（化学工程专业论文）胜利石化延迟焦化装置节能改造及标定.pdf

摘要 论文阐述了延迟焦化工艺的基本原理及重要设备加热炉炉管的结焦、积灰机理， 为节能改造提供了理论基础。针对装置存在的换热终温低，热量损失比较严重，焦化 炉转油线温降大，对流室漏风，对流炉管积灰及单位面积对流炉管的处理量偏大等问 题，提出了装置的节能改造方案。 根据测算结果主要改造措施有：加热炉辐射室底部新增加8 根炉管，中间增设一 堵炉墙；对原有换热流程重新进行优化和调整；分馏塔改动8 层塔盘，重新调整了分 馏塔开孔率，新增加2 层舌型塔盘；利用原常减压装置至焦化装置管线，采用部分热 进料。 改造后对装置进行了标定，装置加工能力达到4 8 3 万吨年，产品质量满足指标 要求，换热终温提高了2 0 c ，炉膛温度由原来的8 6 0 降为8 0 0 c ，加热炉排烟温度 由改造前的2 1 3 降低到1 7 9 ，炉膛内增加了隔断墙，东西辐射温度干扰较少，东 西分支火焰可以相对独立调整操作；分馏塔更换新型塔盘，同改造前数值相比，分馏 塔上部负荷明显增大。装置能耗为3 1 6 k g 标油t 原料，与改造前相比能耗降低了4 4 蚝标油t 原料。 关键词：延迟焦化装置，节能，加热炉，标定 e n e r g yc o n s e r v a t i o nr e t r o f i ta n ds t a n d a r d i z a t i o no fs h e n g l i p e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o n sd e l a y e dc o k i n g u n i t 7 _ | l l a ol a n w e n ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x i a oj i a z h i a b s t r a c t r a d i c a lp r i n c i p l eo fd e l a y e dc o k i n gt e c h n o l o g y ，a n dm e c h a n i s mo fh e a t i n gf u r n a c e f u r n a c et u b e sc o k i n ga n da s ha c c u m u l a t i o nw e f es e tf o r t hi nt h i sp a p e r , p r o v i d i n g t h e o r e t i c a lb a s i sf o re n e r g ys a v i n gr e c o n s t r u c t i o n a st h e r ea r em a n yp r o b l e m so f m a i nu n i t i np l a n ts i t e ，s u c ha ss e r i o u su n i th e a tl o s s ，h i g ht e m p e r a t u r ed r o po fc o k i n gf a r n a c e so i l t r a n s f e rl i n e ，l o wt e m p e r a t u r eo fm e d i u mg e t t i n gi n t oh e a t i n gf u _ r n a c e ，a i rl e a k a g eo f c o n v e c t i o nc h a m b e r , a s ha c c u m u l a t i o no fc o n v e c t i o nf u r n a c et u b e ，t r e a t m e n tq u a n t i t yo f u n i ta r e ab e i n go nt h ch i g hs i d e e n e r g yc o n s e r v a t i o no fr e c o n s t r u c t i o nw e r ec a r r i e do u t a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fs t a n d a r d i z a t i o n ，t h ei m p o r t a n tm e a s u r e sc o n s i s to f ：n e w8 t u b e sw e r ei n c r e a s e di nt h eb a s eo fr a d i a n tc h a m b e r , a d d i t i o n a l l yw a l lw a sb u i l ti nt h e m i d d l eo f f i r eb o x ，h c a te x c h a n g en e tw a so p t i m i z e d a n d8t r a y so f c o l u m nw c l em o d i f i e d i nf r a c t i o n a t i o nt o w e r ，t h eo p e n - c e l l sw e 陀r e a d j u s t e d ，n e w2t o n g u et y p et r a y sw e 佗 i n c r e a s e di n t h et o w e r b o t t o m i nt h ep r e c o n d i t i o no ft h ep i p ef r o ma t m o s p h e r i ca n d v a c u u n lu n i tt od e l a y e dc o k eu n i t ，h e a tf e e do f m e d i u mw a sa d o p t e d , s t a n d a r d i z a t i o nw a sc a r r i e do u ta f t e rr e t r o f i to fm a i nu n i ti np l a n ts i t e 1 1 r e s u l t s s h o w e dt h a tu n i tp r o c e s sc a p a b i l i t yr e a c h e d4 8 3 ，0 0 0t o n s y e a r s ，a n dt h ep r o d u c tq u a l i t y s a t i s f i e dt h et a r g e tr e q u e s t n ee n dh e a tt r a n s f e re n h a n c e d2 0 1 1 圯c h a m b e r t e m p e r a t u r ed r o p e dt o8 0 0 f r o m8 6 0 a n dt h et e m p e r a t u r eo ff l u eg a sb e c a m e1 7 9 f r o m2 1 3 b e c a u s eo ft h ea d d i t i o n a l l yi n c e a s e dw a l li nt h em i d d l eo ff i r eb o x 。t h e r a d i a t i o nt e m p e r a t u r ed i s t u r b a n c eh a v eb e e nl e s s ，s ot h eb r a n c hf l u m ei n d e p e n d e n t l ya d j u s t o p e r a t i o n ；m o r e o v e rb e c a u s et h ew a l li n c r e a s e dt h ec h a m b e ri n t e r i o rc a l o f i f i c c a p a c i t y , s o t h e s ea l ea d v a n t a g e o u st ot h eo p e r a t i o n c o m p a r i n gr e p l a c e m e n t so f n e wt r a y sw i t hb e f o r e t r a n s f o r m a t i o n , t h e l o a d c a r i n g a b i f i t y o b v i o u s l y i n c r e a s e d n 掂 i n s t a l l m e n t e n e r g y c o n s u m p t i o ni s31 6 k gr e f e r e n c eo i l tr a wm a t e r i a l ，a n dr e d u c e db y4 4k gt h e r e f e r e n c eo i l tr a wm a t e r i a lc o m p a r i n gt ob e f o r er e t r o f i t k e yw o r d s ：d e l a y e de o k i n gu n i t ；e n e r g ys a v i n g ；h e a t i n gf u r n a c e ；s t a n d a r d i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名： 盔! 釜洄年 72 月1 0 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 纠年12 月) de l 夕1 年j d 月矗。日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的背景 第1 章前言 延迟焦化是以减压渣油、减粘渣油、催化油浆、溶剂抽提的沥青等重质油为原料， 经裂解、缩合等反应，转化为轻质油品、中间馏分油和焦炭的热加工工艺。是目前应 用最为广泛的渣油加工手段。自1 9 3 0 年8 月美国建成世界上第一套延迟焦化工业装 置，因其对原料的适应性强，工艺流程简单，技术成熟可靠，工程投资低等特点，得 到了迅速发展，己成为目前重质油轻质化的重要手段之一【”。 随着原油品质重质化、劣质化趋势和市场对液体产品需求品质要求提高等因素的 影响，延迟焦化已成为发展最快的炼油工艺之一，全球焦化装置加工能力由1 9 9 9 年 初的1 9 1 m t a 提高到2 0 0 4 年底的2 4 4 m t a ，增长了2 7 7 5 。据美国油气杂志统 计，2 0 0 4 年全世界6 7 4 座炼油厂中1 4 7 座已拥有焦化装置，总的加工能力达到 2 4 4 m t a ，约占世界原油一次加工能力的5 9 3 。据预测，今后二十年焦化装置加工 能力仍将以每年7 o 的速度增长 2 1 。美国是焦化能力最大的国家，我国的焦化能力仅 次于美国。至2 0 0 4 年底，我国延迟焦化加工能力已达3 2 4 5m 怕。目前中石化约有 2 8 套焦化装置正在运行，总加工能力约为2 8m t a ，2 0 0 8 年后，中石化将有约3 5 套 焦化装置，焦化加工能力将达到约4 0m t a 。中石油约有1 4 套焦化装置正在运行，总 加工能力约为1 5 5m t a ，预计2 0 0 8 年后中国的焦化总加工能力将超过7 0 m t a ，焦化 工艺将成为中国渣油加工最主要的加工工艺【3 】。 1 2 现状及存在的问题 1 2 1 现状 中国石化胜利油田分公司石油化工总厂延迟焦化装置于1 9 9 6 年建成投产，由中 石化北京设计院负责设计，设计加工能力4 0 万吨年。装置由焦化部分、分馏部分、 水力除焦部分、冷焦切焦水循环部分，简单的柴油吸收富气部分及吹汽放空部分组成。 2 0 0 3 年由洛阳石化工程公司对装置进行改造，新增了吸收稳定部分；干气、液化气 脱硫部分。另外，对原焦化装置进行了完善，分馏改为可灵活调节循环比流程，焦 第1 章前言 化加热炉改为“下进中出”流程、超声波吹灰器和水热媒空气预热器，更换原蜡油催 化闲置的富气压缩机，增加e s d 等。 1 2 2 延迟焦化存在的问题 ( 1 ) 介质入加热炉温度低 分馏塔塔底循环油抽出温度为3 6 0 1 2 ，至循环油换热器入口处温度仅为3 1 0 9 c ， 按4 0 万吨年处理量热损失相当于1 6 8 万k g e o 年。保温不好造成热量损失。另外换 热面积不够，换热流程不合理也是造成换热终温低的主要原因。 ( 2 ) 装置热量损失比较严重 分馏塔底至循环油换热器前，对流转辐射段，焦化炉出口至四通阀后，大油气管 线等5 处散热损失相当于4 0 0 万k g e o 年。同时对流室漏风严重， ( 3 ) 对流炉管积灰 加热炉燃气时，基本上无灰垢；但在燃油时，因其粘度大，残碳量高，灰分含量 多，并含有多种不同金属的成份，致致使雾化质量差燃烧不完全，造成炉管积灰；对 流总传热系数由开工初期8 9 2 5 w , , ? 下降至目前的7 5 6w m 2 。造成炉膛温 度升高影响加热炉的长周期稳定运行。 ( 4 ) 单位面积处理量偏大 将处理量和传热面积与国内其他炼油厂同类装置进行比较，处理量4 0 万吨年 时，单位面积炉管的处理量比国内其他装置偏大，处理量增加到5 0 万吨年后，单 位面积处理量将更大，对流室炉管面积偏小。 1 3 研究目的 根据装置存在的问题，中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油化工总厂 和中国石油大学合作，通过详细核算，以消除影响装置加工量的瓶颈为主，从节能方 面入手，对现行换热流程优化进行优化调整，对加热炉增设辐射炉管及隔断墙，更换 分馏部分塔盘，采用部分热进料，改善保温等措施。目的是提高装置加工能力，减少 热损失，实现节能耗，提高装置经济效益。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章基本理论 2 1 延迟焦化过程的机理 2 1 1 延迟焦化过程的反应机理及模型 延迟焦化是利用重油结焦前体物在裂解转化率较低时不易出现的反应现象，使重油 在热转化程度较低的情况下快速通过焦化炉炉管获得热反应所需要的热量，在焦炭塔内 完成重油轻质化的工艺过程【4 】。该工艺过程可以根据炼油厂的不同原料和操作条件，调 节产品产率，如多产汽油、柴油或多产裂化原料的重质馏分油或多产焦炭。因此，延迟 焦化过程是炼油厂提高轻质油收率和生产石油焦的主要加工手段。 延迟焦化过程是重质渣油深度裂化和缩合反应的综合热过程，一般包括两种反应： 烃分子的链断裂生成小分子烃和链断裂生成的活性分子再缩合反应的综合热过程【5 1 。重 油中的烷烃发生的热反应主要有c l c 键断裂生成小分子的烷烃和烯烃以及c - h 断裂 生成烯烃和氢气的反应；芳香烃的芳环一般不会断裂，在热反应中一般发生断侧链或脱 烷基反应，在较高温度下可以发生脱氢缩合反应，生成多环芳烃，形成胶质；重油中的 胶质沥青质是多环、稠环化合物，分子中也含有多种杂原子，在热反应中除了经缩合反 应生成焦炭外，还会发生断侧链的裂解反应【6 】。 焦化重油热反应总的反应升温历程可归纳如图2 - 1 所示 鼹群产圃 圆 图2 - 1 重油的热反应机理 在重质油料的热反应中，常把比原料油轻的轻质油品和气体作为裂化反应的生成 物，而把重于原料油馏分的渣油和沥青质等作为缩合反应的生成物。 第2 章基本理论及改造方案 日本石油学会川重质油分会曾选择七种减压渣油在间歇式反应器中通过不同的反应 条件进行热转化，以渣油中苯可溶物作为反应物，轻油和裂化气作为裂化反应产物，苯 不溶物作为缩合反应最终产物，提出热转化模型( 见图2 2 ) ，该模型假定裂化与缩合反 应均为一级不可逆反应。 匿墅翌( o i l 1 g a s ) ( x 1 ) b s ( 1 - x 1 ) ( 弛) 图2 - 2 典型的平行热转化模型 重质渣油的组成十分复杂，不仅含有各种烃，还含有较多的胶质和少量沥青质以及 碱金属、重金属和氮化物等杂质，所以延迟焦化过程的反应机理很复杂，无法定量的确 定所有的化学反应。但是，可以认为在延迟焦化过程中，渣油热转化的反应是分三步进 行的嘲： 首先原料油在加热炉中在很短的时间内被加热至4 5 0 5 0 0 ，少部分原料油气化发 生轻度的缓慢裂化。 然后从加热炉出来的，已经部分裂化的原料油进入焦炭塔。根据焦炭塔内的工艺条 件，塔内物流为气液相混合物。油气在塔内继续发生裂化。 焦炭塔内的液相重质油，在塔内的温度、时间条件下持续发生裂化、缩合反应直至 生成烃类蒸气和焦炭为止唧。 2 1 2 延迟焦化流程 延迟焦化装置由焦化、分馏( 包括气体回收) 、焦炭处理和放空系统几个部分【1 0 1 。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 1 2 1 焦化一分馏部分 图2 - 3 延迟焦化装置焦化、分馏部分工艺流程图 第2 章基本理论及改造方案 ( 1 ) 焦化分馏流程 焦化原料油先与焦化瓦斯油换热，然后进入焦化主分馏塔底部的缓冲段，在塔底与 循环油混合。由加热炉进料泵送入加热炉进行加热，加热原料在炉中被迅速加热( 约 5 0 0 ) 并有部分气化和轻度裂化，为保持所需的流速、控制停留时间和抑制炉管内结 焦，需向炉管内注入蒸汽。加热后的原料进入进入焦炭塔中进行焦化反应，焦炭塔内的 油气发生热裂化反应，重质液体则连续发生裂化和缩合反应，最终转化为轻烃和焦炭。 全部油气从焦炭塔顶部逸出并进入焦化主分馏塔，经分馏得到气体、汽油、柴油、蜡油 和循环油。 从焦炭塔顶出来的油气进入焦化主分馏塔底部的缓冲段，用从上部洗涤段来的重瓦 斯油冲洗和冷却，使循环油冷凝下来。循环油与新鲜原料油在塔底混合，用泵送入加热 炉。焦化主分馏塔下部设重瓦斯油循环回流段，从循环目流塔盘抽出的重瓦斯油，取出 的回流热量用于预热原料油，发生蒸汽或作为气体回收部分重沸器的热源。主分馏塔上 部为轻瓦斯油精馏段，从此抽出轻瓦斯油，经过在汽提塔内用蒸汽汽提后作为产品f i i j 。 塔顶产品为石脑油和焦化富气经过冷凝冷却和油水分离后，分离出的富气经过焦化富气 压缩机升压后送入气体回收部分，分离为液化石油气和燃料气。分离出的石脑油除了用 做塔顶回流外，其余部分作为焦化石脑油产品送出装置。为了有效回收热量，也可上部 循环回流代替塔顶冷回流。分离出的含硫污水送至污水处理场进行处理。如图2 3 。 焦炭塔为间歇操作，交替进行生焦除焦，需要有两组( 2 台或4 台) 焦炭塔进行轮 换操作，即一组焦炭塔为生焦过程；另一组为除焦过程 1 2 , 1 3 。焦炭塔采用水力除焦，使 用i o - - i o m p a 的商压水进行焦炭的钻孔、切割和切碎。焦炭从塔底排入焦炭池中，经脱 水后运出装置。 焦化炉是焦化装置的重要设备，决定了整个装置的操作周期和经济效益。控制炉管 结焦速率，确保操作过程中炉管外壁温度不致过高，是该工艺过程存在的基础；尽量提 高生焦反应给热量降低焦炭产率是该工艺获得成功的技术关键。大型焦化加热炉分为几 个管程。在每组加热管设有独立的燃烧器和独立的流量温度控制系统等措施来保证加热 炉的正常运转和延长操作周期。炉管结焦是一个累积过程，焦化炉炉管内结焦后炉管外 壁温度上升，是导致炉管破坏的根本原因【1 4 1 5 】。 焦化气体回收一般采用吸收一稳定流程，其任务是进行油气分离、脱硫后得到焦化 干气、液化石油气和焦化石脑油。 来自焦化分馏塔顶回流油罐的油气经过用富气压缩机压缩后，送入吸收脱吸塔回收 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 液化石油气和石脑油。吸收脱吸塔用石脑油吸收富气中的c 3 + 组分。吸收脱吸塔顶的物 料主要是 降低过剩空气系数以减少排烟损失 燃烧所用实际空气量与理论空气量之比叫做过剩空气系数a 3 0 1 ，一般炼油管式炉正 常工作的过剩空气系数在烧气时为q = 1 0 5 1 1 5 ，烧油时为a = 1 1 5 1 2 5 。实际操作中， 如果过剩空气量增加，排烟时大量的过剩空气将热量带走排入大气，使排烟损失增加， 热效率降低。由于过剩的空气是在排烟温度下排入大气的，所以排烟温度越高，过剩空 气带走的热量就越多，对热效率的影响也就越大。图2 8 表示过剩空气系数a 每增加0 1 对熟效率下降值的影响。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ， ，。 ， ， ，。 ， ， 捧姻温度 图2 - 8 过剩空气系数对热效率的影响 ( 4 ) 减少不完全燃烧损失 减少不完全燃烧损失【3 0 】的措施首先是选用性能良好的燃烧器，并及时的和定期的维 护，使燃烧器长期保持在良好的状态下运行，以保证在正常操作范围内能完全燃烧。 ( 5 ) 减少散热损失 管式炉外壁以辐射和对流两种方式向大气散热1 3 0 l 。散热量与炉外壁温度、环境温度 和风速等有关。它们之间的关系如图2 - 9 2 1 0 。当内壁温度一定，炉墙材质、结构和尺 寸己一定时，环境温度下降，炉外壁温度也降低，实际温差变化不大，散热损失变化也 不大。同样，环境风速增加，外壁温度也降低，但对流传热系数增加，因此散热量变化 也不大。即，环境温度和风速对炉外壁温度影响较大，而对散热损失虽有影响，但是影 响不大。 第2 章基本理论及改造方案 一 厶气 i x矽g j b6 汐。 斯 2 0 汐 八彦 ， 斯 ， 7 ， f 嘞 么 驴 t o = 3 0吹 z 0 1 一 彭 1 5 6 嘭f由o l ，6 6 么够 ， ， 。- - - 2 c 。荔 0 !荔 。夕 1 外整温度k i 图2 - 9 炉墙外壁散热系数和散热强度( 无风) 一熏善蔷邂丽壤警 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 喜 蠢 鬟 ，一r ， 毫 i ? 砺 | 1 | 易孑 |影 ，。 | | ? j | 彳 i y | j | ， ljf 乡 j l 7 。j ， j， 彩 力 ， y ?卅 8f 吵么7 i ， ， 、 ， i ， f 。 ；前f 豸 ， 7 。 ， ， q | 缓多 ， 7 j 么绉乡 t , = 2 0 c i o2 04 0 印8 01 0 01 9 01 4 0l 1 2 外壁温度k i 愚 图2 ，i o 风速对散热的影响 2 2 2 2 低温露点腐蚀 ( 1 ) 低温露点腐蚀机理s 0 3 的生成 一般燃料油或燃料气中均含有少量的硫，硫燃烧后全部生成s 0 2 3 0 1 。由于燃烧室中 譬、事蔷戗硬耀曩 第2 章基本理论及改造方案 有过量的氧气存在，所以又有少量的s 0 2 进一步再与氧化合形成s 0 3 。在通常的过剩空 气系数条件下，全部s 0 2 中约有1 0 o - - 3 转化成s 0 3 。在高温烟气中的s t h 气体不腐蚀 金属，但当烟气温度降到4 0 0 c 以下，s 0 3 将与水蒸气化合生成硫酸蒸汽，发生如下反 应： s 0 3f + i - 2 0t h z s 0 4f 当酸性蒸汽凝结到炉子尾部受热面上时就会发生低温硫酸腐蚀。与此同时，这些凝 结在低温受热面上的硫酸液体，还会粘附烟气中的灰尘形成不易清除的粘灰，使烟气通 道不畅甚至堵塞。 与此相反，s 0 2 与水蒸气化合生成亚酸气，它的露点温度低，一般不可能在炉子内 凝结，对炉子无损害。所以，硫酸露点腐蚀过程中最重要的因素是s 0 3 的形成。s 0 2 转 化为s 0 3 的机理非常复杂，有两种理论：烟气中的s 0 2 被原子氧所氧化；烟气中的s 0 2 被分子氧所氧化。 由s 0 2 转化为s 0 3 的量，与过剩空气系数及燃料含s 量有很大关系。含硫量越多， 过剩空气系数越大，s 0 3 的生成量就越多。其关系如图2 1 l 2 1 2 。 1 11 2 1 3 1 41 5 过剩空气系数 图2 - 1 1 过剩空气系数与s 0 3 转化率 3 2 l o 敞魔蹭茎髯 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 1 2 燃料油含硫量与s 0 3 转化率 ( 2 ) 影响烟气露点温度的因素 烟气露点温度口o l 除与烟气中影响s 0 3 量的过剩空气系数和燃料含s 量有关外，还随 烟气中水蒸气的含量增多而升高。 2 2 2 3 低温露点腐蚀的防止和减缓措旋 ( 1 ) 提高空气预热器入口的空气温度 提高空气预热器入口的空气温度【3 0 l 可以提高预热器冷端换热面的壁温，防止结露腐 蚀。最常用的是采用空气再循环的方法，把己预热的空气从再循环管道引入风机入口和 冷空气混合来提高温度。 ( 2 ) 提高空气预热器换热面的壁温 提高空气预热器入口的空气温度可以提高预热器的换热面壁温，防止腐蚀产生【3 0 l 。 ( 3 ) 采用耐腐蚀材料 耐腐蚀材料1 3 川分为非金属和金属材料两类。目前国内己开始在管式空气预热器钢管 外表面( 烟气侧) 涂上非金属防腐层进行试用和研究。 ( 4 ) 采用低氧燃烧 控制燃烧过剩空气量口o l ，能有效地减少s 0 3 的生成量。降低露点腐蚀，对减少低温 腐蚀有利。在管式炉中，实现低氧燃烧必须保证炉墙的严密性，并且严格控制每个燃烧 器的进风量，否则极易引起机械和化学不完全燃烧，增加排烟热损失。 ( 5 ) 使用低硫燃料 烟气露点温度随液体燃料或气体燃料中的含硫量或硫化氢含量的增多而升高 3 0 1 。 第2 章基本理论及改造方案 2 2 3 影响加热炉结焦因素 2 2 3 1 结焦形态 图2 1 3 结焦前后炉管受熟状态的变化 结焦【3 i j 是炉管内的油品温度超过一定界限后发生热裂解，变成游离碳，堆积到管内 壁上的现象。如图2 1 3 ，管内壁结上一层焦后，增加了一层焦垢热阻，使管壁温度升高， 其后，气相和液油品将继续渗透到焦层的孔隙中去，继续结焦，逐渐形成越来越厚的坚 实的焦层，使管外壁温度最终超过允许值，这从炉管外表面的局部区域颜色发生明显变 化可以判断出来。使管壁温度急剧上升，加剧了炉管的腐蚀和高温氧化，引起炉管鼓包 破裂，同样增大了管内压力降，使炉子操作性能恶化，甚至不得不提前停运。 2 2 3 2 结焦速度 管内结焦p 1 1 是传热表面上生成“污垢的一种现象，可采用传热面上的“结垢速度” 分析。根据这一概念，可将炉管内的“结焦速度”定义为每小时管内结垢热阻r i 的增加 值。风的单位为( m 2 h i p l c j ，所以结焦速度的单位为( m 2 h i ) m 。 结焦的多少取决于两大因素，焦炭生成速度及焦层脱落速度，即 结焦速度= 焦炭生成速度焦层脱落速度 2 2 3 3 影响焦炭生成速度的因素 ( 1 ) 加热温度 单纯加热的炉子，为尽量限制不必要的热分解，只要能满足工艺过程的基本要求， 2 6 不结焦时边界层 管内琉体 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 最好尽量降低流体被加热的温度。降低流体温度【3 1 1 有多种办法，如降低炉子盘管系统的 管内压力，减少转油线的压降等。减压炉常采用向辐射炉管注水蒸气的办法，这是由于 过热水蒸气可以降低油气分压。同时也有助于提高管内流速，增大传热系数。 对于非纯加热的焦化加热炉，通常油品的温度越高，则裂解速度越快，轻质油收率 越高，但反应时间宜短。反应时间越长，裂解反应的焦质生成物会越多，所以必须对加 热反应的过程进行某种控制，尽量缩短反应物在高温区的停留时间。停留时间的长短取 决于反应物的温度和流体的生焦特性。每种油品都有自己开始发生结焦的“临界温度”。 一般说来，油品越重，直链烷烃越多，结焦的“临界温度”越低。 ( 2 ) 管壁温度和热强度 焦层是在管内壁表面上生成的，管壁温剧3 1 1 是影响焦炭生成速度的最基本因素之 一。由于介质和管壁的接触面存在着一层边界层，见图2 - 1 。所以，如果介质在边界层 内的温度或者管壁的温度比管内主流体的温度高，那么，高出多少主要取决于炉管的表 面热强度，也与内膜传热系数等因素有关。为防止结焦，对焦化炉，不应片面追求过于 高的传热指标，而使辐射热强度过大。炉管表面热强度是影响炉管挂焦速率的重要工艺 参数，炉管表面平均热强度越小，炉管的结焦倾向越低。在处理量和工艺条件给定时， 炉管传热面积越大，炉管表面热强度越小。现场炉管传热面积的增加是靠增加炉管根数 来实现的。由于担心炉管根数过多，导致循环油在管内停留时间过长，热转化率增加， 流动主体内自由基的“笼蔽”保护作用被破坏，我国焦化炉炉管根数标准设计一般维持 在3 8 根左右。 2 2 3 4 影响焦层脱落速度的因素 ( 1 ) 管内流速 流体在炉管内的流速越低，则边界层越厚，传热系数越小，管壁温度越高，介质在 炉内的停留时间也越长。其结果，介质越容易生焦，炉管越容易损坏。但流速过高又增 加管内压力降，增加了管路系统的动力消耗。 足够的管内流速可提供将尚未固着的初期疏松的焦层排出炉外所需要的紊流状态 和能量，因此流速是使焦层脱落的最基本因素。为防止结焦，只要压降允许而又不造成 冲蚀，最好尽可能采用高的流速。这时内膜传热系数也可增大，从而使管壁温度降低， 也有缓和结焦的作用。我国设计的焦化炉主要采用注水，注汽等手段来提高流速，减少 结焦。 第2 章基本理论及改造方案 ( 2 ) 管内流态 气液混相流3 1 】有数种流动状态。对于水平管，结焦可能性大的流态是层流，在这种 状态下气液两相分开流动，管子的上部是气体，下部是液体。较好的流态是喷雾流或环 状流，此时气液相混，几乎呈等速流动。层流时，焦层主要在管子上部的气相一侧形成， 这是由于气相一侧排走结焦物的动能不足，以及气相的内膜传热系数比液相小，管壁温 度局部升高的缘故。 ( 3 ) 焦层生成与脱落的平衡 通常，结焦不一定发生在炉子内温度最高的出口管附近，一般多见于温度较低的一 些中间部位。这是由于出口段虽然温度高，但汽化率大，能满足焦层脱落的流动性态及 流速等条件，从而抑制结焦速率。而在炉子盘管的中段，只要焦层脱落速度小于生焦速 度，便会结焦。在焦化炉中，还常把一部分生成油进行循环，其目的是通过将富含环状 组分的循环油( 其特性因素k 值较小) 混入进料，促使加热炉这一中间部位的临界结焦 区域移向容易满足焦层脱落条件的高温段【3 ”。 2 2 4 加热炉炉墙 炉墙( 也称炉衬) 的作用是耐火和隔热。火墙是炉膛内独立砌筑的耐火砖墙。一般 用来将辐射室分为几阈或用来增加炉膛中的再辐射面。火墙通常用重质粘土砖或轻质高 铝砖砌筑，呈阶梯形。其底部的宽度至少应为高度的8 ，每段墙的高度比不应超过5 ： 1 。火墙应是自支撑式，墙基应直接砌在炉底板上，而不能放在其他耐火材料上。沿火 墙长度每隔3 4 米应留出膨胀缝，火墙与其他炉墙相接处也应留出膨胀缝【3 l j 。 火墙温度指烟气离开辐射室进入对流室时的温度，它表征炉膛内烟气温度的高低， 是炉子操作中重要的控制指标。火墙温度高，说明辐射室传热强度大。但火墙温度过高， 则意味着火焰太猛烈，容易烧坏炉管管板等1 3 2 】。 2 2 5 对流管积灰 2 2 5 1 灰垢的种类和成分 炉子烧气时基本无灰，但烧重油，尤其时烧减压渣油，污油时，烟气中的灰垢量不 能忽略，称为油灰，它由多种固体颗粒组成：一种为“垢”，是燃料燃烧后残留下来的 不可燃的组分，主要为n a 、k 、v 、等金属的固体盐类，它的多少与燃料油性质分析 中的“灰分”的数量相当。一类为“灰”，是燃料油中的可燃组分一碳元素在燃烧不完 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 全的情况下残留下来的微粒。“灰”又可分为“细烟灰”和“粗烟灰”。 油的燃烧过程 是按照下列阶段进行的：油与空气混合；混合物受到预热，预热后烃类一方面蒸发里气 相，一方面产生热分解留下残碳；着火和完成气相的氧化一燃烧。 燃料油中已经汽化的那部分烃类如果同空气混合得不充分，仍会燃烧不完全，这时 生成的未燃碳粒是“细烟灰”，它的粒径很小，通常在lpi n 左右，但活性很强，容易在 传热面上附着，通常堆积到空气预热器等尾部受热面上。 燃料油中不能蒸发汽化的那部分重质烃类受热后则发生热分解，留下残碳，这些残 碳形成的未燃碳粒叫“租烟灰”，它的形状近似球形，粒径大致为1 0 2 0 0 pm 左右。“粗 烟灰”的生成量与燃料油性能分析中的“残碳量”相当【3 2 捌。 2 2 5 2 决定灰垢生成的主要因素 ( 1 ) 燃料油性能 燃料油的“灰分”含量越高，“残碳量”越高，它燃烧后形成的烟其中灰垢也越多。 油的残碳量、燃烧的过剩氧量与烟气灰垢浓度的典型关系如图2 1 4 【3 3 川。 飞1 堡 薰l 鹫 整 姆 挺舶 o c c r( 嘞：燃科中的残碳量 忿 - _ 、 g r = 啪 - 、 c c r = 2 0 、 ； 、 、g r 。1 c c r = 鼹 o ：r = o 0l234 过囊氧量0 2 ，i 图2 一1 4 燃料油残碳量、燃烧过剩氧量与灰垢浓度的关系 ( 2 ) 燃烧器的雾化质量 雾化质量对灰垢生成量影响很大，但起支配作用的并不是雾化后粒子的平均粒径， 而是最大粒径。 雾化质量与燃烧器的雾化形式，喷嘴加工精度，喷油量等诸因素都有关系，即使同 一个喷油嘴，长期使用受到磨损后雾化性能也会恶化，从而导致灰垢量增加，如图 第2 章基本理论及改造方案 2 o l5 1 - o o1 0 2 0 喷油嘴的磨损d o 腭 图2 1 5 油嘴磨损量与灰垢量的关系 ( 3 ) 空气温度的影响 因为燃烧空气温度的高低影响到火焰温度和炉膛烟气温度，所以空气温度自然也是 灰垢量的影响因素之一。但是提高风温对降低灰垢量作用并不是很大【3 3 j ”。 2 2 5 3 灰粒沉积的规律 ( 1 ) 惯性沉积 时同 图2 一1 6 灰粒沉积量与时间关系 烟气中的固体颗粒与炉管表面相互碰撞时，部分颗粒在惯性力作用下将沉积下来。 灰粒的沉降量随时间而变化，符合指数规律。如图2 1 6 。开始时灰分沉积得快，但不久 就达到平衡状态。因为在灰垢继续沉积的同时，在烟气流的作用和大灰粒的撞击下又减 少了灰分的沉积【3 6 】。 ( 2 ) 边界层沉积 烟气流过管束时，紧贴管壁外表面存在着一层薄薄的速度边界层，当灰垢粒子进入 着一边界层后动能大大降低，会在管表面上沉积下来。 流过管束的烟气把它的热量交给管柬，沿着管外壁的边界层，烟气温度也是迅速下 降的。灰垢粒子进入边界层后随着温度的下降粒子见得粘聚力增强，也容易沉积到管表 撼哪踩糕 啊撼醛 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 面上。 用边界层沉积的原理可以解释为什么在某些烟气流速高的地方仍有积灰，也能解释 为什么很小得灰粒( 直径1 3um ) 也会在管表面( 其是低温的管表面) 上沉积下来。 2 2 5 4 积灰对传热的影响 管外积灰的后果是：增加了热阻，使炉子的排烟温度升高，热效率下降；减少了烟 气的流通面积，使烟气流速升高，烟气流动的阻力加大，可通过判断传热系数判断炉管 积灰；在尾部低温受热面，积灰后的管壁更容易吸附烟气中所含有的硫酸整齐，加剧露 点腐蚀 3 3 , 3 5 。 第3 章改造方案 第3 章改造方案 3 1 现场存在问题 通过对改造前3 5 4 l 万吨年与3 8 2 2 万吨年两个操作点进行标定，发现目前该 装置存在热量损失比较严重、介质入加热炉温度较低和提高装置的处理能力等问题。 物料平衡见表3 1 。而且全厂加工能力扩大，需要对该装置处理量进行相应的改造。 表3 - 1 物料平衡表 3 1 1 介质入加热炉温度低 分馏塔塔底循环油抽出温度为3 6 0 。c ，至循环油换热器入口处温度仅为3 1 0 。c ( 点 温仪测量和现场双金属温度计显示均为此数值) ，假设各处测温准确，目前处理量下 热损失相当于1 6 8 万k g e o 年。 渣油和循环油混合经缓冲罐后进入焦化炉，入炉温度点温仪测温为3 1 0 c ，热电 偶读数为2 4 0 2 5 0 ，假若热电偶测温准确，从进料缓冲罐v - 2 1 0 1 出口3 0 0 降至 2 5 0 ，处理量按目前3 8 万吨年，热损失相当于1 9 0 万k g e o 年。操作记录提供的 数据在开工初期显示为2 5 0 ，目前为2 6 0 c ，判断热电偶测温不准确；入炉温度显 示受天气变化影响很大，判断为保温不好。 如果假设热电偶和双金属温度计测量准确，则散热损失大，需要加强管路保温； 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 如果假设热电偶和双金属温度计测量不准，应对热电偶和双金属温度计进行校对并检 查安装和结焦情况。原料自进装置至入加热炉各段温度测量具体数据参见表3 - 2 。 表3 - 2 现场测温数据 序号铡点位置测点温度 ( ) 备注 1 e 2 1 0 1 a ，b 原料油 柴油换热器 2 e 7 0 1 8 a b 原料油 蜡油换热器 3 e 2 1 0 3 a b 渣油循 环油换热器 4 循环油注入前渣油 温度 5 v 2 1 0 2 入口温度 6 v - 2 1 0 1 出口温度 渣油入加热炉 加热炉转油线从对 流室出 加热炉转油线进辐 射室 加热炉辐射出口 渣油入换热器 渣油出换熟器 柴油入换热器 柴油出换热器 渣油入换热器 渣油出换热器 蜡油入换熟器 蜡油出换熟器 渣油入换热器 渣油出换热器 循环油入换热器 循环油出换热器 四通阀后 l 3 项为现场双金属温度计指示数据， 3 2 03 2 3 3 1 l3 1 7 2 9 8 3 0 73 1 2 3 l l 3 1 4 3 7 7 3 7 8 ， 3 7 53 7 3 3 7 03 7 4 3 7 13 6 9 5 0 1 5 0 1 5 1 l4 9 9 5 0 14 9 8 其余项为红外线点温仪实测管壁温度。 3 1 2 对流室漏风 空气经空气预热器由l o c ；b n 热至2 0 0 c 入炉，温升1 9 0 ( 2 ，烟气经水热煤烟气换 热器烟气由2 7 0 c 降至排烟温度1 9 0 ，温降8 0 。 假设排烟温度、空气预热口入炉温度正确，则判断烟气换热器入口温度偏低，可 能由于热电偶温度计测量不准或衬里整体老化，对流室炉体漏风。 若热电偶温度计测量不准，烟气和空气流量比为1 1 2 ：1 ，根据热平衡计算得到 碇|宝ms枷呈珊瑚m；言螂瑚瑚蛳碇m姗弼螂m劬m拗：窨ls枷柳 上下东西东西东西东西 ， 。 ， m n 溯 第3 章改造方案 烟气进入烟气换热器温度为3 7 0 。 若对流室漏风，根据热量平衡，辐射炉膛过剩空气系数为1 2 4 ，烟气预热器处过 剩空气系数为2 8 1 ，损失热量相当于5 7 万k g e o 年。 3 1 3 焦化炉转油线温降大 焦化炉对流室出口至辐射室入口存在较大温降，3 5 4 万吨年标定中温降为5 5 c ， 3 8 2 2 万吨年标定中温降为4 c ，散热损失相当于2 0 万k g e o 年。各段高温管线热量 损失计算参见表3 3 ，若各处测温准确，进料缓冲罐至焦化炉入口，分馏塔底至循环 油换热器前，对流转辐射段，焦化炉出口至四通阀后，大油气管线等5 处散热损失相 当于4 0 0 万k g e o 年。 表3 - 3 散热损失统计结果 3 1 4 对流炉管积灰 加热炉燃气时，基本上无灰垢，但在燃油时，尤其是燃烧减渣重油时，烟气中的 灰垢相当严重。使用减压渣油可以降低燃料成本，但同时也由于减压渣油杂质多，燃 料油燃烧时炉管外表面结垢严重，影响加热炉的长周期稳定运行。另外燃料油的雾化 质量对烟气中的灰垢生成量影响也较大。减压渣油粘度大，残碳量高，灰分含量也多， 并含有多种不同金属的成份，且总硫成份高。减压渣油粘度较高，燃料油雾化状况必 然会有影响，燃烧不完全，就会使烟气中的灰垢增加。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 根据开工初期和目前的操作记录，计算对流室炉管的总传热系数，判断炉管表面 是否积灰结垢。( 焦化油入炉温度按照热电偶显示计算) 根据计算结果，目前对流室 炉管有结垢情况，造成对流传热效果较差，对流总传热系数由开工初期8 9 2 5 w m 2 下降至目前的7 5 6w m 2 。根据开工初期情况推断目前操作工况炉膛温度应为7 5 8 ，实际测量值为7 8 0 c ，由于炉管积灰造成炉膛温度升高。加热炉对流室总传热系 数计算结果参见表3 - 4 。 3 1 5 单位面积处理量偏大 将处理量和传热面积与国内其他炼油厂同类装置进行比较，数据参见表3 5 ，表 3 6 。 表3 - 5 处理量与对流室传热面积 生产 加工量炉管 传热面积黼筠怒 厂家 稠油厂 石家庄 镇海 安庆 长岭 海科 说明 管长m m根数 m 2 1 4 4 5 04 42 5 3 6 7ll 1 4 4 5 04 42 5 3 6 7l 1 1 8 l 11 4 0 01 2 8 5 8 2 1 92 2 9 50 4 5 1 1 4 4 8 09 65 5 4 6 22 1 8 60 5 2 l 8 4 8 07 21 7 0 7 10 6 7 3 0 5 0 6 1 5 7 0 04