物料流量在輻射段末端下降21.30%，說明改造后焦化物料在擴徑爐管中的流量明顯變小。同時，430 ℃以上焦化物料在爐管內(nèi)停留時間增加18 s，焦化物料在爐管內(nèi)總停留時間高達85.8 s，改造后液體收率平均提高1.76%，石油焦揮發(fā)分降低1.35%[4]，取得了預(yù)期效果。

表1 改造前后爐管流量變化

3 加熱爐運行周期縮短前后原料性質(zhì)的變化

影響加熱爐運行周期的主要因素有工藝參數(shù)與原料性質(zhì)[5]，在此工藝參數(shù)并沒有大幅度的波動和調(diào)整，因此，對原料性質(zhì)進行對比分析。

影響加熱爐結(jié)焦和運行周期的原料性質(zhì)主要有密度、殘?zhí)?、瀝青質(zhì)和鹽含量等[6]。圖3～圖6為2012—2013年期間原料性質(zhì)變化趨勢。從圖3～圖6可知，在加熱爐運行周期較短的2013年下半年，原料中瀝青質(zhì)含量和鹽含量有明顯的突升，密度和殘?zhí)繜o異常變化。因此，可以推斷原料中瀝青質(zhì)和鹽含量超標是影響加熱爐運行周期的主要因素。

圖3 2012—2013年渣油瀝青質(zhì)含量變化◆—2012年； ■—2013年

圖4 2012—2013年鹽含量變化◆—2012年； ■—2013年

圖5 2012—2013年密度變化◆—2012年； ■—2013年

圖6 2012—2013年殘?zhí)孔兓簟?012年； ■—2013年

3.1 原料中瀝青質(zhì)對運行周期的影響

瀝青質(zhì)在重油中容易析出、縮合，掛在爐管壁上，對原料在爐管內(nèi)結(jié)焦有促進作用[7]。由圖3可知：2012年，渣油中的瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)平均值為15.9%，最高值不超過18%；2013年上半年，加熱爐運行基本正常，瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在15%左右波動；而到2013年10月后，瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高于18%，均值高達19.6%，比正常值高約4百分點，清焦周期縮短至2個月。2012年和2013年上半年加熱爐處于正常運行周期，清焦周期在5～6個月。因此，在其它生產(chǎn)條件不變的條件下，當(dāng)瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低于18%時，可以保持加熱爐生焦周期正常，高于18%時，結(jié)焦傾向加大，瀝青質(zhì)含量偏高造成加熱爐運行周期縮短。

3.2 原料中鹽含量對運行周期的影響

在高溫下鹽類易于結(jié)晶析出，造成爐管內(nèi)壁鹽類吸附結(jié)垢，這在油品汽化和裂解后更加明顯；另外，由鹽垢引起的局部阻力和局部過熱可加劇膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的結(jié)焦，并有利于焦粒的著床和生長[8]。加熱爐運行周期對原料中的鹽含量尤為敏感，文獻[9]指出，焦化加熱爐運行周期的倒數(shù)與Na+含量的對數(shù)成正比，即Na+含量越高，運行周期越短，同時，在鹽含量高的情況下，各類調(diào)整措施對延長加熱爐的運行周期效果不明顯。由圖4可知，焦化裝置原料的鹽含量正常生產(chǎn)情況一般保持在約5 mgNaCl/L，到2013年9月，鹽含量高達13.97 mgNaCl/L，造成10月進行機械清焦；12月清焦結(jié)束后，焦化進料的鹽含量高達26.36 mgNaCl/L，造成爐管結(jié)焦加速，運行周期明顯縮短。因此，當(dāng)焦化原料的鹽含量低于10 mgNaCl/L且穩(wěn)定時，焦化加熱爐的清焦周期可穩(wěn)定在5～6個月；當(dāng)鹽含量高于10 mgNaCl/L時，會縮短焦化加熱爐的運行周期，影響裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)。

4 延長加熱爐運行周期的措施

4.1 加強原料監(jiān)控，建立預(yù)警指標，及時調(diào)整進料量

焦化進料由來自常減壓蒸餾裝置的熱渣油和來自罐區(qū)的冷渣油2部分組成，熱渣油性質(zhì)波動較大，冷渣油性質(zhì)相對穩(wěn)定。為此，設(shè)立監(jiān)控?zé)嵩驮项A(yù)警指標，每天對原料的性質(zhì)進行記錄。依據(jù)中國石化洛陽石化工程公司提供的設(shè)計值和生產(chǎn)經(jīng)驗，建立了如表2所示的預(yù)警機制，當(dāng)原料性質(zhì)超過預(yù)警值后，及時調(diào)整相應(yīng)的操作參數(shù)。

熱渣油量一般占總進料量的比例為60%。每天要及時查看原料油鹽含量分析結(jié)果(焦化原料為減壓渣油，在中國石化行業(yè)標準分析項目中無鹽含量標準，故查看原油鹽含量分析結(jié)果)。當(dāng)原料油中鹽含量平均值大于10 mgNaCl/L時，降低熱渣油進裝置量，提高冷渣油量。當(dāng)原料油中鹽含量平均值大于20 mgNaCl/L時，降低熱渣油進裝置量，熱渣油量與進料量比例調(diào)整為50%。

根據(jù)原料鹽含量變化對進料量進行靈活調(diào)節(jié)，可以避免由于原料鹽含量突然變化對爐管造成的不可恢復(fù)性的沖擊。當(dāng)原料鹽含量恢復(fù)正常后，再調(diào)整到合理生產(chǎn)參數(shù)，可以延長加熱爐運行周期。

表2 焦化裝置原料預(yù)警指標

4.2 依據(jù)瀝青質(zhì)和鹽含量及時調(diào)整循環(huán)比、反應(yīng)溫度

循環(huán)油性質(zhì)較原料性質(zhì)好；當(dāng)原料性質(zhì)變差時，適當(dāng)增加循環(huán)比可以快速有效緩解原料的結(jié)焦傾向[10]；反應(yīng)溫度是指加熱爐出口溫度，當(dāng)原料性質(zhì)達到預(yù)警值后，降低反應(yīng)溫度，可以減緩結(jié)焦速率，延長加熱爐運行周期。依據(jù)瀝青質(zhì)和鹽含量變化，建立如表3所示的調(diào)整方案。

表3 原料性質(zhì)、循環(huán)比及反應(yīng)溫度的對應(yīng)關(guān)系

4.3 依據(jù)鹽含量變化及時調(diào)整注汽比例

為了控制原料在爐管內(nèi)的流速在合理范圍內(nèi)，與某科研機構(gòu)合作進行計算并與實際生產(chǎn)經(jīng)驗相結(jié)合，制定了原料性質(zhì)與不同處理量、生焦周期、注汽量之間的關(guān)系。依據(jù)不同的焦化處理量，及時調(diào)整注氣參數(shù)，保證原料在管路內(nèi)維持合理流速，降低結(jié)焦速率，延長加熱爐運行周期。表4為原料性質(zhì)、進料量、生焦周期及注汽參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。

表4 原料性質(zhì)、進料量、生焦周期及注汽參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

5 效果分析

5.1 生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整后加熱爐運行情況

按照機械清焦后爐管溫度為560 ℃、在爐管溫度升高至650 ℃時，清焦計算運行周期。在其它條件不變情況下，生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整前后加熱爐爐管溫度變化見圖7。由圖7可知：在調(diào)整前加熱爐爐管溫升約為43 ℃/月，加熱爐運行周期約為2個月；在調(diào)整后，爐管溫升約為24 ℃/月，加熱爐運行周期約為4個月。由此可知，采取相應(yīng)的調(diào)整措施后加熱爐運行周期得到延長，但是還達不到正常生產(chǎn)期間所要求的加熱爐運行周期。

圖7 參數(shù)調(diào)整前后加熱爐溫度變化■—調(diào)整前； ◆—調(diào)整后

5.2 原料性質(zhì)穩(wěn)定條件下的加熱爐爐管溫升

2014年4月原料性質(zhì)比較穩(wěn)定，在其它操作參數(shù)不變時，原料鹽含量平均值為4.98 mgNaCl/L，瀝青質(zhì)平均值為18.23%時，加熱爐爐管溫度變化如圖8所示。由圖8可知，爐管溫升約為16 ℃/月，運行周期達到5～6個月，可以恢復(fù)到正常生產(chǎn)期間的運行周期。

圖8 原料性質(zhì)穩(wěn)定時加熱爐爐管溫度變化

6 結(jié) 論

分析了影響焦化加熱爐運行周期的主要因素。當(dāng)原料中瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高于18%、鹽含量高于10 mgNaCl/L時，加熱爐運行周期急劇縮短，最短約為2個月。在加強原料監(jiān)控，及時采取調(diào)整循環(huán)比、反應(yīng)溫度和注汽量等措施后，加熱爐運行周期得到延長，但是一般不超過4個月；當(dāng)原料瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)不高于18%、鹽含量不大于10 mgNaCl/L時，加熱爐運行周期可以恢復(fù)到5～6個月。

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FACTORS AFFECTING OPERATION PERIOD OF COKING FURNACE AND CORRESPONDING MEASURES

Li Xiaochang1， Wang Zhigang2

(1.Xi’anShiyouUniversityXi’an710065; 2.SINOPECLuoyangCompany)

By analysis of the operation data it is found that the asphaltene and salt content are the main factors influencing the heating furnace operation period for coking unit and that once the asphalt content is more than 18% and the salt content is higher than 10 mgNaCl/L，the operation cycle of the heating furnace is sharply shorten，the shortest one is about 2 months.By strengthening raw material control，establishing early warning value，timely adjusting circulation ratio and reaction temperature as well as adjusting the gas injection rate，the cycle can be extended to 4 months.The operation practice proves that as long as the asphalt content is not greater than 18% with the salt content less than 10 mg NaCl/L，the heating furnace operation cycle can be prolonged to 5—6 months.

coking furnace； operation period； asphaltene； salt content

2014-03-27； 修改稿收到日期： 2014-06-25。

李曉昌，工程師，2006年畢業(yè)于西安石油大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，從事工藝技術(shù)管理工作。

王志剛，E-mail：wzgdeemail@163.com。