焦化加熱爐定向反射及深度裂解改造技術(shù)的分析與探討

葛樹(shù)強(qiáng)，席占君

(中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽(yáng)分公司，河南洛陽(yáng) 471012)

1 概況

中國(guó)石化股份有限公司洛陽(yáng)分公司140萬(wàn)t/a延遲焦化裝置設(shè)有焦化爐一臺(tái)，計(jì)算熱負(fù)荷為45 140 kW。爐體由2個(gè)輻射室、2個(gè)對(duì)流室及一個(gè)煙囪組成，輻射爐管采用單排管雙面輻射的水平排管結(jié)構(gòu)。介質(zhì)分4管程從對(duì)流段上部進(jìn)入焦化爐，經(jīng)對(duì)流室加熱后進(jìn)入輻射段，由輻射室下部出爐，并采用三點(diǎn)注汽技術(shù)，提高管內(nèi)流體流速。加熱爐設(shè)置了空氣預(yù)熱系統(tǒng)，燃燒器采用小能量扁平火焰低NOx氣體燃燒器，爐襯設(shè)計(jì)采用了輻射段爐襯，該爐襯為輕質(zhì)澆注料加陶纖噴涂，對(duì)流段與煙道系統(tǒng)采用輕質(zhì)耐熱襯里。

根據(jù)洛陽(yáng)焦化原料評(píng)估報(bào)告可知，洛陽(yáng)延遲焦化原料油樣裂解難易程度處于“中等”水平，結(jié)焦傾向偏大。為此，本次采用中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的“定向反射深度裂解焦化加熱爐技術(shù)”對(duì)加熱爐進(jìn)行了技術(shù)上的改造。實(shí)現(xiàn)定向反射的關(guān)鍵是在加熱爐底部安裝定向反射燃燒器，火焰經(jīng)過(guò)加熱爐爐墻反射，利用輻射的熱量供給爐管加熱，從而使?fàn)t管表面熱強(qiáng)度更加均勻。通過(guò)這次改造，期望能達(dá)到較高的焦化反應(yīng)裂解深度、降低焦炭產(chǎn)率、提高液體收率以及加熱爐熱效率等節(jié)能增效的目的，同時(shí)希望實(shí)現(xiàn)焦化裝置關(guān)鍵工藝指標(biāo)循環(huán)比≤0.2、焦炭揮發(fā)份≤10%以及一年以上的燒焦周期。

2 改造內(nèi)容

2.1 爐管與輻射管的改造

輻射室內(nèi)爐管總體布置由“上進(jìn)下出”改為“下進(jìn)上出”流程，降低爐管的縮合反應(yīng)段升溫速度以降低焦化原料中間相小球體的產(chǎn)生數(shù)量，進(jìn)而降低石油焦收率。輻射室輻射管采用同心大小頭變徑，變徑處產(chǎn)生流動(dòng)死區(qū)導(dǎo)致結(jié)焦。

2.2 燃燒器的改造

圖1a為燃燒器的傳統(tǒng)燃燒方式，圖1b為燃燒器的定向反射燃燒技術(shù)。改造后加熱爐燃燒器每排16個(gè)，共8排。結(jié)合爐膛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用梯型燃燒器，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫燃燒方式。采用定向反射燃燒后，側(cè)墻看火孔全部堵死，為方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)火，定制帶有編號(hào)的燃燒器火盆。

圖1 傳統(tǒng)燃燒方式

2.3 回收系統(tǒng)的改造

加熱爐余熱回收系統(tǒng)增加低溫段預(yù)熱器，煙氣經(jīng)原熱管空氣預(yù)熱器流出后進(jìn)入低溫段空氣預(yù)熱器，換熱后由煙囪排出。新增22排熱管，原預(yù)熱器預(yù)留位置安裝三排熱管，在原設(shè)計(jì)溫度150℃區(qū)域新增搪陶瓷管6排，有機(jī)熱管2排，其余為鋼水熱管，降低排煙溫度，延長(zhǎng)空氣預(yù)熱器使用壽命。

2.4 爐管溫度監(jiān)控的改造

流程改變后，為加強(qiáng)爐管表面溫度監(jiān)控，增加了壁溫?zé)犭娕?8支;每個(gè)爐室輻射頂增加1個(gè)氧化鋯指示表和1個(gè)負(fù)壓測(cè)壓點(diǎn)，對(duì)流室總出口增加2個(gè)氧化鋯指示表;新上熱爐四路瓦斯增上流量計(jì)。

3 改造效果分析

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次改造的數(shù)據(jù)來(lái)源于2012年2月14日18時(shí)至2012年2月17日18時(shí)進(jìn)行了72 h標(biāo)定期間數(shù)據(jù)。標(biāo)定期間:裝置平均進(jìn)料量為143.6 t/h，負(fù)荷率為86.1%，液體收率(汽油+柴油+蠟油)為58.18%，總液收(液態(tài)烴+汽油+柴油+蠟油)為60.33%。在標(biāo)定期間，維持低循環(huán)比操作，循環(huán)比最低0.10，最高0.15，平均循環(huán)比0.145。標(biāo)定期間數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

3.2 裝置循環(huán)比

裝置的循環(huán)比對(duì)于能耗和液收的影響最為直接，但是在一定的生產(chǎn)情況下，低循環(huán)比受原料性質(zhì)、加熱爐結(jié)焦速率和分餾系統(tǒng)物料平衡方面的制約。原料性質(zhì)一定的情況下，增大循環(huán)油回?zé)捔?，可以有效降低油品黏度、改善流?dòng)狀態(tài)、降低爐管結(jié)焦速率和減小爐管壓降。定向反射傳熱方式使輻射室爐管的熱強(qiáng)度周向不均勻系數(shù)減小，爐管受熱更均勻，同時(shí)均勻的爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)和熱強(qiáng)度場(chǎng)使介質(zhì)有穩(wěn)定的溫升梯度。根據(jù)車(chē)間反復(fù)試驗(yàn)和驗(yàn)證，得出以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2、表3。因此針對(duì)給定的原料性質(zhì)和相應(yīng)的操作參數(shù)，改造后的加熱爐對(duì)低循環(huán)比操作的適應(yīng)性更強(qiáng)。

表1 標(biāo)定期間物料平衡、產(chǎn)品分布及收率

表2 不同原料性質(zhì)和循環(huán)比、反應(yīng)溫度對(duì)應(yīng)表

表3 改造后2012年原料性質(zhì)與循環(huán)比對(duì)比表

3.3 清焦周期

本次改造后，加熱爐爐管表面熱強(qiáng)度得到有效降低，爐管受熱更加均勻和合理，這對(duì)加熱爐的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行提供有利保障。在裝置運(yùn)行的第二個(gè)周期中，裝置逐步探索實(shí)施臨界卡邊操作、高苛刻度運(yùn)行，增加裝置反應(yīng)深度、降低石油焦揮發(fā)分，循環(huán)比根據(jù)原料性質(zhì)動(dòng)態(tài)調(diào)整，在焦化原料較上一生產(chǎn)周期苛刻(瀝青質(zhì)12.58%，比設(shè)計(jì)值11.5%高;2012年減渣530℃前含量9.34%，較2011年11.99%低)的情況下，由于裝置循環(huán)比、反應(yīng)溫度和反應(yīng)壓力等關(guān)鍵工藝參數(shù)均比加熱爐改造前進(jìn)一步苛刻，本周期清焦周期為7個(gè)月。具體清焦數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 改造后加熱爐機(jī)械清焦數(shù)據(jù)

從表4數(shù)據(jù)可以看出，改造后爐管平均結(jié)焦厚度為6.25 mm，較改造前爐管平均結(jié)焦厚度5 mm增加了1.25 mm，增厚幅度達(dá)到20%。通過(guò)對(duì)加熱爐改造前幾次機(jī)械清焦數(shù)據(jù)對(duì)比，在靈活循環(huán)比操作條件下，原料性質(zhì)的變化不足以造成爐管結(jié)焦厚度如此大幅度上升。另外，同樣的操作條件，更加合理的加熱環(huán)境，但是加熱爐四路出口放空線(xiàn)、加熱爐出口至接觸冷卻塔線(xiàn)以及部分爐出口儀表引壓線(xiàn)與介質(zhì)管線(xiàn)連接處出現(xiàn)結(jié)焦堵塞現(xiàn)象，這是改造前從未出現(xiàn)的情況。這充分說(shuō)明加熱爐改造后焦化反應(yīng)更加劇烈，裂解深度加大。

3.4 焦炭揮發(fā)分

加熱爐改造后，車(chē)間高度重視石油焦揮發(fā)分變化情況，根據(jù)石油焦揮發(fā)分變化逐步調(diào)整加熱爐出口溫度、反應(yīng)壓力和循環(huán)比，輔助調(diào)整焦炭塔吹汽時(shí)間和吹汽量，通過(guò)生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)整，石油焦硬度增加，除焦時(shí)間每塔增加了30～40 min，石油焦揮發(fā)分均值為9.55%，較裝置改造前2011年1-10月份石油焦揮發(fā)分均值10.90%降低，進(jìn)一步做到了原料吃干榨凈，石油焦揮發(fā)分指標(biāo)引領(lǐng)同行業(yè)先進(jìn)指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了裝置改造目標(biāo):焦炭揮發(fā)分≤10%，說(shuō)明反應(yīng)深度加大，達(dá)到了預(yù)期的深度裂解目標(biāo)。

3.5 燃料氣單耗

加熱爐燃料氣單耗不僅與加熱爐對(duì)流段入口溫度有關(guān)，還與原料性質(zhì)、加熱爐熱效率和熱損失等因素有關(guān)。改造前后數(shù)據(jù)見(jiàn)表5、表6。改造前加熱爐反應(yīng)出口溫度在494～496℃，進(jìn)焦炭塔溫度為484～486℃，改造后加熱爐經(jīng)過(guò)4個(gè)多月的運(yùn)行調(diào)整，出口溫度維持在492～494℃，進(jìn)焦炭塔溫度在487～489℃。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的調(diào)整對(duì)比，選取了液收和加熱爐出口溫度的平衡點(diǎn)，確定了合適的反應(yīng)溫度，由于加熱爐需要提供更多的熱量，所以從5月份開(kāi)始燃料氣單耗較以往有所升高，但是根據(jù)前8個(gè)月的對(duì)比情況，燃料氣單耗基本持平，但后續(xù)有所升高，也從側(cè)面說(shuō)明了反應(yīng)深度的增加。

表5 2012年與2011年燃料氣單耗對(duì)比

表6 改造前后實(shí)際排煙溫度和熱效率

3.6 液體收率

液體收率的高低直接影響著裝置的效益，降低焦炭產(chǎn)率，提高液收能夠有效的提高經(jīng)濟(jì)效益。2012年的液體收率較2011年降低值為1.31%，石油焦收率增加1.58%，干氣產(chǎn)率增加0.78%，加工損失降低0.04%，液體收率中的液化氣收率增加0.49%，對(duì)裝置的整體效益影響明顯。根據(jù)Petro-Sim軟件對(duì)2012年比2011年焦化原料中530℃含量降低2.82%進(jìn)行測(cè)算，液收降低1.77%，按照這樣計(jì)算來(lái)看液收應(yīng)為 65.91%-1.77%=64.14%，實(shí)際液收下降了0.54%，相比較標(biāo)定期間的液收提高了3.27%。液收受原料性質(zhì)、裝置循環(huán)比和反應(yīng)溫度等影響較大，如果在同樣的原料性質(zhì)的情況下，改造的裝置液收將超過(guò)改造之前。

表7 2012年與2011年液體收率對(duì)比 %

4 總結(jié)

焦化加熱爐“定向反射、深度裂解”改造后，通過(guò)對(duì)裝置循環(huán)比、清焦周期、焦炭揮發(fā)分、燃料氣單耗和液體收率等項(xiàng)目分析，改造后深度裂解目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了循環(huán)比≤0.2、焦炭揮發(fā)分≤10%的改造目標(biāo)。這對(duì)加熱爐今后進(jìn)一步優(yōu)化工藝操作、節(jié)能降耗、挖潛增效提供了實(shí)際參考。