15 焦化爐大型化設(shè)計關(guān)鍵工藝參數(shù)

1、SEI第二屆延遲焦化年會論文（4）延遲焦化爐大型化設(shè)計的關(guān)鍵工藝參數(shù)延遲焦化爐大型化設(shè)計的關(guān)鍵工藝參數(shù)魏學(xué)軍1，孫毅1，蔣榮興1，李志強1，王蘭娟2，肖家治2（1.中國石化工程建設(shè)公司，北京100011；2.石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東東營257061）摘要：要：從爐管結(jié)焦機理出發(fā)，分析了焦化爐舊設(shè)計規(guī)范在焦化爐大型化設(shè)計環(huán)節(jié)中的局限性，提出了爐出口熱轉(zhuǎn)化率是焦化爐大型化設(shè)計必須校核的關(guān)鍵工藝參數(shù)。通過自編軟件和4座在役焦化爐標(biāo)定數(shù)據(jù)，得

2、到了焦化爐的最大可能處理量。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：焦化爐；設(shè)計規(guī)范；管內(nèi)停留時間；爐出口熱轉(zhuǎn)化率；最大可裂化度1前言對我國一些煉油企業(yè)，焦化裝置加工渣油的能力已成為全廠原油處理量能否增加的“瓶頸”。隨著新建煉油廠規(guī)模的擴大，單元裝置的處理能力也不斷提高。據(jù)報道[1]發(fā)達國家延遲焦化單套平均加工能力為1360kta。我國延遲焦化單套加工能力平均只有640kta，最大單套能力僅為1000kta，只相當(dāng)于國外20世紀(jì)60年代初期的水平。焦化爐與焦化塔

3、是延遲焦化裝置設(shè)備大型化首先需要解決的問題。從工藝上講，增加塔徑即可完成焦化塔大型化；而焦化爐的大型化則受到爐管管內(nèi)結(jié)焦因素的制約。在中國石化總公司支持下，中國石化工程建設(shè)公司和石油大學(xué)共同完成了焦化爐管內(nèi)外過程模擬方法[2]及爐管結(jié)焦機理[3]的研究，本文基于爐管結(jié)焦機理，提出在對管內(nèi)停留時間、爐出口熱轉(zhuǎn)化率等關(guān)鍵工藝參數(shù)進行校核的基礎(chǔ)上，來完成焦化爐大型化設(shè)計。對4座在役焦化爐的設(shè)計數(shù)據(jù)、現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)進行了模擬計算，以爐管平均熱強度

4、及出口熱轉(zhuǎn)化率為限制條件，給出了目前及改造后可能達到的最大處理量。2爐管結(jié)焦機理與大型化需要校核的關(guān)鍵工藝參數(shù)爐管結(jié)焦機理與大型化需要校核的關(guān)鍵工藝參數(shù)延遲焦化是利用重油結(jié)焦前體物在裂解轉(zhuǎn)化率較低時不易發(fā)生結(jié)焦反應(yīng)的現(xiàn)象，使重油在熱轉(zhuǎn)化程度較低的情況下快速通過焦化爐管以獲得熱裂化反應(yīng)所需要的熱量，在焦炭塔內(nèi)完成重油輕質(zhì)化的工藝過程。確保焦化爐管內(nèi)不發(fā)生嚴重結(jié)焦是該工藝過程獲得成功的技術(shù)關(guān)鍵。爐管上所沉積的焦炭來自縮合反應(yīng)，其結(jié)焦速率為爐

5、管管焦生成速率與脫落速率之差，其中爐管管焦生成速率與管內(nèi)壁溫度及重油物性有關(guān)，管焦脫落速率則受邊界層厚度及邊界層兩邊結(jié)焦前體物的濃度差有關(guān)[3]。重油的縮合反應(yīng)為自由基反應(yīng)過程，反應(yīng)開始熱轉(zhuǎn)化率較低時，反應(yīng)產(chǎn)生的自由基被重油膠質(zhì)所“籠蔽”，阻礙了自由基之間的疊合生焦；隨著轉(zhuǎn)化率增加，自由基濃度增加，膠質(zhì)的“籠蔽”效應(yīng)被破壞，自由基疊合生焦的可能性加大。盡量降低重油在管內(nèi)的停留時間及熱轉(zhuǎn)化率，限制流動主體內(nèi)結(jié)焦前體物的濃度，是限制爐管結(jié)焦

6、速率的關(guān)鍵。中國石化總公司老的設(shè)計規(guī)范[4]源于1965年埃索研究工程公司制定的設(shè)計準(zhǔn)則（五），工藝上只對爐管表面熱強度和冷油流速進行校核，設(shè)計時要求爐管表面熱強度在32～38kWm2之間；冷油流速的范圍為1200～1800kgm2.s。盡管利用這種方法完成了多套焦化爐的常規(guī)設(shè)計，但這種方法由于不能體現(xiàn)爐管結(jié)焦速率與結(jié)構(gòu)、操作及物性之間的相互關(guān)系，不能完成焦化爐大型化設(shè)計的工藝校核需要。大型化設(shè)計時大管徑爐管仍能使冷油流速符合規(guī)范，增加

7、爐管根數(shù)仍能使?fàn)t管表面平均熱強度符合規(guī)范。而爐管根數(shù)增加將使油品在管內(nèi)的停留時間延長，管內(nèi)反應(yīng)深度加大，流動主體內(nèi)結(jié)焦前體物濃度增加，將限制邊界層內(nèi)結(jié)焦前體物向流動主體內(nèi)的擴散，導(dǎo)致脫落速率降低，使?fàn)t管的結(jié)焦傾向變重?；谏鲜龇治觯笮突O(shè)計時必須控制油品在管內(nèi)停留時間及爐出口熱轉(zhuǎn)化率[5]。圖1裂解轉(zhuǎn)化率與縮合轉(zhuǎn)化率關(guān)系表1為計算實例的主要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、設(shè)計及操作工況數(shù)據(jù)；表2為設(shè)計及操作工況下用工藝軟件包模擬所得平均熱強度、430℃以上

8、油品在管內(nèi)的停留時間、爐出口轉(zhuǎn)化率等關(guān)鍵工藝參數(shù)；表3為現(xiàn)有焦化爐于平均熱強度上限操作主要計算結(jié)果；表4為操作工況平均熱強度下不同計算實例可能的大型化結(jié)果。表5為以原設(shè)計規(guī)范平均熱強度上限為基礎(chǔ)條件，不同計算實例可能的大型化結(jié)果。簡要分析如下：(1)參見表1，4個算例設(shè)計及操作工況冷油流速均處于設(shè)計規(guī)范下限；對焦化爐進行傳熱計算，參見表2，四個算例設(shè)計及操作工況平均熱強度均處于或低于設(shè)計規(guī)范下限。(2)由表1及表2爐CZ和爐AQ設(shè)計工況

9、下，冷油流速相同，平均熱強度接近，但管內(nèi)油品430℃以上停留時間及出口轉(zhuǎn)化率有明顯差異。因此僅憑冷油流速及平均熱強度不能很好地判斷現(xiàn)場焦化爐實際操作情況，為確保焦化爐正常操作，還應(yīng)對油品在管內(nèi)停留時間、爐出口熱轉(zhuǎn)化率和管內(nèi)壁壁溫等工藝參數(shù)進行校核。(3)管外傳熱計算采用了極限算法用于分析爐出口熱轉(zhuǎn)化率[5]（參見表2），爐CZ爐出口實際熱轉(zhuǎn)化率應(yīng)在12.619～14.011之間，爐AQ爐出口實際熱轉(zhuǎn)化率應(yīng)在10.219～15.631之間

10、，不同算法變化規(guī)律不同是由于爐管布置不同而引起，高溫段停留時間越長，爐出口轉(zhuǎn)化率越高：即采用“上進下出”流程時，管外采用零維模型得到的爐出口轉(zhuǎn)化率計算值可能高于實際值。(4)將爐出口熱轉(zhuǎn)化率控制在重油最大可裂化度以內(nèi)是控制爐管結(jié)焦的基礎(chǔ)[2]。由表1及表2不難看出，設(shè)計及操作工況下爐出口熱轉(zhuǎn)化率均小于重油的最大可裂化度，表明從控制爐管結(jié)焦速率的角度，現(xiàn)場焦化爐仍有操作余量。(5)將現(xiàn)場焦化爐平均熱強度提高至設(shè)計規(guī)范上限計算結(jié)果見表3，此

11、時單爐處理能力能提高到584～810.8kta。爐出口熱轉(zhuǎn)化率為4.441~11.787%，小于重油的最大可裂化度。(6)不考慮冷油流速的限制，以操作平均熱強度為基準(zhǔn)，通過增加管長增加傳熱面積，將爐出口熱轉(zhuǎn)化率限制在20%，不同焦化爐模擬大處理量計算結(jié)果見表4，此時單爐處理能力能提高到680～917.6kta。需要說明的是爐ZH處理量提高到917.6kta時，輻射管壓降已達到3.942MPa，上限受輻射入口壓力限制，此時爐出口熱轉(zhuǎn)化率為

12、12.212%。(7)不考慮冷油流速的限制，以原規(guī)范的平均熱強度上限為基準(zhǔn)，通過增加管長增加傳熱面積，將爐出口熱轉(zhuǎn)化率限制在20%，不同焦化爐模擬大處理量計算結(jié)果見表5，此時單爐處理能力能提高到764～1106.4kta。需要說明的是爐ZH處理量提高到1106.4kta時，輻射管壓降已達到3.885MPa，上限受輻射入口壓力限制，此時爐出口熱轉(zhuǎn)化率為8.6%。(8)上述結(jié)論僅僅是依據(jù)舊設(shè)計規(guī)范及目前對爐管結(jié)焦機理的認知所得出的，實際工程

13、應(yīng)用時還應(yīng)考慮爐膛溫度、爐管壓降、各種金屬及非金屬材料使用溫度等一系列設(shè)計參數(shù)對大型化設(shè)計的限制。5結(jié)論結(jié)論(1)大型化焦化爐設(shè)計時應(yīng)對爐出口熱轉(zhuǎn)化率、停留時間進行較核，并控制爐出口熱轉(zhuǎn)化率不超過20%。(2)以原設(shè)計規(guī)范平均熱強度上限作為限制條件，算例中4臺焦化爐的上限處理量分別為584～810.8kta，此時爐出口熱轉(zhuǎn)化率為4.441~11.787%，低于最大可裂化度。(3)以操作工況下爐管平均熱強度作為限制條件，不考慮原設(shè)計規(guī)范冷