01焦化爐炉管结焦机理与现场优化操作.doc

焦化炉炉管结焦机理与现场优化操作 石油大学重质油国家重点实验室 摘 要 本文基于焦化炉炉管结焦机理的研究，通过提出生焦反应给热、条件生焦率、结焦因子、油品最大可裂化度、油品最低裂化度、炉出口实际裂解深度、油膜峰值温度、正常延迟状态等概念，探讨了如何控制炉管结焦、如何判断现场操作优化程度、如何提高生焦反应给热、如何评价炉管缓焦剂及增加液收添加剂的方法 一、前 言 延迟焦化是利用在热转化率(热转化深度)较低时，重油不易结焦特点，让重油快速通过焦化炉炉管并获得重油轻质化所需要的能量，使生焦反应“延迟”到焦炭塔的工艺过程。 焦化炉是延迟焦化装置的核心，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。从技术上讲，控制炉管结焦速率与提高生焦反应给热量是相互矛盾的。 本文基于焦化炉炉管结焦机理的研究，通过提出生焦反应给热、条件生焦率、结焦因子、油品最大可裂化度、油品最低裂化度、炉出口实际裂解深度、油膜峰值温度、正常延迟状态等概念，探讨了如何控制炉管结焦、如何判断现场操作优化程度、如何提高生焦反应给热、如何评价炉管缓焦剂及增加液收添加剂的方法。 二、炉管结焦机理 ⒈生焦反应焦化炉给热概念 过去仅将重油在焦化炉管内的过程看成一个加热和汽化过程，实际上，重油超过430℃就会发生剧烈反应，燃料燃烧放出的热量传给管内介质后，一部分用于介质温度上升，一部分用于汽化，另外一部分用于介质在管内的反应吸热。 焦炭塔内重油生焦反应是一个裂解和缩合同时进行的过程，裂解是吸热反应，缩合是放热反应，总的是一个吸热过程，反应所需要的热量都来自于焦化炉，焦化炉给热量越大，生焦反应越彻底。每kg辐射进料在焦化炉管中的吸热量Q可用下式表示： (1) HI、Ho分别为辐射进料在进出口处的焓值，kJ/kg；实验表明,重油热化反应温度超过430℃即有明显的裂化反应产生，鉴于各个生产企业辐射进料的温度不同，为了便于比较，定义单位质量焦化进料从430℃升至设定炉出口温度所需要的热量为生焦反应焦化炉给热，用QCoking表示: （2） 式中QT,QE,QR分别为管内介质升温、汽化及反应所用热量，kJ/kg ；H430为管内介质温度为430℃截面上的焓值，kJ/kg 。考虑到不同装置焦化炉出口状态的差异，进一步定义： （3） 为生焦反应给热比，以比较不同工况焦化炉提供给焦炭塔内生焦反应的热量，式中，QCoking，Q0Coking分别为任意工况及基准工况生焦反应焦化炉给热。 生焦反应给热量大小的详细计算方法参见文献【1-2】，提高焦化炉出口温度、减少注气量延长介质在管内的停留时间都会提高生焦反应焦化炉给热量。但提高生焦反应给热量的技术措施，同时会加重炉管结焦。 ⒉ 炉管结焦机理 业已发现【3】，甲苯不溶物（次生沥青质），喹啉不溶物（中间相小球体）是结焦的前体物，缩合反应过程参见图－1。 炉管上所沉积的焦炭来自重油的缩合反应，其结焦速率为炉管管焦生成速率与脱落速率之差【4】，其中炉管管焦生成速率与管内壁温度及重油物性有关，管焦脱落速率则受边界层厚度及边界层两边结焦前体物的浓度差有关。 重油的生焦反应为自由基反应过程，反应开始时热转化率较低，反应过程产生的自由基被重油胶质所“笼蔽”，阻碍了自由基之间的叠和生焦；随着转化率增加，自由基浓度增加，胶质的“笼蔽”效应被破坏，自由基叠和生焦的可能性加大。将炉管内的实际热转化深度控制在加速“拐点”以内（油品最大可裂化度）是“延迟”焦化过程的理论基础。尽量降低重油在管内的停留时间及热转化率，限制流动主体内结焦前体物的浓度，是限制炉管结焦速率的关键。 ⒊ 正常延迟状态概念 旧的设计准则中仅有炉管表面平均热强度及冷油流速两项，通过优化设计注水量及炉出口温度，提高焦化炉生焦反应给热量，仅仅依靠炉管表面平均热强度及冷油流速校核是不够的，为了确保焦化炉管不发生严重结焦，基于炉管结焦机理，我们提出校核： ⑴　最高油膜温度； ⑵　关键炉管管内的两相流流型； ⑶　炉出口裂解深度； 作为判断焦化炉管内介质流动及反应过程是否处于“正常延迟状态”的关键工艺参数。在对焦化炉注气及炉出口温度进行优化设计时，尤其要注意炉出口实际裂解深度必须小于原料的最大可裂化度，以确保边界底层中的结焦前体物向流动主体扩散。 三、现场优化操作 ⒈原料结焦倾向判断 确保装置长周期运行，是现场优化操作的基础。过去常用油样中的沥青质含量作为评价渣油结焦倾向的指标，这种评价办法存在以下不足： ⑴ 未