一、概述
隨著全世界范圍內(nèi)原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化趨勢的日益加劇，延遲焦化裝置作為一種適應(yīng)性強(qiáng)、投資少的渣油加工工藝，越來越得到煉油行業(yè)決策者的青睞。為了盡量降低裝置設(shè)備投資或利用現(xiàn)有設(shè)備提高裝置處理量，國外延遲焦化爐操作的苛刻度要大大高于目前國內(nèi)的操作水平，據(jù)資料介紹焦化加熱爐出口溫度甚至高達(dá)505~515℃，焦化爐的煙氣出輻射室溫度可高達(dá)近900℃，以充分利用焦化設(shè)備提高液體收率減少焦炭產(chǎn)率，這樣焦化爐操作周期達(dá)到約3個(gè)月左右就必須停爐燒焦，大大影響了裝置的開工周期和經(jīng)濟(jì)效益。因此在高操作苛刻度條件下如何延長焦化爐的操作周期便成為了人們首要關(guān)心的問題，延遲焦化爐在線清焦技術(shù)就是在這種背景及要求下應(yīng)運(yùn)而生的。
在線清焦技術(shù)最早起源于乙烯裂解爐的設(shè)計(jì)和操作，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在不停爐情況下對爐管內(nèi)結(jié)焦進(jìn)行有效的清除。經(jīng)過不斷的實(shí)踐與研究，人們成功地把在線清焦技術(shù)應(yīng)用到延遲焦化爐的設(shè)計(jì)與操作中，從而使得延遲焦化爐的操作周期得到大幅度延長。
二、 在線清焦的工作原理
采用在線清焦技術(shù)的焦化爐一般應(yīng)采用4管程或6管程，以避免在線清焦時(shí)對后續(xù)設(shè)備操作造成太大的影響。操作時(shí)對其中一管程通入蒸汽，其余三管程或五管程正常操作，在線清焦用的蒸汽及清除的焦炭與其它管程的油品一同進(jìn)入焦炭塔。
在線清焦方法有兩種，一種是恒溫法，其原理是利用高速流動的水蒸汽對焦垢層的沖刷作用及水蒸汽在高溫下與焦炭發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣。該種方法僅可用于結(jié)焦時(shí)間較短的焦化爐，采用此種方法可有效的去除管內(nèi)生成的軟焦層。當(dāng)管壁溫度達(dá)到630℃約3個(gè)月之后時(shí)，管內(nèi)焦層已經(jīng)變硬，采用恒溫法進(jìn)行在線清焦的效果就不是很理想了，此時(shí)應(yīng)當(dāng)采用變溫法。變溫法的原理是利用爐管金屬與管內(nèi)焦垢層熱膨脹系數(shù)的不同，通過快速升高及降低爐管溫度，使得焦炭層與爐管剝離。無論采用何種方法，都必須嚴(yán)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力大于或等于其它正常操作的幾管程的管內(nèi)壓力，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(yīng)按照焦化爐實(shí)際爐管規(guī)格、根數(shù)、材質(zhì)進(jìn)行計(jì)算后確定，其操作必須嚴(yán)格按照規(guī)定的步驟進(jìn)行實(shí)施，否則有可能造成清焦效果差、爐管堵塞、爐管變形，甚至爐管爆裂等嚴(yán)重的事故。
三、 在線清焦技術(shù)的工程設(shè)計(jì)
1、 對裝置工藝設(shè)計(jì)的要求
1） 在線清焦蒸汽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在線清焦時(shí)蒸汽的壓力應(yīng)大于走油管程的油品進(jìn)口壓力，開工初期加熱爐進(jìn)口壓力一般為1.5~1.8MPa(g),當(dāng)開工3`6個(gè)月，加熱爐爐管內(nèi)已有結(jié)焦時(shí)，此時(shí)加熱爐進(jìn)口壓力將提高到2.5~2.8MPa(g), 在線清焦蒸汽的壓力應(yīng)大于3.3MPa(g),通常采用3.5MPa(g)的中壓蒸汽。為有效的控制在線清焦?fàn)t管的升溫和降溫速度，清焦蒸汽的溫度也有一定的要求，通常采用注入脫氧水來控制蒸汽溫度。據(jù)國外資料介紹，焦化爐管在線清焦也可以直接用脫氧水作在線清焦介質(zhì)。在線清焦所用蒸汽量一般為4~8噸/時(shí)，不能全部利用多點(diǎn)注汽的管道和儀表，應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)在線清焦管道和儀表，在加熱爐每路入口設(shè)置切斷閥和止回閥，每臺加熱爐可設(shè)置一個(gè)蒸汽流量調(diào)節(jié)閥和蒸汽溫度調(diào)節(jié)閥。在線清焦蒸汽管道正常操作時(shí)不被使用，在北方地區(qū)應(yīng)充分考慮防凍放凝問題，可以和爐管注汽的第一點(diǎn)相結(jié)合。如果加熱爐設(shè)計(jì)有安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，在線清焦蒸汽管路設(shè)計(jì)還應(yīng)和爐管事故吹掃蒸汽管路設(shè)計(jì)相結(jié)合。
2） 爐出口轉(zhuǎn)油線的設(shè)計(jì)
加熱爐出口轉(zhuǎn)油線的設(shè)計(jì)是焦化裝置配管設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，設(shè)計(jì)不好會出現(xiàn)管線振動或晃動，影響安全生產(chǎn)。采用在線清焦技術(shù)時(shí)，爐出口轉(zhuǎn)油線的設(shè)計(jì)不但應(yīng)考慮正常操作工況，還應(yīng)考慮在線清焦工況。在線清焦時(shí)一路蒸汽出口流量的變化會直接影響加熱爐總出口轉(zhuǎn)油線的流量的變化。在線清焦蒸汽的體積流量一般大于該路油品的體積流量，爐出口轉(zhuǎn)油線管徑的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)在線清焦和正常操作兩種工況來核算，保證兩種工況下加熱爐出口轉(zhuǎn)油線的兩相流流型均滿足要求。通常轉(zhuǎn)油線管徑的選擇應(yīng)首先考慮正常操作狀態(tài)下的流型處于最佳，在線清焦時(shí)雖然氣體流速提高，但對轉(zhuǎn)油線的流型不會有太大的影響。在線清焦管路的蒸汽出口溫度變化范圍約為400~600℃，為減少在線清焦對爐總管出口溫度的影響，在線清焦操作時(shí)可適當(dāng)調(diào)整其它管程的處理量和出口溫度。
爐出口轉(zhuǎn)油線的設(shè)計(jì)要考慮管道的熱應(yīng)力及振動，每路出口管應(yīng)對稱布置，兩支管油品的混合不應(yīng)對沖，減少混合時(shí)的沖擊防止管路振動。
3） 對焦炭塔、分餾塔及后續(xù)設(shè)備設(shè)計(jì)的要求
采用線清焦技術(shù)，應(yīng)按在線清焦技術(shù)要求確定在線清焦用蒸汽的流量及變化范圍，根據(jù)在線清焦時(shí)焦炭塔內(nèi)的油氣和蒸汽的總流量核算焦炭塔的空塔氣體速度，通常采用在線清焦時(shí)降低裝置處理量15~25%，即加熱爐一路走蒸汽另外幾路走的油品量不變或適當(dāng)增加，此時(shí)焦炭塔內(nèi)的油氣和蒸汽的總體積流量增加約5~15%，因此在線清焦時(shí)焦炭塔內(nèi)氣速不會超標(biāo)，焦炭塔的設(shè)計(jì)基本可不考慮在線清焦的影響，但是在線清焦時(shí)焦炭塔內(nèi)的氣相的密度會降低，易發(fā)生泡沫冒頂和焦粉攜帶，應(yīng)及時(shí)注入消泡劑。針對分餾塔塔徑的確定及塔盤的水力學(xué)計(jì)算也應(yīng)按照在線清焦時(shí)的氣相及液相負(fù)荷進(jìn)行核算，一般情況下對分餾塔的設(shè)計(jì)不造成大的影響，但是蒸汽量的變化和油氣量的減少會引起操作的微量波動，因此設(shè)計(jì)分餾塔應(yīng)選擇高操作彈性的塔板，以便減少在線清焦時(shí)分餾塔的波動，影響產(chǎn)品質(zhì)量。由于在線清焦用蒸汽全部從分餾塔頂餾出，分餾塔頂?shù)睦鋮s設(shè)備應(yīng)考慮在線清焦用蒸汽的冷凝冷卻負(fù)荷，同時(shí)酸性水泵應(yīng)能夠把線清焦用蒸汽及其他注汽冷凝的含硫污水送出裝置。
4） 雙向蒸汽－空氣燒焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
采用在線清焦技術(shù)的焦化爐設(shè)置雙向蒸汽空氣燒焦系統(tǒng)是非常必要的。雙向燒焦是在加熱爐進(jìn)出口管線分別設(shè)置燒焦蒸汽及空氣進(jìn)口接管，實(shí)際操作中可由入口至出口進(jìn)行正常燒焦。當(dāng)加熱爐靠近爐入口部位管內(nèi)結(jié)焦嚴(yán)重、采用正常方向燒焦不能有效清除時(shí)，還可由出口至入口進(jìn)行反向燒焦。當(dāng)在線清焦操作不當(dāng)時(shí)，脫落的大塊焦碳有可能堵塞爐管，此時(shí)必須停爐，然后用蒸汽由加熱爐盤管進(jìn)出口反復(fù)交替吹掃，以清除堵塞。
2、 對焦化加熱爐設(shè)計(jì)的要求
1） 盤管系統(tǒng)設(shè)計(jì)
對于采用變溫法進(jìn)行在線清焦的焦化爐，其輻射盤管必須能夠承受快速升溫降溫的操作，并且升降溫梯度還必須滿足一定的要求，因此爐管的最高使用溫度應(yīng)能達(dá)到700℃，爐管材質(zhì)應(yīng)選用Cr9Mo或以上級別的材料。由于快速升溫及降溫過程中爐管各點(diǎn)溫度變化的不一致性，輻射盤管一般會出現(xiàn)較為劇烈的熱震現(xiàn)象，尤其是升降溫梯度較大的情況下，輻射盤管進(jìn)出口法蘭及輻射管架的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮這部分沖擊荷載的影響，否則可能會造成法蘭泄漏或管架損壞的事故。
2） 燃燒器設(shè)計(jì)
燃燒器應(yīng)能滿足爐膛快速升溫和降溫操作的要求，每個(gè)燃燒器均應(yīng)設(shè)置長明燈。應(yīng)保證在主火嘴燃料全部切斷時(shí)長明燈不熄滅，并且在快速打開主火嘴燃料時(shí)，燃燒器主火嘴應(yīng)能迅速點(diǎn)燃，火焰形狀穩(wěn)定不飄散，并且能達(dá)到正常發(fā)熱量的要求。
3） 爐襯設(shè)計(jì)
為滿足爐膛快速升溫和降溫操作的要求，輻射室應(yīng)選用熱容量較低的耐火材料，如陶瓷纖維結(jié)構(gòu)的爐襯，盡量不要采用磚結(jié)構(gòu)或輕質(zhì)澆注料襯里結(jié)構(gòu)的爐襯。由于熱容量高的耐火材料的蓄熱量較大，會使得爐膛升溫和降溫速度達(dá)不到要求，這樣會對在線清焦的效果產(chǎn)生不利的影響。
4） 測量儀表
對于指導(dǎo)在線清焦操作最為重要的測量儀表是管壁熱電偶。為保證測出的管壁溫度的準(zhǔn)確性，宜選用刀刃式管壁熱電偶，并且測點(diǎn)端部應(yīng)設(shè)置防輻射屏蔽罩，其內(nèi)部應(yīng)填充松散的高鋁纖維。管壁熱電偶應(yīng)布置在爐管的向火面，并且應(yīng)正對燃燒器，以測得最高管壁溫度。另外每管程輻射盤管應(yīng)設(shè)置有足夠數(shù)量的管壁熱電偶，并盡量在爐管長度方向上均勻布置。
另外工藝介質(zhì)每管程進(jìn)出口均應(yīng)設(shè)置壓力表和熱電偶，并且應(yīng)引至操作室，以正確指示清焦過程中各管程的進(jìn)出口溫度和壓力。
5) 煙囪及余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為保證快速升降溫過程中燃燒器操作的穩(wěn)定性及可靠性，在線清焦操作時(shí)加熱爐應(yīng)處于自然通風(fēng)操作狀態(tài)，這就要求余熱回收系統(tǒng)能在加熱爐正常操作時(shí)處于停運(yùn)狀態(tài)，因此空氣預(yù)熱器應(yīng)放置在地面，并應(yīng)在去往空氣預(yù)熱器的熱煙道上設(shè)置隔斷擋板，此時(shí)熱煙氣由爐頂煙囪直接排入大氣，煙囪高度應(yīng)滿足自然通風(fēng)操作時(shí)抽力的要求。
三、在線清焦技術(shù)的實(shí)踐及工程應(yīng)用
2001年2月，上海石化股份有限公司100萬噸／年延遲焦化裝置首次成功地實(shí)施了加熱爐在線清焦。本次在線清焦是在美國PETRO-CHEM公司的專家現(xiàn)場指導(dǎo)下完成的，采用了變溫法工藝對焦化爐四管程中的一組盤管進(jìn)行了實(shí)際操作，整個(gè)過程共進(jìn)行了3次變溫操作，共耗時(shí)約20小時(shí)。操作完畢后加熱爐管壁溫度得到了有效的改善，其中管壁溫度下降最大值為101℃，管壁溫度在630℃以上各點(diǎn)平均下降69.45℃, 管壁溫度在570℃~629℃范圍內(nèi)各點(diǎn)平均下降23.3℃, 管壁溫度在529℃以下各點(diǎn)平均下降14.5℃，另外加熱爐入口壓力也明顯降低。
2004年2月，高橋石化公司140萬噸／年延遲焦化裝置也對加熱爐進(jìn)行了變溫法在線清焦，但沒有達(dá)到預(yù)期的效果，其主要原因如下：
＊ 燃燒器燃燒狀況不穩(wěn)定，無法實(shí)現(xiàn)快速升降溫操作
＊ 升溫降溫梯度不夠大
＊ 中間恒溫時(shí)間過短，未能有效地去處管內(nèi)軟焦層
＊ 由于結(jié)焦時(shí)間較短，可能采用恒溫法更合適
本次在線清焦是國內(nèi)首次獨(dú)立實(shí)施的一次操作，盡管沒有取得預(yù)期的效果，但積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，為今后的進(jìn)一步研究和實(shí)踐打下了深厚的基礎(chǔ)。
四、 結(jié)束語
雖然在線清焦技術(shù)在國內(nèi)的部分焦化裝置設(shè)計(jì)中被采用，但由于國內(nèi)焦化加熱爐的反應(yīng)苛刻度較低，爐管內(nèi)的結(jié)焦較少，該技術(shù)未被廣泛使用。在線清焦設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成熟，但使用經(jīng)驗(yàn)不足，使該技術(shù)未得到進(jìn)一步的發(fā)展。隨著原油價(jià)格的提高及油品和焦炭價(jià)差的增大，提高焦化加熱爐的反應(yīng)苛刻度，減少焦炭產(chǎn)率將會逐步得到重視，在線清焦技術(shù)對延長加熱爐的連續(xù)運(yùn)行周期將發(fā)揮重要作用。
