延遲焦化加熱爐環(huán)保在線恒溫清焦技術(shù)的應(yīng)用

孫 宇

（中國(guó)石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化公司，浙江 寧波 315207）

隨著常規(guī)原油可利用量的日趨減少，水力壓裂開(kāi)采頁(yè)巖油等非常規(guī)能源技術(shù)的發(fā)展，原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化趨勢(shì)日益凸顯，重質(zhì)原油開(kāi)采和加工技術(shù)的日臻成熟，使得提高重油的轉(zhuǎn)化深度、增加輕質(zhì)油品產(chǎn)量成為石油煉制工業(yè)的必然之選[1-3]。

目前，世界上重油和渣油的主要加工工藝有：延遲焦化、溶劑脫瀝青、催化裂化（RFCC）、渣油加氫等。但渣油催化裂化、渣油加氫工藝對(duì)原料性質(zhì)要求較高，在處理殘?zhí)抠|(zhì)量分?jǐn)?shù)＞10%、重金屬含量高的渣油時(shí)，存在催化劑易中毒失活及裝置運(yùn)行狀態(tài)欠佳等問(wèn)題。延遲焦化的工藝特點(diǎn)使它能夠加工各種廉價(jià)的高硫、高氮、高殘?zhí)肌⒏邽r青質(zhì)和高金屬含量渣油；并且其工藝成熟，裝置投資低；此外，對(duì)于煉化一體化企業(yè)而言，焦化汽油、液化氣經(jīng)過(guò)加氫后，是乙烯裂解裝置的好原料；焦化干氣加氫后與PSA 組合，生產(chǎn)的富乙烷氣是乙烯裂解的最好原料，它們產(chǎn)生的綜合經(jīng)濟(jì)效益非常明顯，因此，從石油煉制工業(yè)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，延遲焦化裝置作為石化企業(yè)的“黃金垃圾桶”必將長(zhǎng)期存在[4-5]。

延遲焦化加熱爐是把經(jīng)換熱后300 ℃左右的渣油在加熱爐爐管內(nèi)迅速加熱到490～510 ℃，使重油在爐管內(nèi)迅速獲得足夠的熱量，讓裂解—縮合反應(yīng)“延遲”到焦炭塔內(nèi)進(jìn)行，所以從某種意義上說(shuō)，加熱爐既是延遲焦化裝置的主要加熱設(shè)備，還是具有裝置“反應(yīng)器”的功能，可以說(shuō)焦化加熱爐是延遲焦化裝置“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”運(yùn)行的首要關(guān)鍵設(shè)備，其中延遲焦化加熱爐輻射爐管結(jié)焦?fàn)顩r，不僅決定延遲焦化加熱爐的運(yùn)行周期，同時(shí)也決定著延遲焦化裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，是裝置生產(chǎn)負(fù)荷的主要制約因素。

1 清焦技術(shù)

1.1 空氣-蒸汽燒焦

空氣-蒸汽燒焦法是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最為成熟清的焦技術(shù)。加熱爐停爐切斷進(jìn)料后，將加熱爐爐管內(nèi)的渣油吹掃干凈，降溫后檢修人員進(jìn)行倒燒焦彎頭作業(yè)，將加熱爐出口管線轉(zhuǎn)至燒焦流程。爐管內(nèi)通入蒸汽，點(diǎn)爐升溫，升溫到600 ℃以上保持相對(duì)恒溫，使加熱爐管內(nèi)的“積焦”呈暗紅狀態(tài)，之后配入空氣，爐管內(nèi)的焦層在高溫環(huán)境下，最先接觸空氣的1～2 根爐管內(nèi)高溫焦層即刻開(kāi)始燃燒，處于燃燒狀態(tài)的爐管呈現(xiàn)亮紅色，其爐管表面溫度會(huì)迅速達(dá)到700 ℃以上，視情況關(guān)閉空氣，開(kāi)大蒸汽，高溫燃燒的焦層在蒸汽的沖擊下，遇冷崩裂剝落，燃燒物和剝離的焦粒一起被蒸汽帶走。通過(guò)控制通入空氣的流量來(lái)控制燒焦?fàn)t管的根數(shù)，從上至下逐根將加熱爐爐管內(nèi)的焦炭清除，每路爐管典型的燒焦時(shí)間在12 h 左右[6]，整個(gè)燒焦過(guò)程包括停爐、降溫、倒燒焦彎頭、升溫?zé)?、并爐操作，一般需要72 h 左右才能恢復(fù)正常生產(chǎn)。典型的空氣-蒸汽燒焦流程如圖1。

圖1 空氣-蒸汽燒焦示意流程

傳統(tǒng)的延遲焦化裝置多采用空氣-蒸汽燒焦方式，其優(yōu)點(diǎn)為爐管燒焦較為徹底，但也存在如下問(wèn)題：

1）燒焦尾氣直接排放，污染環(huán)境?？諝?蒸汽燒焦方式需在爐管中通入空氣與爐管內(nèi)壁的焦炭發(fā)生燃燒，燃燒后的廢氣排入燒焦罐，因介質(zhì)中存在氧氣，在煉廠中無(wú)法密閉處理，只能敞口排放；為了除塵，燒焦罐采用水噴淋的方式減輕污染，但是無(wú)法消除煙塵的污染，而且增加新鮮水耗量大，一般情況每次耗量約600～800 t 左右。

2）爐管受損嚴(yán)重。爐管表面溫度由于燒焦過(guò)程中爐管受熱不均勻，燃燒處易出現(xiàn)局部管壁溫度超溫，爐管表面溫度往往可達(dá)700 ℃以上，超過(guò)爐管材質(zhì)高溫極限，并且急冷急熱易引起爐管變形彎曲，會(huì)大大降低爐管使用壽命。

3）人工操作工作量大。僅燒焦操作一般需要8～12 h，操作人員頻繁切換給汽、給風(fēng)閥門，現(xiàn)場(chǎng)專人負(fù)責(zé)用紅外溫度計(jì)監(jiān)測(cè)燒焦?fàn)t管表面溫度，同時(shí)停、并爐操作期間，倒燒焦彎頭，拆裝高溫法蘭作業(yè)，熱緊作業(yè)等都需要人工，工作量極大。

4）安全風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)加工量影響大。燒焦需停爐、冷卻、倒燒焦彎頭、燒焦、再倒回彎頭、并爐等一系列操作，安全風(fēng)險(xiǎn)極大，并且整體時(shí)間偏長(zhǎng)，對(duì)裝置加工量影響較大。

1.2 機(jī)械清焦

機(jī)械清焦是近幾年延遲焦化加熱爐廣泛采用的清焦技術(shù)，英文名稱為 PIGGING 或 PIGGINGCLEAN。機(jī)械清焦使用專用的清焦工程車，清焦前首先將熱爐單系列停車，爐膛和爐管自然冷卻后，將加熱爐爐管的進(jìn)、出口管線法蘭拆開(kāi)，專用清焦接頭與拆開(kāi)的加熱爐進(jìn)出口法蘭連接，將清焦球發(fā)射和接收裝置連接至專用接頭上，再將清焦管程接頭連接上清焦工程車水系統(tǒng)，工程車上的泵組打出2.0～3.0 MPa 壓力的水流，推動(dòng)由特殊材料及工藝制造的清焦球（PIG）在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，擠壓并清除管內(nèi)焦層，被擠碎的焦塊隨水流流出管外，過(guò)濾焦塊后，清焦水循環(huán)使用，圖2 為兩臺(tái)清焦工程車同時(shí)清洗四排爐管示意圖[7]。

圖2 2 臺(tái)清焦工程車同時(shí)清洗四排爐管示意圖

機(jī)械清焦的關(guān)鍵在于清焦球。清焦球是由具有彈性的高密度合成樹(shù)脂制作，外形如子彈狀，在其本體外表面裝有清焦釘頭。由于清焦球具有很好的彈性，且收縮率較大（可達(dá)15%～65%），使得它很容易地通過(guò)彎管、U 型管及短半徑彎管等[8]。常用的PIG 如圖3。

圖4 清焦球示意圖

機(jī)械清焦優(yōu)勢(shì)有：爐管清焦較徹底，焦炭、鹽垢均能清除干凈；對(duì)環(huán)境影響小。不足：需要停爐，降溫，拆裝清焦接頭法蘭，并爐等作業(yè)，作業(yè)量大，安全風(fēng)險(xiǎn)高；爐膛降溫需徹底，降溫時(shí)間長(zhǎng)，整個(gè)清焦過(guò)程時(shí)間約需96 h；操作費(fèi)用較高，同時(shí)還產(chǎn)生大量清焦污水。

1.3 在線蒸汽清焦

變溫清焦是利用爐管金屬材質(zhì)與管內(nèi)焦垢層熱膨脹系數(shù)不同，通過(guò)反復(fù)多次升高和降低爐管溫度，使得焦炭與爐管剝離。國(guó)內(nèi)上海石化、燕山石化均對(duì)焦化加熱爐爐管采用過(guò)在線變溫清焦，但由于操作工作量大以及對(duì)爐管材質(zhì)的高要求和清焦效果起伏等原因，目前只有惠州煉化采用在線變溫清焦[9]。從惠州煉化變溫在線清焦后爐管壁溫最大溫降66 ℃，平均溫降54 ℃，爐膛溫度大幅下降，加熱爐各項(xiàng)控制指標(biāo)可以達(dá)到正常水平，操作中需升溫降溫操作共10 次[10]。但是該變溫清焦操作次數(shù)較大，并對(duì)升降溫速率有要個(gè)的控制要求，操作的工作量較大，波動(dòng)相應(yīng)增大，頻繁的升溫、降溫嚴(yán)重?fù)p傷加熱爐的爐管。

2 環(huán)保在線恒溫清焦技術(shù)的應(yīng)用

2.1 環(huán)保在線恒溫清焦流程

“環(huán)保在線恒溫清焦”基本原理是在加熱爐切斷進(jìn)料后，通入蒸汽，將爐管內(nèi)介質(zhì)吹掃干凈，迅速滅爐火降溫，利用爐管金屬材質(zhì)和內(nèi)壁焦垢層的膨脹系數(shù)不同，爐管收縮程度比焦垢層大，使焦垢層擠壓，剝落部分焦塊，其中未剝落的焦塊也會(huì)產(chǎn)生較多的裂紋；在爐管再次升溫時(shí)蒸汽對(duì)焦垢層的沖刷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，同時(shí)在長(zhǎng)時(shí)間高溫蒸汽快速?zèng)_刷作用下，使焦垢層進(jìn)一步從爐管上剝離脫落，剝離的焦粒隨清焦蒸汽共同進(jìn)入生焦塔內(nèi)，剝落的焦粒對(duì)后續(xù)爐管內(nèi)的焦垢層的沖擊作用，加快焦垢層剝離，實(shí)現(xiàn)焦粒和熱量的密閉回收。

2.2 在線恒溫清焦的設(shè)計(jì)

1）加熱爐需4 管程以上，保證某一管程在線清焦時(shí)，焦炭塔能夠維持正常生產(chǎn)，降低對(duì)分餾塔等后續(xù)工藝和設(shè)備的影響。

2）在線清焦時(shí)蒸汽的壓力應(yīng)大于加熱爐管內(nèi)渣油進(jìn)管線壓力，開(kāi)工初期加熱爐進(jìn)口壓力一般為1.2～1.7 MPa；加熱爐爐管內(nèi)結(jié)焦時(shí)，入口壓力將提高到2.3～2.9 MPa，在線清焦蒸汽的壓力應(yīng)大于3.0 MPa，通常采用3.5 MPa 的中壓蒸汽。

3）清焦蒸汽應(yīng)單獨(dú)配套流量?jī)x表，以便準(zhǔn)確控制清焦蒸汽流量。

4）在線清焦蒸汽管線在加熱爐正常操作時(shí)不被使用，在天氣寒冷地區(qū)或溫度存在低于零攝氏度的中部地區(qū)應(yīng)充分考慮防凍放凝問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮和爐管注汽點(diǎn)相結(jié)合。

5）加熱爐出口轉(zhuǎn)油線的設(shè)計(jì)不但應(yīng)考慮正常操作工況，還應(yīng)該考慮在線清焦工況。在線恒溫清焦時(shí)，管束內(nèi)蒸汽體積流量一般大于該路渣油的體積流量，爐管出口轉(zhuǎn)油線的管徑應(yīng)根據(jù)線清焦和正常操作兩種工況設(shè)計(jì)，保證兩種工況下轉(zhuǎn)油線內(nèi)兩相流流型均滿足要求。

2.3 在線恒溫清焦技術(shù)要求

1）合理安排清焦過(guò)程。恒溫蒸汽清焦期間爐管表面溫度要比運(yùn)行末期爐管表面溫度高出一定溫度，使得金屬有足夠的膨脹空間形成間隙，保證清焦效果。清焦過(guò)程涉及停、開(kāi)加熱爐，溫度變化較大，需合理安排清焦時(shí)間，協(xié)調(diào)好焦炭塔切換及預(yù)熱等過(guò)程，防止焦炭塔進(jìn)料溫度過(guò)低，避免產(chǎn)生軟焦。

2）降溫速率控制?？刂坪媒禍厮俾?，原則上降溫速度應(yīng)越快越好，利于焦垢層之間相互擠壓，產(chǎn)生裂紋，剝落部分焦塊，但需考慮進(jìn)焦炭塔的溫度以及降溫速率對(duì)加熱爐的影響，避免焦炭塔生焦溫度過(guò)低，損壞加熱爐設(shè)備。

3）清焦蒸汽流量的控制。原則上通清焦蒸汽流量理論上越大越好，清焦蒸汽流量越大，爐管內(nèi)蒸汽的氣速越大，對(duì)爐管內(nèi)壁的沖刷作用就越強(qiáng)烈，焦垢層越容易剝離，但也必須考慮清焦蒸汽及焦粉對(duì)爐管內(nèi)表面的沖蝕影響，需根據(jù)爐管材質(zhì)選用合適的蒸汽用量。同時(shí)，蒸汽提量時(shí)應(yīng)注意入口壓力波動(dòng)，避免提量過(guò)快，大量的焦垢脫落，堵塞爐管。

4）升溫速率的控制。原則上爐管表面溫度越高越好，溫度越高，焦垢層之間的間隙越大，利于清焦蒸汽對(duì)焦垢層的沖刷、剝落。但是爐管表面溫度受爐管材質(zhì)最高使用溫度的限制，必須根據(jù)爐管材質(zhì)確定恒溫清焦的最高爐管表面溫度；同時(shí)還應(yīng)注意：恒溫清焦期間，為使?fàn)t膛熱分布均勻，盡可能多點(diǎn)火嘴，均勻分布。

5）并爐操作控制，要防止介質(zhì)溫度、流量大幅波動(dòng)對(duì)裝置的影響，要避免并爐不當(dāng)，引起爐管結(jié)焦或焦炭塔生焦溫度過(guò)低等對(duì)裝置平穩(wěn)生產(chǎn)的影響。

2.4 清焦完成標(biāo)準(zhǔn)

為確保清焦效果，可通過(guò)以下三點(diǎn)初步判斷加熱爐是否完成清焦：

1）清焦時(shí)間達(dá)到預(yù)先規(guī)定時(shí)間。

2）清焦管程壓力趨于平穩(wěn)后，將清焦管程蒸汽量提至最大值，并將加熱爐爐管表面溫度提升至最高，入爐壓力穩(wěn)定無(wú)波動(dòng)。

3）現(xiàn)場(chǎng)觀察爐管表面顏色，在最高溫度下，該爐管材質(zhì)應(yīng)呈現(xiàn)均勻的暗紅色，觀察爐管無(wú)黑色斑點(diǎn)。

以上三點(diǎn)均達(dá)到要求，可判定此次清焦完成。

2.5 恒溫清焦效果

采用在線恒溫清焦技術(shù)后，在加熱爐進(jìn)料量及爐出口溫度相同的工況下，加熱爐爐管表面溫度、爐膛溫度、入爐壓力等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)較清焦前顯著改善，如表1 所示。

表1 清焦前后關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

1）清焦后，爐管表面溫度、入爐壓力下降明顯。爐管越靠近加熱爐出口，溫度下降越明顯，說(shuō)明越靠近輻射出口，爐管內(nèi)結(jié)焦越嚴(yán)重，清焦前后溫度下降越明顯。

2）在加熱爐一組爐膛進(jìn)行在線恒溫清焦時(shí)，其余兩組爐膛正常生產(chǎn)情況下，分餾塔及壓縮機(jī)等運(yùn)行工況都較穩(wěn)定，焦炭產(chǎn)品質(zhì)量合格，焦化蠟油、焦化柴油、焦化汽油、液化氣、干氣質(zhì)量均合格。

3）清焦過(guò)程操作簡(jiǎn)單安全，工作量小。操作人員只需將清焦?fàn)t膛切出，不需要?jiǎng)痈钠渌鞒獭?/p>

4）環(huán)保節(jié)能效果好。清焦過(guò)程完全密閉，無(wú)廢氣、廢水、廢渣產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境無(wú)任何影響，高溫蒸汽和焦炭顆粒全部進(jìn)入焦炭塔回收，環(huán)保和節(jié)能效果明顯。

5）清焦時(shí)間短，對(duì)裝置負(fù)荷影響較小。

3 結(jié) 論

與國(guó)內(nèi)目前普遍采用的清焦方式相比，延遲焦化裝置采用在線恒溫清焦的實(shí)踐表明：（1）加熱爐爐管清焦效果好，操作簡(jiǎn)便，工作量小；（2）清焦時(shí)間短。對(duì)裝置加工量影響小，對(duì)裝置安全生產(chǎn)影響小；（3）節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)明顯，無(wú)廢氣、廢水、廢渣產(chǎn)生，可實(shí)現(xiàn)高溫蒸汽和焦炭顆粒完全回收，經(jīng)濟(jì)性好。