焦化加热炉在线清焦的设计与实践

焦化加热炉在线清焦的设计与实践CONTENTS目录01概述02在线清焦的工作原理03在线清焦技术的工程设计04在线清焦技术的应用实践CONTENTS目录05在线清焦对加热炉的影响06问题解决与优化建议01概述延迟焦化装置的重要性渣油加工的核心工艺

延迟焦化装置作为适应性强、投资少的渣油加工工艺，能有效处理重质化、劣质化原油，将减压渣油等重质原料转化为轻质油品和焦炭，是炼油行业提高原油利用率的关键环节。提升装置经济效益

通过加工重质原料，延迟焦化装置可提高液体收率、减少焦炭产率，尤其在国外高操作苛刻度下（加热炉出口温度505~515℃），能充分挖掘设备潜力，为企业创造显著经济收益。保障长周期稳定运行

装置运行周期直接影响炼油厂整体开工率和经济效益，在线清焦等技术的应用可有效延长加热炉运行时间，如某1.20Mt/a装置应用后为实现三年一修提供有力保障，减少非计划停工损失。焦化加热炉结焦问题及影响结焦产生的主要原因随着原油重质化、劣质化趋势加剧，焦化加热炉操作苛刻度提高，出口温度可达505~515℃，烟气出辐射室温度近900℃，导致炉管内结焦速度加快。结焦对加热炉运行的直接影响结焦导致炉管表面温度升高，燃料气用量增加，如某案例中燃料气用量曾达500m³/h（标准状态）；同时使加热炉运行周期缩短，传统方法需每3个月左右停炉烧焦。结焦对后续工艺及设备的危害结焦会增加炉管进口压力，开工3-6个月后压力可从1.5~1.8MPa(g)升至2.5~2.8MPa(g)；还可能导致炉出口转油线堵塞、振动，影响安全生产及产品质量。传统清焦方式的局限性传统停炉烧焦或机械清焦需停工处理，每次清焦费用约7万元，且装置开停工一次花费约30万元，同时降低装置加工量，影响经济效益。在线清焦技术的意义与发展

技术背景与行业需求随着原油重质化、劣质化趋势加剧，延迟焦化装置需在高温（出口温度505~515℃）、高苛刻度下运行，传统停炉清焦导致装置开工周期缩短至约3个月，严重影响经济效益，在线清焦技术应运而生。

技术核心价值实现在不停炉情况下清除炉管结焦，有效延长加热炉运行时间。某案例应用后炉管表面温度下降80℃以上，燃料气用量减少500m³/h（标准状态），为装置三年一修提供保障。

技术起源与应用拓展起源于乙烯裂解炉，后成功应用于延迟焦化炉。采用4或6管程设计，通过单管程蒸汽清焦、其余管程正常运行的方式，实现生产与清焦并行，解决传统停炉清焦的效率瓶颈。02在线清焦的工作原理在线清焦技术的起源技术源头：乙烯裂解炉的创新应用在线清焦技术最早起源于乙烯裂解炉的设计和操作领域，其核心目标是在不停炉的情况下实现对炉管内结焦的有效清除，为后续在其他高温炉管设备的应用奠定了技术基础。延迟焦化炉应用的驱动因素随着原油重质化、劣质化趋势加剧，延迟焦化装置为提高处理量常采用高苛刻度操作，如国外焦化加热炉出口温度高达505~515℃，导致传统操作周期缩短至约3个月，亟需延长运行周期的技术手段，推动了在线清焦技术的跨领域应用。从理论到实践的技术迁移经过不断实践与研究，在线清焦技术成功从乙烯裂解炉迁移至延迟焦化炉，通过优化适配焦化炉多管程（4管程或6管程）结构及工艺特性，实现在线清焦时对单管程处理而不影响其他管程正常运行，显著延长了焦化炉操作周期。恒温法清焦原理

高速蒸汽冲刷作用利用高速流动的水蒸气对焦垢层产生机械冲刷力，直接剥离疏松的焦层。清焦蒸汽用量通常为4~8吨/时，需单独设计管道和流量调节系统。

水煤气化学反应机制高温水蒸气与焦炭发生化学反应（C+H₂O=CO+H₂），生成可燃气态产物，实现焦层溶解清除。反应需控制管壁温度不超过炉管最高使用温度。

适用条件与局限性适用于结焦时间较短（通常管壁温度达630℃约3个月内）的软焦层清除；对硬化焦层效果有限，需配合变温法使用。变温法清焦原理

核心原理：热膨胀系数差异利用炉管金属与管内焦垢层热膨胀系数的不同，通过快速升高及降低炉管温度，使焦炭层与炉管剥离。

适用场景：高温硬焦清除当管壁温度达到630℃约3个月后，管内焦层变硬，恒温法效果不佳时采用，需严格控制管壁温度不超过炉管最高使用温度。

关键控制参数清焦蒸汽压力需大于或等于正常管程管内压力，防止热油泄漏；蒸汽量、管壁温度升降范围及速度需按炉管规格、材质计算确定。两种清焦方法的对比

恒温法清焦原理与适用场景恒温法利用高速流动水蒸气冲刷焦垢层，并通过高温水蒸气与焦炭发生化学反应（生成一氧化碳和氢气）实现清焦。该方法适用于结焦时间较短、管内为软焦层的工况，当管壁温度达到630℃约3个月后，焦层变硬，恒温法效果不理想。

变温法清焦原理与核心优势变温法基于炉管金属与焦垢层热膨胀系数差异，通过快速升降温使焦炭层与炉管剥离。其核心优势在于可有效清除硬焦层，操作时需严格控制管壁温度不超过炉管最高使用温度，清焦蒸汽压力需大于等于正常管程压力以防热油泄漏。

关键工艺参数对比恒温法对蒸汽温度控制要求较低，主要依赖蒸汽流速与化学反应；变温法则需精确控制升降温速度（如某案例中升降温次数达13-27次），清焦时间随结焦程度延长（从初期24h延长至后期58-100h），对设备热应力管理要求更高。03在线清焦技术的工程设计对装置工艺设计的要求01在线清焦蒸汽系统的设计在线清焦蒸汽压力应大于走油管程油品进口压力，通常采用3.5MPa(g)的中压蒸汽；蒸汽量一般为4~8吨/时，需单独设计管道和仪表，每路入口设切断阀和止回阀，每台加热炉设蒸汽流量及温度调节阀，并考虑防冻放凝及与安全联锁系统、事故吹扫蒸汽管路的结合。02炉出口转油线的设计转油线管径需按正常操作和在线清焦两种工况核算，保证两相流流型满足要求；应考虑管道热应力及振动，每路出口管对称布置，避免两支管油品混合对冲；在线清焦时可通过调整其它管程处理量和出口温度，减少对炉总管出口温度的影响。03对焦炭塔、分馏塔及后续设备设计的要求在线清焦时一般降低装置处理量15~25%，核算焦炭塔空塔气体速度，及时注入消泡剂防止泡沫冒顶和焦粉携带；分馏塔设计应选择高操作弹性塔板，其冷却设备需考虑在线清焦蒸汽冷凝冷却负荷，酸性水泵需能送出含硫污水。在线清焦蒸汽系统的设计

蒸汽参数的确定在线清焦蒸汽压力需大于走油管程的油品进口压力，通常采用3.5MPa(g)的中压蒸汽，当开工3-6个月炉管结焦后，加热炉进口压力提高到2.5~2.8MPa(g)，此时蒸汽压力应大于3.3MPa(g)。蒸汽温度通过注入脱氧水控制，流量一般为4~8吨/时。

管道与仪表的独立设计在线清焦管道和仪表应单独设计，不可全部利用多点注汽系统。在加热炉每路入口设置切断阀和止回阀，每台加热炉设置一个蒸汽流量调节阀和蒸汽温度调节阀，确保清焦过程精准控制。

防冻与安全联锁设计在线清焦蒸汽管道正常不使用，北方地区需考虑防冻放凝，可与炉管注汽第一点相结合。若加热炉设计有安全联锁系统，在线清焦蒸汽管路应与炉管事故吹扫蒸汽管路设计相结合，提升操作安全性。

清焦介质的选择除中压蒸汽外，据国外资料介绍，焦化炉管在线清焦也可直接用脱氧水作清焦介质，通过控制注水量和温度实现对焦垢的清除，为清焦介质选择提供了多样化方案。炉出口转油线的设计

01设计需兼顾双工况炉出口转油线设计需同时满足正常操作与在线清焦两种工况。在线清焦时蒸汽体积流量通常大于该路油品体积流量，需核算两种工况下的两相流流型，确保均满足要求。

02管径选择原则管径选择应首先考虑正常操作状态下流型处于最佳。在线清焦时虽气体流速提高，但对转油线流型影响不大。

03温度影响及调整措施在线清焦管路蒸汽出口温度变化范围约为400~600℃。为减少对炉总管出口温度影响，操作时可适当调整其它管程的处理量和出口温度。

04热应力与振动控制设计需考虑管道热应力及振动，每路出口管应对称布置，两支管油品混合不应对冲，以减少混合冲击防止管路振动。对焦炭塔、分馏塔及后续设备设计的要求焦炭塔的设计要求应按在线清焦技术要求确定在线清焦用蒸汽的流量及变化范围，根据在线清焦时焦炭塔内的油气和蒸汽的总流量核算焦炭塔的空塔气体速度。通常采用在线清焦时降低装置处理量15~25%，此时焦炭塔内的油气和蒸汽的总体积流量增加约5~15%，焦炭塔的设计基本可不考虑在线清焦的影响，但在线清焦时焦炭塔内的气相密度会降低，易发生泡沫冒顶和焦粉携带，应及时注入消泡剂。分馏塔的设计要求分馏塔塔径的确定及塔盘的水力学计算应按照在线清焦时的气相及液相负荷进行核算。一般情况下对分馏塔的设计不造成大的影响，但蒸汽量的变化和油气量的减少会引起操作的微量波动，因此设计分馏塔应选择高操作弹性的塔板，以减少在线清焦时分馏塔的波动，影响产品质量。后续冷却及污水处理设备的设计要求由于在线清焦用蒸汽全部从分馏塔顶馏出，分馏塔顶的冷却设备应考虑在线清焦用蒸汽的冷凝冷却负荷。同时酸性水泵应能够把在线清焦用蒸汽及其他注汽冷凝的含硫污水送出装置。双向蒸汽－空气烧焦系统的设计双向烧焦系统的必要性采用在线清焦技术的焦化炉设置双向蒸汽空气烧焦系统是非常必要的，可应对不同位置的结焦情况，提高清焦灵活性和彻底性。双向烧焦系统的结构设计在加热炉进出口管线分别设置烧焦蒸汽及空气进口接管，实现从入口至出口的正常烧焦，以及当炉入口部位结焦严重时从出口至入口的反向烧焦。双向烧焦系统的功能作用该系统可在在线清焦操作不当导致大块焦碳堵塞炉管时，通过停炉后使用蒸汽由加热炉进出口进行双向烧焦处理，保障炉管畅通。04在线清焦技术的应用实践在线清焦操作流程

清焦前准备停运辐射泵，检查注水管线及阀门状态，准备除氧水等清焦介质，确保清焦管程蒸汽压力大于或等于其它正常操作管程的管内压力。

清焦介质注入与升温向注水管线注入除氧水，利用除氧水进入炉管产生的蒸汽吹扫炉管内油品，之后将炉管管壁快速升温至约650℃。

快速降温与焦层剥离加热炉快速熄火降温，提高注水量，使炉管管壁温度快速降低至200℃，通过4次左右炉膛温度急剧变化，利用焦炭与炉管热膨胀系数差异使焦层破裂断裂。

焦块排出与系统恢复破裂的焦块被蒸汽携带至焦炭塔，清焦完成后打开辐射泵，分馏塔内油相通过出辐射管道进入加热炉，恢复正常生产。分支炉管在线清焦统计数据各分支炉管清焦次数分布统计数据显示，1号炉管清焦次数最多，达9次；2号、4号炉管清焦次数最少，均为5次。清焦时间变化趋势装置运行初期，单支炉管清焦时间平均约24小时；运行后期，清焦时间延长至58～100小时，清焦难度增大。升降温次数变化特征初期单支炉管清焦升降温约8次；后期升降温次数显著增加，多达13～27次，反映焦层清除难度提升。在线清焦技术的应用效果

延长加热炉运行周期在线清焦技术有效延长了焦化加热炉的运行时间，为装置达到三年一修提供了有力保障，例如中国石油乌鲁木齐石化公司1.20Mt/a延迟焦化装置应用该技术后，有效延长了加热炉运行周期。

降低炉管表面温度与能耗应用在线清焦技术后，炉管表面温度下降80℃以上，燃料气用量减少500m³/h（标准状态），显著降低了加热炉的能耗。

存在的不良影响实践证明在线清焦操作会导致加热炉管表面热偶脱落、炉管表面氧化剥皮、炉管入口固定螺栓松动、炉管出口法兰螺栓疲劳以及炉管不同程度减薄等不良后果。

对炉管金相组织及硬度无显著影响一个运行周期进行多次在线清焦后，炉管金相组织均为正常回火索氏体，硬度平均值和最低值变化不大，渗透探伤也未发现可记录性缺陷。05在线清焦对加热炉的影响炉管表面热偶脱落

故障现象与影响在线清焦操作后，炉管表面热偶出现失灵，显示温度明显高于炉管表面温度，接近炉膛温度，影响对炉管真实温度的监测与控制。

主要原因分析在线清焦过程中，快速升降温操作对热偶焊接处产生热应力，导致热偶焊缝断裂，进而造成热偶脱落。

案例数据支撑某公司经过25次在线清焦操作后，4支炉管表面热偶共出现7个失灵，在停工检修中发现失灵热偶均发生焊缝断裂。

应对处理建议检修中对炉管表面热偶全面检查，对于焊缝有裂开的要重新焊接，确保焊缝严密焊透，以保证热偶测量的准确性和稳定性。炉管表面氧化剥皮

氧化剥皮现象描述在线清焦操作后，炉管表面出现不同程度的氧化脱落现象。如某案例中，经过25次在线清焦后，1号炉管第1～9根、2号炉管第1～8根、3号炉管第1～6根和4号炉管第1～6根表面均有此现象。

主要产生原因主要原因是在线清焦过程中，炉膛氧含量控制不当（如超过3%），尤其是在高温恒温时间段（炉管表面达675℃），过高的氧含量加剧了炉管表面氧化反应。

与清焦操作的关联性清焦次数越多、连续清焦时间越长，炉管氧化剥皮程度越严重。例如1号炉管清焦9次，其厚度减薄最严重，平均减薄0.34mm，最薄点减薄0.80mm。

预防控制措施在线清焦操作过程中，需严格控制清焦炉膛的氧体积分数不大于3%，以减少炉管表面氧化剥皮，保护炉管材质。炉管入口固定螺栓松动松动原因分析在线清焦操作中，灭火降温时清焦注水流量需从7t/h提高至9t/h，大量低温水迅速带走炉管热量，导致炉管发生震动，从而造成炉管入口固定螺栓震松脱落。危害影响说明炉管入口固定螺栓松动脱落，会影响炉管的稳定性，可能导致炉管位移、振动加剧，甚至影响加热炉的正常运行，对安全生产构成威胁。预防控制措施在操作过程中要加强所有炉管固定螺栓的检查工作，定期进行紧固，确保将在线清焦操作对炉管产生的冲击降至最低，保障炉管的稳固性。炉管出口法兰螺栓疲劳

螺栓疲劳现象描述炉管经过3次以上在线清焦操作后，加热炉出口法兰螺栓出现疲劳延长现象，在清焦操作完成后投用进料时，出现加热炉出口法兰瞬间撑开发生泄漏。

螺栓疲劳产生原因多次快速升降温过程中，加热炉出口法兰螺栓承受交变热应力，导致出现疲劳延长现象，在投用进料时炉管入口压力升高，进而引发加热炉出口法兰泄漏。

螺栓疲劳的危害出口法兰螺栓疲劳可能导致法兰泄漏，影响装置正常生产，严重时可能引发安全事故，对生产安全构成威胁。炉管厚度检测结果

不同炉管厚度减薄对比1号炉管平均厚度减薄0.34mm，最薄点减薄0.80mm；4号炉管平均减薄0.12mm，最薄点减薄0.60mm。

清焦操作与厚度减薄的关联性清焦次数越多、连续清焦时间越长，炉管减薄越严重。1号炉管清焦9次，减薄最显著；4号炉管清焦5次，减薄程度最小。

特殊案例：2号炉管减薄分析2号炉管清焦5次（次数较少），但单次清焦时间最长达100h，升降温27次，平均厚度减薄程度仅次于1号炉管。渗透探伤与硬度检测结果

渗透探伤结果在2013年8月对加热炉1号～4号炉管各抽2处焊缝进行了渗透检测，未发现可记录性缺陷，评为Ⅰ级，说明在线清焦操作对炉管焊缝无影响。

硬度检测结果按金属显微组织检验方法GB/T13298—1991要求在分支炉管中的第1根直管、第2根直管以及第2个弯头上各选取一点检测炉管硬度，对比2012年和2013年炉管硬度检测数据，1号～4号炉管硬度平均值和最低值变化不大，说明前期在线清焦操作对炉管硬度无明显影响。

金相组织检测结果经抛磨、浸蚀及复膜后进行金相组织检验，结果均为回火索氏体，说明前期在线清焦操作对炉管金相组织无影响。06问题解决与优化建议炉管表面热偶检查与处理

热偶脱落原因分析在线清焦过程中，快速升降温对热偶焊接处产生热应力，导致热偶焊缝断裂，热偶脱落，出现显示温度明显高于炉管表面温度，接近炉膛温度的失灵现象。

检修中的全面检查在检修中需对炉管表面热偶进行全面检查，重点查看焊缝是否有裂开情况，确保及时发现潜在问题。

热偶焊接处理措施对于焊缝有裂开的热偶，要进行重新焊接，确保焊缝严密焊透，以恢复热偶的正常工作状态，保障对炉管温度的准确监测。炉膛氧含量控制措施

01氧含量控制标准在线清焦操作过程中，需要严格控制清焦炉膛的氧体积分数不大于3%，以减少炉管表面氧化剥皮，尤其是在高温恒温时间段，炉管表面达到675℃时，过高的氧含量会加重炉管氧化剥皮情况。

02监测与调节手段应配备高精度氧含量在线监测仪表，实时监控炉膛氧含量。通过调节燃烧器的空气供应量，确保在清焦升温、恒温及降温各阶段氧含量均处于设定范围内，避免因氧含量波动导致炉管氧化加剧。

03操作规范要求制定详细的炉膛氧含量控制操作规程，明确不同清焦阶段（如升温、恒温、降温）的氧含量控制目标及调节方法。操作人员需经过专项培训，熟练掌握氧含量异常时的应急处理措施，确保操作精准性。炉管固定螺栓检查与维护

螺栓松动的原因分析在线清焦操作中，灭火降温时清焦注水流量需从7t/h提高至9t/h，大量低温水迅速带走炉管热量，导致炉管发生震动，易造成炉管入口固定螺栓震松脱落。

检查周期与重点部位在在线清焦操作前及操作过程中，需加强对所有炉管固定螺栓的检查工作，重点关注炉管入口等易受震动影响的部位，确保螺栓紧固状态良好。

维护措施与效果通过定期检查和及时紧固炉管固定螺栓，可将在线清焦操作对炉管产生的冲击降至最低，有效预防因螺栓松动引发的设备故障和安全隐患。清焦操作参数优化