延遲焦化輻射爐運行周期的影響因素及應對措施

柳國榮

(中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部，上海 200540)

中國石化上海石化股份有限公司(以下簡稱上海石化)1#延遲焦化裝置2000年1月投產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模1 Mt/a；2#延遲焦化裝置2007年12月投產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模1.2 Mt/a。兩套裝置均采用一爐兩塔流程，加熱爐具有多點注汽、雙向燒焦、在線清焦等特點。延遲焦化加熱爐作為裝置的核心設備，它的長周期運行是影響裝置運行周期的關鍵因素。影響加熱爐長周期運行的因素主要有焦化原料的性質(zhì)、裝置工藝操作條件的選擇和加熱爐燒焦工藝的應用等。文章針對特定的或預處理后的原料，在良好的工藝操作技術平臺下，采用加熱爐燒焦工藝，就影響延遲焦化輻射爐長周期運行的因素及解決方法展開探討。

1 焦化原料性質(zhì)的影響

焦化裝置可以處理直餾渣油、裂解焦油、脫油瀝青、煤焦油、澄清油、減黏渣油等多種重質(zhì)、劣質(zhì)原料。這些重質(zhì)原料在熱轉(zhuǎn)化的過程中都同時沿著裂解和縮合兩個方向進行，前者是由較大的分子分解成較小的分子，后者則為由較小的分子縮合成較大的分子直至焦炭。焦化加熱爐長周期運行的影響因素幾乎都和焦炭的生成有直接或間接的關系。焦化原料的性質(zhì)變化不僅影響焦化產(chǎn)品的分布和性質(zhì)，而且會影響爐出口溫度等，因此需要對這些主要操作參數(shù)進行調(diào)整。另外焦化原料的性質(zhì)變化還會影響加熱爐連續(xù)運行周期，在原料性質(zhì)較為惡劣(如瀝青質(zhì)含量高、鹽類和其他固體含量較高等)的情況下，加熱爐爐管被燒焦，縮短了加熱爐的連續(xù)運行時間。

1.1 原料含鹽和固體雜質(zhì)

根據(jù)爐管結焦機理分析可知，加熱爐進料中的鹽類和固體雜質(zhì)會誘發(fā)成焦先兆體的快速增加，從而導致爐管結垢。焦化原料(如渣油)中主要是鈉鹽和鈣鹽，占原油中鹽類的大部分，焦化原料要求控制鈉鹽質(zhì)量濃度不超過50 μg/g，因此實際操作中煉油裝置在上游常減壓裝置均設有良好的電脫鹽設施，以保證脫鹽率在95%以上。

由于煉油廠實際流程不同，在焦化原料中往往摻有含有不同非溶解性固體雜質(zhì)的回煉油品，如催化澄清油含有催化劑粉末，這些非溶解性固體雜質(zhì)會誘發(fā)、加快高溫介質(zhì)成焦先兆體的出現(xiàn)，進而在爐管內(nèi)產(chǎn)生結焦現(xiàn)象。因此在考慮回煉催化澄清油、生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)石油焦時，應先對部分含非溶解性固體雜質(zhì)的焦化原料進行預處理，如對催化澄清油進行靜電除塵或自動反沖洗的機械過濾，以除去催化劑粉末。

1.2 原料的特性

原料的特性(主要指飽和烴/芳烴質(zhì)量分數(shù))不同，則它的臨界分解溫度范圍也不同，飽和烴質(zhì)量分數(shù)高則臨界分解溫度低，反之，芳烴質(zhì)量分數(shù)高則臨界分解溫度高。焦化加熱爐介質(zhì)熱穩(wěn)定性與四組成(膠質(zhì)/瀝青質(zhì)/飽和烴/芳烴)的質(zhì)量分數(shù)有關，當瀝青質(zhì)和飽和烴比例(尤其是蠟質(zhì)量分數(shù))增加時，介質(zhì)的熱穩(wěn)定性下降；當芳烴和膠質(zhì)比例增加時，瀝青質(zhì)和飽和烴比例下降，使介質(zhì)熱穩(wěn)定性上升[1-2]。

當焦化介質(zhì)的芳烴比例增加，瀝青質(zhì)比例降低，則焦化轉(zhuǎn)化率可提高, 也就是在已給定的爐子出口溫度下，可以緩和爐管結焦或者允許有更高的爐出口溫度。所以殘?zhí)恐凳呛饬吭铣山箖A向的主要預測指標，可作為估計焦炭收率和允許焦化轉(zhuǎn)化率的依據(jù)。

1.3 摻煉催化油漿

煉廠催化油漿的出路成為目前煉廠總體物料平衡的主要焦點，各煉廠催化裝置產(chǎn)生的催化油漿基本都是選擇進焦化裝置摻煉。

1.3.1 催化油漿性質(zhì)

催化油漿與減壓渣油在物理和化學性質(zhì)上有顯著的差別，這主要是由于催化油漿是減壓蠟油和減壓渣油經(jīng)過高溫催化裂化反應的產(chǎn)物，包含部分未經(jīng)反應的各種烴類。與減壓渣油相比，催化油漿具有以下特點：

(1)密度高。催化油漿的相對密度基本都大于1.0，明顯高于減壓渣油的密度。

(2)黏度低。催化油漿的黏度遠低于減壓渣油的黏度，在100 ℃時的流動性能方面遠好于減壓渣油。

(3)殘?zhí)康汀４呋蜐{的殘?zhí)窟h低于減壓渣油的殘?zhí)?，這與它的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量低有關。

(4)芳烴質(zhì)量分數(shù)高。催化油漿的芳烴質(zhì)量分數(shù)基本在50%以上，較減壓渣油高5%左右。

(5)餾程窄。催化油漿350 ℃的餾出量為10%左右，而減壓渣油在500 ℃的餾出量只有5%左右。

1.3.2 摻煉催化油漿對加熱爐影響

焦化裝置摻煉催化油漿前后爐管表面溫度數(shù)據(jù)見表1。

表1 摻煉催化油漿前后爐管表面溫度對比 ℃

從表1中可以看出：摻煉催化油漿前后輻射段爐管表面溫度平均增加9.5 K，一組二組爐管表面溫度上升趨勢尤為明顯，最高達到21.7 K，摻煉催化油漿后明顯加速爐管結焦速率。

1.3.3 摻煉催化油漿對收率影響

焦化裝置摻煉催化油漿前后產(chǎn)品分布情況見表2。

從表2中可以看出：焦化裝置摻煉催化油漿后，焦炭收率上升了7.07%，干氣收率上升1.05%，相應液體收率降低8.17%，說明催化油漿的結焦傾向高。

表2 摻煉催化油漿前后裝置產(chǎn)品分布情況對比

續(xù)表2

2 操作條件的選擇

2.1 循環(huán)比的調(diào)整

循環(huán)比作為焦化裝置工藝操作參數(shù)之一，在提高處理量、保證液體產(chǎn)品質(zhì)量和收率、避免爐管結焦等方面具有重要的作用，因此合理調(diào)節(jié)循環(huán)比不僅有利于工藝操作條件的調(diào)整，還有利于延長焦化加熱爐運行的周期[3]。

原料的性質(zhì)決定了循環(huán)比的降低程度，當原料四組成中的瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)很高時，原料的結焦傾向嚴重，在這種情況下不但不能降低循環(huán)比，反而需要增加循環(huán)比來改善加熱爐進料性質(zhì)。

在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常需要提高液體產(chǎn)品收率而降低循環(huán)比。在一定處理量下循環(huán)比的降低必然導致進加熱爐管油品量降低，爐管內(nèi)油品的流動狀態(tài)不利于傳熱，滯流內(nèi)層較厚，造成緊靠管壁的油品溫度上升，從而使結焦情況更容易發(fā)生。應該根據(jù)需要適當增加注水量或注汽量來改善油品的流速和流動方式，避免爐管過早出現(xiàn)結焦。當然，隨著循環(huán)比的降低，蠟油的質(zhì)量逐漸變差，尤其是焦化蠟油直接作為催化原料時要適當控制循環(huán)化，防止出現(xiàn)焦化效益提高，但催化效益下降的問題，煉廠應綜合考慮經(jīng)濟效益。

2.2 循環(huán)油品質(zhì)

由于循環(huán)比變化范圍受到一定的限制，因此在保證焦化裝置渣油處理量一定的情況下，如果原料的四組分發(fā)生了變化(實際生產(chǎn)中原油品種發(fā)生變化)，原料的熱穩(wěn)定性也將隨之發(fā)生變化，為了保證加熱爐的長周期運行，循環(huán)油的品質(zhì)應該及時調(diào)整。

如果原料油的特性因數(shù)降低，說明芳烴和膠質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)較高，熱穩(wěn)定性升高，在保證爐管結焦速率較低的情況下，為提高裝置的經(jīng)濟效益，可以適當調(diào)整分餾塔低油和重蠟油作為循環(huán)油。原料油的特性因數(shù)升高，說明瀝青質(zhì)和飽和烴的質(zhì)量分數(shù)較高，熱穩(wěn)定性降低，結焦傾向明顯，為了保證加熱爐的長周期運行，應適當調(diào)整輕蠟油甚至部分柴油作為循環(huán)油來滿足加熱爐長周期運行操作的需要[4]。

2.3 輻射進料流量、注汽量的控制

延遲焦化裝置在低負荷運行情況下，由于爐管內(nèi)平均流量偏低，流速較小，造成渣油在爐管內(nèi)停留時間過長，引起爐管內(nèi)壁層流內(nèi)層處的渣油出現(xiàn)結焦現(xiàn)象，影響爐子的長周期運行。應適當加大循環(huán)比提高爐管內(nèi)油品流速，通過注汽、注水來改變爐管內(nèi)油品的流動型態(tài)。

在偏流的情況下，流量小的管程內(nèi)會發(fā)生介質(zhì)停留時間延長、管壁溫度出現(xiàn)上升等有利于結焦現(xiàn)象的情況，因此加熱爐操作中應盡量保持各管程中進料流量和注汽量相同，避免出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，造成管內(nèi)結焦。

爐管內(nèi)介質(zhì)結焦速度取決于焦垢生成速度和脫離速度，即：結焦速度=焦垢生成速度-焦垢脫離速度[5]。

內(nèi)膜溫度(或管壁溫度)和表面熱強度是影響焦垢生成速度的主要因素。在一定質(zhì)量流速下，熱強度增大或內(nèi)膜溫度升高，則生焦速度加快，此時為了降低結焦速度，務必提高焦垢脫離速度，即增加質(zhì)量流速，使之處于高湍流狀態(tài)。所以在爐管入口，尤其在高內(nèi)膜溫度段前注入蒸汽(或凝結水)有利于焦垢的脫離，但由于注入蒸汽會導致油分壓降低，氣化率增加，則使氣相和液相的高溫介質(zhì)密度增加、變重，則更易造成爐管內(nèi)介質(zhì)不穩(wěn)定而結焦，若注水又會增加輻射段所需熱負荷從而提高爐膛燃燒熱強度。所以國外焦化爐及減黏爐設計的注汽(或水)量比國內(nèi)低得多(只有進料量的0.3%～0.5%)。另外小幅增加注汽量就會導致爐管入口壓力大幅增加，所以應該采用高冷油流速(≥2 m/s)。

2.4 加熱爐溫度的控制

在確保爐內(nèi)各管程流量均衡的情況下，輻射室工藝介質(zhì)出爐溫度需嚴格控制，嚴禁超溫操作。輻射盤管設置的管壁熱電偶應連續(xù)監(jiān)測并記錄管壁溫度，如出現(xiàn)管壁溫度突然升高的情況，應立刻檢查火嘴燃燒狀況及輻射進料流量、注汽量、工藝介質(zhì)出爐溫度等操作參數(shù)是否正常，并及時調(diào)整操作。

3 加熱爐燒焦工藝的應用

在線清焦顧名思義就是在加熱爐不停工的條件下，對多管程加熱爐中的某一列管程進行通蒸汽清焦，通過改變蒸汽量和管壁溫度使焦炭剝落，達到清焦目的。

在線清焦技術特別適用于加工低熱穩(wěn)定性的重質(zhì)原料以及消除擴能瓶頸的低循環(huán)比工況操作條件,可以延長加熱爐的連續(xù)運行時間，縮短停爐燒焦次數(shù)及停工檢修次數(shù)，從而提高全裝置以至于全廠的經(jīng)濟效益。

3.1 在線清焦技術

在線清焦技術的焦化爐一般采用4管程，以避免對后續(xù)設備操作造成太大的影響。操作時對其中一管程通入蒸汽，其余3管程正常操作，在線清焦用的蒸汽及清除的焦炭與其余3管程油品一同進入焦炭塔。

在線清焦方法有兩種：一是恒溫法，其原理是利用高速流動的水蒸氣對焦垢層的沖刷作用及水蒸氣在高溫下與焦炭發(fā)生化學反應生成一氧化碳和氫氣，該方法僅可用于結焦時間較短的焦化爐，可有效的去除管內(nèi)生成的軟焦層；二是變溫法，其原理是利用爐管金屬與管內(nèi)焦垢層熱膨脹因子的不同，通過快速升高或降低爐管溫度，使得焦炭層與爐管剝離。當管壁溫度達到630 ℃且持續(xù)3個月以上時，管內(nèi)焦層已經(jīng)變硬，采用恒溫法進行在線清焦的效果就不理想，此時應當采用變溫法。無論采用何種方法，都必須嚴格控制管壁溫度不超過爐管的最高使用溫度，并保證清焦管程的蒸汽壓降大于或等于其他正常操作的3管程的管內(nèi)壓降，以免熱油泄漏到清焦的管程中。在線清焦所需蒸汽量、管壁溫度的升降范圍及速度應按照焦化爐實際爐管規(guī)格、根數(shù)、材質(zhì)進行計算后確定，其操作必須嚴格按照規(guī)定的步驟進行實施，否則有可能造成爐管堵塞、變形，甚至爐管爆裂等嚴重事故。

在線清焦技術特別適用于加工高瀝青質(zhì)、高殘?zhí)康臒岱€(wěn)定性差的重質(zhì)油以及消除擴能瓶頸的低循環(huán)比工況操作條件下運行的加熱爐。在線清焦技術可延長加熱爐連續(xù)運行時間，縮短停爐燒焦次數(shù)及停工檢修次數(shù)。一般在線清焦的效果是：爐管表面溫度降低50 K左右，爐管壓降基本恢復到開工時壓降，清焦后可節(jié)省燃料10%～15%，單爐可連續(xù)運行3年。

3.2 雙向清焦

雙向清焦是在加熱爐進出口管線分別設置清焦蒸汽及空氣接管，實際操作中可由入口至出口進行正常清焦。當加熱爐靠近爐入口部位管內(nèi)結焦嚴重，采用正常方向清焦不能有效清除時，還可由出口至入口進行反向清焦。雙向清焦對具有在線清焦技術的雙面輻射焦化爐是十分必要的，尤其對于重質(zhì)焦化進料在低循環(huán)比和超低循環(huán)比條件下運行的焦化爐，面臨原料換熱預熱升溫效果不佳時，采用在線清焦和雙向在線清焦更為必要。

3.3 加熱爐在線燒焦的應用

延遲焦化加熱爐爐管結焦是個不可避免的問題，加工原料的差異、加熱爐操作要求不同決定加熱爐的結焦速率和加熱爐的運轉(zhuǎn)周期，國內(nèi)加熱爐的運轉(zhuǎn)周期基本在3～18月。隨著煉油行業(yè)加工重油比例的上升，焦化原料的劣質(zhì)化程度加大，為了在不停爐的情況下，延長高要求操作條件下加熱爐的運轉(zhuǎn)周期，上海石化兩套延遲焦化裝置在運行過程中均采用加熱爐在線燒焦工藝。

3.3.1 降低爐管表面溫度

在線燒焦工藝可以大幅度降低加熱爐爐管表面溫度。加熱爐燒焦前后爐管表面溫度對比數(shù)據(jù)見表3。

表3 加熱爐在線燒焦前后爐管表面溫度 ℃

續(xù)表3

由表3可以看出：加熱爐輻射段同等負荷下溫度由最高的638.1 ℃下降至536.2 ℃,下降101.9 K,最低下降50 K,平均下降72 K。

3.3.2 降低爐管入口壓力

加熱爐燒焦前后對流段入口壓力對比數(shù)據(jù)見表4。

表4 加熱爐在線燒焦前后對流段入口壓力

由表4可以看出：同等負荷下加熱爐對流段入口壓力由在線燒焦前的1.13 MPa下降至1.02 MPa，平均下降0.12 MPa，第三組對流入口壓力最大，下降了0.15 MPa。

4 結論

(1)影響延遲焦化輻射爐長周期運行的主要因素包括焦化原料(特別是加熱爐進料)的性質(zhì)、裝置操作條件的選擇等。

(2)摻煉催化油漿使得延遲焦化輻射爐爐管結焦速率明顯提高。

(3)采用加熱爐在線清焦工藝可以延長延遲焦化裝置運行周期。