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1、延迟焦化加热炉长周期运行的措施及扩能设想张园园 （镇海炼化工程公司，315207） 1 前言镇海炼化股份有限公司延迟焦化装置（包括吸收稳定及干气脱硫）建成于1991年12月，92年元月投产。当时设计原料为胜利减渣，处理量80万吨/年，生产规模为炉塔，同时考虑开一炉两塔的灵活性。开工至今已加工或混炼过大庆、辽河、印尼的米纳斯、韦杜里、卡宾达、沙特阿拉伯轻质原油、伊朗高硫原油等几十种原油的减压渣油，并掺炼一定数量的催化裂化油浆。尽管原料性质同原设计相差较大。（见表1）但装置运转灵活，产品质量合格，最长连续开工周期已达两年。表1 焦化装置原料性质（部分）减压渣油名称 性质比重 d420残碳 %(重)
2、凝固点 硫 %(重)沙特渣油1001.520.12453.04伊朗/渤海1:11.003218.99432.93辽河/杰诺3:10.976915.47400.47辽河/杰诺3:1掺5t/h催化油浆0.997518.18440.47渤海/伊朗1:10.995420.5501.16原设计胜利减渣0.961212.09421.36加热炉是焦化装置的关键设备之一，它设计的好坏直接关系到整个装置的开工周期。由于焦化炉管内原料性质差，出口温度高。故焦化炉炉管结焦在国内同类装置中较为普遍，严重影响装置的开工周期和经济效益。本文即根据我公司焦化炉的设计特点及几年运行情况对如何防止炉管结焦，保证焦化炉安全、稳定
3、、长周期运行及焦化炉如何扩能改造作专题分析探讨。2 焦化炉炉管结焦的主要原因及防止措施引起焦化炉炉管结焦的原因很多，观点各异，它受多方面因素影响，设计、施工、操作、原料本身及燃料性质等等。结合我公司焦化炉长周期运行的实际情况，经过分析，笔者认为引起焦化炉炉管结焦的主要原因有辐射炉管排列方式、焦化炉进料性质（即焦粉携带量）、辐射管表面平均设计热强度、炉管内介质流速及流动状态、炉出口温度控制等。因此，如能在设计上采取一些有效措施，通过车间员工的经心操作，即可极大减缓焦炭生成速度，使焦化炉的连续开工周期得以延长。2.1 优化流程，选择合适的辐射管排列方式据资料介绍1，油品在其临界分解温度范围最容易结
4、焦。对于底部设置火咀，介质上进下出的卧管立式炉，沿辐射管长度方向的最高管壁温度和油温都在第六到十四根炉管（自下部出口向上算），而不在炉出口处，热强度在顶辐射部分最高。因此，如何尽量避免将介质的临界分解段位于管壁温度最高和热强度分布最不均匀的管段是焦化炉设计的关键。我公司焦化炉底部设置火咀，其火焰高度经现场测定为3米左右。辐射炉管自下向上排列，炉管规格12710，管心距为两倍管外径。这样，火焰高度约在第十二根炉管左右。经我公司研究中心设备研究室焦化炉炉管红外监测表2也可看出，第12排前后几根炉管管外壁温度最高，因此，这几排炉管是管壁温度较高和易产生局部过热即炉膛热强度分布最不均匀的区域。使炉管出
5、口位于此区域，即可避免介质的临界分解段位于此传热不均匀区域,又便于出口温度控制，减少局部过热。（见图1） 注水减渣入注水减渣入 蒸气减渣出蒸气减渣出 减渣出减渣入减渣出减渣入 图1 下进下出辐射管介质走向图 焦化炉辐射管采用下进下出的炉管排列，可使高温热源加热高温原料，低温热源加热低温原料，优化传热，提高有效能利用。又有利于高温、易结焦介质自上向下的流动，防止油品在炉管内分层结焦。从图2、图31也可以明显地看出，控制出口温度时，下进下出炉管排列的加热炉不易产生局部过热。因此，优化辐射管排列方式对防止焦化炉炉管结焦非常重要，它可使焦化原料对炉管结焦的影响降到最小。2.2 选择合适的辐射管表面平均
6、热强度辐射管表面平均热强度是影响焦垢生成速度的主要因素。它太高会加快结焦速度，太低又会加大炉膛尺寸，增加投资。各炼厂焦化装置加热炉原设计主要设计参数（见表2）表2 各炼厂焦化装置加热炉原设计主要设计参数3 项目 厂名胜利炼油厂南京炼油厂安庆炼油厂石油一厂石油二厂长岭炼油厂茂名炼油厂鲁乌木齐炼厂镇海炼油厂序号123456789处理量Mt/a 0.80.60.40.80.850.60.60.40.8冷油流速m/s 1.051.31.191.331.240.921.441.61.19辐射炉管表面平均热强度 W/m22419022210256202652033610239602861018600235
7、60循环比0.2840.2270.40.4620.3850.4640.3480.40.4管径mm 127x10102x10127x10127x10127x10127x10102x10102x10127x10入辐射段温度380380385380385374386405374出辐射段温度500497500499500496500500500从表2中看出，各厂原设计炉管辐射表面平均设计热强度为25000W/m2左右。小于规范值低限29000W/m2。为降低结焦因数，选取较低的辐射管表面平均设计热强度是合理的，尽管增加了少量的一次性投资，但保证了它的长周期运行。取得了可观的经济效益。2.3 辐射管内注
8、水，增加管内介质流速国外焦化炉辐射管管径一般采用108，国内多采用127。管内流速较小。表2中各厂原设计炉管平均流速为1.25左右，因此，焦化炉辐射管内注水一直是防止炉管结焦的重要手段。在装置开工初期，由于装置处理量不稳，为防止炉管结焦，注水量要相对控制较大。但过大的注水量，易增加焦化炉炉管压降，使焦炭塔空塔线速增大，产生雾沫夹带。因此，当装置处理量稳定后，要相应减少注水量。我公司焦化炉辐射管入口注水量一般控制为辐射进料量的1.7%左右。对于下进下出辐射管排列的焦化炉，由于炉膛下部辐射管入口温度及炉膛温度都较低，因此，宜将注水口由辐射管入口处改为辐射转油线部位，并根据装置处理量情况调节注水量。
9、2.4 防止对流出口结焦当管径不变，在焦化炉的辐射段，目前多采用注水和循环比来增大流速。而在对流段，由于炉出口温度相对较低，一般不采取增大流速措施。但由于焦化炉管内原料性质差，处理量又不稳定，特别是当处理量下降，对流管内流速减小时，对流段炉管的超温结焦问题就变得严重起来。因此，在焦化炉对流段进料中，每路均宜设置流量控制，避免产生偏流。在每路对流入炉管线上宜增加辅助注水设施。如果处理量减少，对流出口温度超高时，可向对流管线中少量注水以增大流速，防止结焦。 2.5 生产操作上调节过剩空气系数在加热炉的生产操作中有一个调节范围很大的参数即过剩空气系数，它对加热炉效率、能耗；对辐射、对流的热量比例分配
10、；对辐射管表面热强度起着至关重要的作用。对于烧气体燃料的加热炉，一般控制过剩空气系数为1.2左右，但当焦化炉扩能改造，热负荷提高时，可适当增大。生产操作上调节过剩空气系数具有两方面意义：降低辐射管表面平均热强度；使对流出口温度稳定。2.5.1 当处理量变化时，对流出口温度的变化直接影响到分馏塔操作的平稳，进而对辐射段循环比、辐射进出口温度产生影响。调节过剩空气系数，使对流出口温度稳定即可减小这一影响。2.5.2 当焦化炉辐射炉管平均热强度较大时。可以通过调节值来使部分辐射段热负荷上移至对流段，降低它的辐射管表面平均热强度。表3为我公司焦化装置处理量80万吨/年，沙特渣油，循环比0.4，取不同值
11、时的焦化炉设计计算数据。表3 值与辐射管表面平均热强度、热效率等关系值1.21.41.6辐射段热负荷Mw10.8910.229.70对流段热负荷Mw4.835.56.02辐射管表面平均热强度w/m2235602210020990辐射段热负荷/总热负荷0.6930.650.617氧含量/烟气总量%46.58.2排烟温度160170195热效率%89.387.885.3 从表3中可以看出：值由1.2增大至1.6，辐射管表面平均热强度降低了约11%，对流取热比例增加。可见值对辐射管表面平均热强度影响较大。但值太大会使炉内氧含量过高，加快炉管金属表面的氧化腐蚀，降低炉管使用寿命，而且增大排烟热损失，降
12、低炉子热效率，因此，值应根据一定条件来适当选择，当焦化炉处理量大幅提高时，适当增大值就如同一些防止结焦措施注水、采用循环比等一样，是防止焦化炉炉管结焦的有效措施。2.6 严格控制炉出口温度加热炉出口温度是焦化反应的关键指标。它的变化直接影响到反应深度、产品收率、开工周期和焦炭质量等许多方面。炉出口温度高，气体、汽油、柴油产率上升，但炉管结焦趋势增大；炉出口温度低则焦炭塔易出软焦，焦炭挥发分上升，焦炭塔泡沫层高度增加，产生雾沫夹带，使夹杂着焦粉的油气经大油气管线至分馏塔，使炉进料性质变差。出口温度又与原料性质有关，一般密度大，残碳值高，硫含量高的渣油出口温度要控制较低。表4为我公司部分焦化装置原
13、料性质与炉出口温度控制的关系。表4 炉出口温度与原料性质关系减压渣油名称沙特渣油伊朗/渤海辽河/渤海/卡宾达韦杜里渣油比重 d4201001.5983.0975.3913.9残碳% (重)20.1218.5618.177.99硫% (重)3.042.40.670.21出口温度 493494495498 可见，炉出口温度必须根据原料性质、焦炭性质、及收率等条件恰当选择且控制平稳。3 焦化炉的扩能改造 采用新技术、新工艺、通过消除“瓶颈”，来扩大装置处理量是提高企业竞争能力的重要手段，我公司80万吨/年延迟焦化装置在长周期、满负荷运行的情况下，进行了将装置处理量由80万吨/年提高到130万吨/年的改造。但装置改造后处理量仅提高到110万吨/年，经核算及标定，改造后焦化炉在冷油流速、对流室烟气质量流速仍有裕量，但辐射管表面平均热强度较高，见表-5。表5 焦化炉设计、标定数据比较辐射注水量kg/h单炉处理量104t/a对流入口温度/出口温度过剩空气系数循环比辐射入口温度/出口温度冷油质量流速kg/m2s辐射管表面热强度w/m2对流室烟气流速kg/m2s改造前175040200/318
