延遲焦化加熱爐運行周期的影響因素分析與改進措施

王志剛，翟志清，曹 明，宋曉峰

(中國石化洛陽分公司，河南 洛陽 471300)

延遲焦化加熱爐運行周期的影響因素分析與改進措施

王志剛，翟志清，曹 明，宋曉峰

(中國石化洛陽分公司，河南 洛陽 471300)

針對某煉油廠延遲焦化加熱爐運行周期逐漸縮短的情況，對影響加熱爐運行周期的原料性質、溫度、負荷和操作調整等因素進行了分析，認為原料性質變化、較大的流量波動、超負荷生產、換熱終溫波動頻繁和操作中參數調整幅度過大等均可加速加熱爐結焦速率，縮短裝置運行周期。結合焦化裝置生產實際情況，提出了增設原料緩沖罐和混合器、加強對冷渣油性質分析、恒定換熱終溫、控制生產負荷和平穩操作等整改措施。措施實施后，可以有效地減緩加熱爐結焦速率，延長加熱爐運行周期，經濟效益提高約609萬元a。

延遲焦化 加熱爐 結焦速率 運行周期

焦化加熱爐是焦化裝置的核心設備，為整個裝置提供反應所需的熱量，其運行情況的優劣直接影響裝置的安全平穩生產[1]。某煉油廠延遲焦化裝置由中國石化洛陽工程有限公司設計，處理量1.40 Mt/a，采用“一爐兩塔”工藝流程，設計生焦周期20 h。中國石油大學(華東)對該焦化裝置的原料進行了分析評價，結果表明：該焦化原料的裂解難易程度處于“中等”水平，結焦因子為5.7～12.2，結焦傾向偏大，其中減壓渣油結焦因子高達11.47，不利于加熱爐長周期運行，因此需要有效控制結焦速率，延長加熱爐運行周期。

從2011年大檢修至今，延遲焦化加熱爐已運行3年，表1為檢修后加熱爐清焦情況。由表1可見，加熱爐機械清焦周期逐步縮短，尤其在2013年10月進行機械清焦后，到12月發現加熱爐結焦嚴重，為了安全生產，被迫再次進行清焦，運行周期僅約2個月。為了延長加熱爐運行周期，對影響加熱爐運行周期的因素進行分析，并根據產生問題的原因提出改進措施。

表1 檢修后加熱爐清焦情況

1 影響加熱爐運行周期的因素分析

1.1 溫度對加熱爐運行周期的影響

提高加熱爐反應溫度可以有效提高焦化反應液體收率。研究結果表明，在壓力和循環比不變的條件下，反應溫度每提高5.5 ℃，液體收率約增加1.1%[2]。重油一般在350 ℃以上開始發生熱轉化反應，反應溫度越高，結焦速率敏感度越大[3-4]，溫度過高，導致結焦速率大幅增加，縮短加熱爐運行周期，降低經濟效益。

圖1為焦化裝置原料進入加熱爐的預熱流程示意。原料分兩路進入加熱爐：一路是來自常減壓蒸餾裝置的溫度較高、含熱量較大的熱渣油(熱渣)；另一路原料是來自罐區的溫度較低、含熱量較小的冷渣油(冷渣)。由對原料進加熱爐流程的分析可知，影響原料最終進入加熱爐溫度的因素主要有兩個方面：冷渣與熱渣流量的比例；原料混合后經過換熱器(E1101～E1105)換熱的效果。

1.1.1 原料溫度波動對進爐溫度的影響 焦化裝置的熱渣來自常減壓蒸餾塔塔底。常減壓蒸餾裝置的抽出分兩路，一路至罐區，另外一路到焦化裝置，但首先要保證常減壓蒸餾塔塔底液位不能過低，以防止泵抽空。由于常減壓蒸餾裝置生產存在波動，所以為了維持焦化裝置進料平衡，主要依靠調節冷渣量來保持平衡，這樣就導致進入焦化裝置的原料混合溫度波動較大。表2是在熱渣量波動情況下，混合后溫度和進加熱爐前溫度的變化情況。熱渣溫度依據流量和在常減壓蒸餾裝置換熱情況的變化大致在120～195 ℃范圍內波動，冷渣溫度穩定在約150 ℃。由表2可知，熱渣流量波動范圍為49～122 t/h，為保持處理量的恒定，冷渣流量需要進行相應調整，導致冷渣、熱渣混合后溫度在130～178 ℃之間波動。在后續換熱器操作情況不變的條件下，導致加熱爐進料口溫度在291～321 ℃之間波動。進料溫度的波動使爐管內結焦速率增加，影響運行周期。

圖1 原料預熱流程示意

表2 在160 th處理量條件下混合溫度和進爐溫度隨進料量變化情況

表2 在160 th處理量條件下混合溫度和進爐溫度隨進料量變化情況

項 目條件1條件2條件3條件4熱渣流量∕(t·h-1)4912295106冷渣流量∕(t·h-1)111386554混合溫度∕℃130178166172進爐溫度∕℃291321301308

1.1.2 換熱終溫波動對運行周期的影響 原料經過換熱器E1101～E1105(焦化原料分別與柴油、中段抽出油、輕蠟油、重蠟油和分餾塔塔底循環油進行換熱)換熱后，在進入進料緩沖罐前所達到的溫度被稱為換熱終溫。換熱終溫是一個重要的操作參數，因為在進入加熱爐前，影響進爐溫度的只有從分餾塔塔底來的循環油。在正常的低循環比操作條件下，換熱終溫基本就決定了進爐溫度的高低。圖2為循環比不變時，換熱終溫對進爐溫度的影響。由圖2可見，在循環比恒定的條件下，換熱終溫和進爐終溫變化規律一致，換熱終溫的波動導致原料進加熱爐溫度的波動。進爐溫度波動會增加加熱爐結焦速率，縮短運行周期。

圖2 循環比恒定時換熱終溫對進爐終溫的影響◆—換熱終溫； ■—塔底循環油與原料混合溫度； ▲—進爐終溫

1.1.3 循環比對進爐終溫的影響 由圖1可知，循環油與換熱后的渣油進入進料緩沖罐，分餾塔塔底的高溫循環油溫度一般在320～370 ℃，比換熱終溫高20～50 ℃。在正常操作下，一般控制循環比在0.07～0.29之間。表3為循環比對原料進爐終溫的影響。由表3可知：當循環比較低時，換熱后的原料終溫與混合(循環油與原料混合)后的溫度相比變化較小；當循環比提高到0.11以上時，經過換熱器后的原料終溫與混合后的溫度相比變化達到10 ℃以上，循環比的變化對進爐溫度影響較大。

表3 循環比對進爐終溫的影響

1.2 原料性質對加熱爐運行周期的影響

研究結果[5-6]表明，原料性質對加熱爐結焦速率有較大影響。因原料來源不固定，在其它條件不變的情況下，原料性質變化勢必會引起生產波動，影響加熱爐結焦速率。

1.2.1 原料來源變化對進料性質的影響 影響渣油性質的因素主要是原料來源。從1.1節的分析可知，冷渣和熱渣的流量波動較大。焦化原料罐區的渣油儲罐有3個，每個儲罐的體積約為5 000 m3。依據儲罐液位的變化，當其中一個罐液位下降到安全值以下時，要切換不同的儲罐，這就會導致原料性質來源不穩定。一方面是流量變化引起的渣油性質變化；另一方面是在流量恒定的條件下，冷渣切罐引起的冷渣性質的變化(每個儲罐內冷渣的性質也不盡相同)。這兩種疊加效應將引起更大的原料性質波動。

1.2.2 原料混合不均勻對原料性質的影響 原料冷渣與熱渣的混合方式如圖3所示，冷渣和熱渣通過不同的管線進入到渣油閥組，然后并入同一根管線進入原料緩沖罐。這種混合方式較為簡單，但存在以下缺陷：由于渣油性質具有高黏度特性，導致冷渣和熱渣不能有效混合，冷渣與熱渣在管道內混合后易出現偏流現象。混合不均勻的原料進入加熱爐后，導致爐管局部溫差較大，使爐管表面溫度變化較大，導致結焦速率增加。

圖3 原料混合閥組流程示意

1.3 過負荷對加熱爐運行周期的影響

1.3.1 負荷過大對加熱爐爐管表面溫度的影響加熱爐負荷與經濟效益成正比關系，按照生產要求和物料平衡需求，為了平衡全裝置的重油，要加大焦化裝置的渣油處理量。目前焦化裝置設計加工量為167 t/h，但是生產時一般處理量較大，最高達到180 t/h，負荷率為107.77%。

表4為在其它操作條件不變的正常操作條件下，處理量在180，160，120 t/h時輻射段末端爐管表面溫度情況。由于末端爐管能夠較好地反映爐管的結焦情況，所以選擇此爐管作為比較對象。由表4可見，在操作情況不變的情況下，負荷越大，爐管表面溫度越高，當處理量從160 t/h增至180 t/h時，爐管表面溫度增加36～47 ℃。爐管負荷過大加劇了加熱爐的結焦速率，縮短了加熱爐運行周期。

表4 不同處理量時加熱爐爐管表面溫度

1.3.2 負荷過大對加熱爐出口壓力的影響 在其它操作條件不變的情況下，對處理量為120，160，180 t/h時加熱爐四路出口壓力進行對比，結果見表5。由表5可知，負荷值從120 t/h增至180 t/h，加熱爐出口壓力增加約為0.4 MPa。隨出口壓力增加，渣油在爐管內的停留時間增加，裂解深度增加。焦化加熱爐經過改造后，渣油在爐管內停留時間由改造前的33 s延長至改造后的51 s，渣油在此加熱爐的裂解深度已比在其它裝置加熱爐裂解深度加大，如果爐管內壓力過高，將會進一步增加其裂解程度，增加爐管結焦速率，影響運行周期。

表5 加熱爐出口壓力與處理量的關系

1.4 其它操作參數調整對加熱爐運行周期的影響

1.4.1 產品干氣質量對加熱爐出口溫度的影響在生產中控制干氣中C3+體積分數不大于5.5%，但在日常實際操作中C3+含量有時高于此值。要達到干氣產品質量要求，需進行相應的操作參數調整，一般采取的方法為：①加大吸收塔、再吸收塔的吸收劑用量；②減少干氣至脫硫系統的流量；③降低解吸塔塔底溫度；④開大氣壓機防喘振閥位。

調整之后，會產生兩種后果，加劇加熱爐結焦速率。①為了降低干氣中C3+含量，采取開大壓縮機防喘振閥位的方法，致使分餾塔塔頂壓力升高，導致焦炭塔壓力升高。一般防喘振閥位要比原來開大30%左右，導致分餾塔塔頂壓力升高約0.1 MPa，最終會導致加熱爐出口壓力波動0.01～0.02 MPa，造成加熱爐結焦速率加劇。②由于焦化加熱爐的燃料氣是自產干氣，所以當干氣中C3+含量降低后，干氣的燃燒值降低，致使燃料氣的流量增加。每次調節燃料氣中C3+含量后，燃料氣的流量增加0.02～0.03 t/h。當調整結束恢復正常操作時，存在一個C3+含量增加的過程，而此時流量是通過PRD(主調直接輸出塊方式)調節，調節效果存在滯后，一般穩定過程在1 h左右，這樣導致燃料氣燃燒值變化，燃料氣產生的熱量出現波動，會使燃料在極短時間內產生過多熱量，熱量波動使加熱爐的結焦速率增大。

1.4.2 進料量變化對加熱爐壓力的影響 原料進入加熱爐前要經過原料緩沖罐和加熱爐進料緩沖罐，這兩個緩沖罐存在一個液位考核值(50%～80%)。為了維持液位在正常值范圍內，通過調節冷渣、熱渣進料量來控制原料緩沖罐的液位，通過調節加熱爐進料調節閥閥位來控制進料緩沖罐的液位。

圖4 原料提、降量幅度與加熱爐出口溫度的關系◆—溫度波動值/℃； —溫度波動擬合曲線

在提高加熱爐進料量時，會導致加熱爐的爐出口溫度降低，對加熱爐結焦速率影響不大；但在降低加熱爐進料量時，如果降量速率過快，則會使燃料氣出口溫度調節不能在短時間內做出及時調整，會使加熱爐出口溫度瞬時上升。圖4為原料提、降量幅度對加熱爐出口溫度波動的影響。由圖4可知，一般一次降量如果超過0.5 t/h，爐出口溫度增加1～2 ℃。加熱爐進料量操作幅度越大，爐出口溫度波動越大，越易使加熱爐出口溫度超過設定值，產生較大波動，加劇加熱爐的結焦，縮短加熱爐運行周期。

2 延長加熱爐運行周期的措施

2.1 恒定加熱爐進料狀況

維持原料流量及性質不變是保證加熱爐長周期運行的根本，但是在實際生產中這種理想狀態很難實現。為此，采取相應措施，盡量減小原料流量與性質波動，可以有效減緩爐管結焦速率，延長加熱爐運行周期。

2.1.1 增設緩沖罐 依據裝置的實際生產情況，焦化熱渣量波動的主要原因是常減壓蒸餾塔塔底液位波動。為此，在熱渣進入焦化裝置前增設緩沖罐，增設輸送焦化原料專用泵，在保持一定液面的基礎上向焦化裝置恒流量輸送原料。冷渣流量可以保持恒定，做好所有緩沖罐的保溫措施，則可從根本上降低渣油流量和溫度波動，從而減緩其對加熱爐運行周期的影響。

2.1.2 增設混合器 原料混合不均是導致加熱爐結焦的一個主要因素。因此，增設原料混合器，將黏度較大、難以混合均勻的冷、熱渣油進行充分混合后再進入原料緩沖罐，保證混合均勻的原料在加熱爐內通過，避免混合不均的原料在加熱爐內產生偏流，致使爐管局部過熱，可有效減緩爐管結焦情況，延長加熱爐運行周期。

2.2 加強罐區冷渣原料性質分析

目前，罐區原料來源復雜，除了常減壓蒸餾裝置的渣油外，還有性質較差的凝混油。由于在高溫下結焦速率與原料性質關系非常密切，因此在罐區原料進入焦化裝置之前要分析其性質。當原料性質變差時，提前采取相應措施，避免對加熱爐運行造成影響。根據渣油密度，調整循環比、反應溫度和反應壓力等操作參數，如表6所示。

表6 原料性質變化對應的參數調整

2.3 恒定換熱終溫

因為焦化裝置為間斷-連續性生產，在不同的生產節點，熱量分配的位置區別較大，所以導致換熱終溫在280～325 ℃之間波動。預熱期間和切塔后，由于換熱終溫波動較大，波動時間較長(一般持續1 h左右)，這會增加爐管結焦速率。因此，通過計算和合理優化，將換熱終溫保持在約305 ℃，則可保證在預熱期間和切塔后，其它生產節點的溫度波動較小，避免因為生產節點不同而過度調整熱量分配，導致加熱爐進料溫度波動，影響運行周期。

2.4 控制加熱爐負荷，依據設計值進行生產

依據生產要求，在平衡重油的前提下，盡可能地減少超負荷運行狀況，保證在設計值的合理范圍內進行生產，避免過負荷生產對加熱爐爐管、襯里、爐壁和保溫層等設備以及附屬件造成損害。經過對全廠重油優化分配，焦化裝置負荷可保持在設計值內，進料流量不大于170 t/h，煉油廠內其余渣油平衡分配至溶劑脫瀝青裝置處理。

2.5 精細操作，平穩調整

依據產品干氣質量對加熱爐出口溫度的影響和原料提、降量對加熱爐壓力的影響，參數調整時制定相關指令(見表7)：①制定干氣質量合理的考核指標，滿足在生產時即可控制的指標，避免為了控制干氣質量，過度調整生產參數而造成對加熱爐的影響；②通過對吸收劑、再吸收劑、富氣進吸收塔流量，解吸塔塔底溫度等相關數值的考核值設定，間接地達到控制干氣質量的目的；③對于生產中進料量需要調整的環節，要采取穩定平緩的方法進行，限定降量速率、燃料氣流量變化速率、爐出口溫度波動極限等，控制調整進料量的穩定性，避免因為急躁粗糙調整而造成的爐管結焦速率增加。

表7 操作參數以及產品控制考核內容

3 延長加熱爐運行周期措施的實施效果

依據機械清焦后爐管溫度大約為560 ℃到爐管溫度升高至650 ℃清焦計算運行周期。取相應措施實施前后的加熱爐爐管溫度進行對比，結果見圖5。由圖5可知：在措施實施前加熱爐爐管溫升約為1.5 ℃/d，加熱爐運行周期約為2個月；在措施實施后，爐管溫升約為0.7 ℃/d，加熱爐運行周期約為4～5個月。采取相應措施后加熱爐運行周期可得到延長，經濟效益提高約609萬元/a。

圖5 措施實施前后加熱爐溫升對比 —措施前溫升； —措施后溫升

4 結 論

通過對影響加熱爐運行周期的影響因素，如原料性質、溫度、生產負荷和其它操作參數調整等進行分析，相應采取了增設原料緩沖罐和原料混合器、加強對罐區冷渣性質分析、恒定換熱終溫、控制加熱爐負荷和精細操作等一系列措施，可將加熱爐機械清焦周期延長至4～5個月，經濟效益提高約609萬元/a。

[1] 錢家麟.管式加熱爐[M].2版.北京：中國石化出版社，2003：1-2

[2] 瞿國華.延遲焦化工藝與工程[M].北京：中國石化出版社，2008：297

[3] 守富寬.重質油焦化反應模型[J].石油學會雜志，1982，2(1)：32-39

[4] 周曉龍，陳紹洲，張一，等.減壓渣油組分熱轉化反應動力學研究[J].石油學報(石油加工)，1999，15(1)：8-16

[5] 劉晨光，朱春媚，勒力文，等.減壓渣油熱反應特性與原料組成的關聯[J].石油學報(石油加工)，1999，15(1)，1-7

[6] 朱春媚，劉晨光，梁文杰.減壓渣油及其超臨界值抽余油熱轉化性能的研究[J].石油學報(石油加工)，1997，13(2)：8-12

INFLUENCE FACTORS ON DELAYED COKING FURNACE OPERATION CYCLE AND IMPROVEMENT MEASURES

Wang Zhigang， Zhai Zhiqing， Cao Ming， Song Xiaofeng

(SINOPECLuoyangCompany，Luoyang，Henan471300)

Heating furnace is the core of the coking unit， which plays a vital role in production. In view of the gradually shortened coking furnace operation cycle， the influence factors of feed property， furnace temperature， operation load， terminal temperature fluctuations of the heat exchanger and heating condition adjustment range were analyzed. It is concluded that all the above mentioned factors can significantly affect the furnace cycle. Based on the discussion， some improvement measures are proposed， like the adding material buffer tanks and mixers， strengthening the cold slag property analysis， constanting the terminal temperature， controlling the production load and smoothing the operation. After the implementation of above measures， the rate of coke formation effectively slows down and the furnace operation cycle is prolonged. The economic benefits of about 6.09 million Yuan per year are realized.

delayed coking； heating furnace； coking rate； operation cycle

2014-04-21； 修改稿收到日期： 2014-07-13。

王志剛，碩士，助理工程師，從事重質油生產技術工作，曾發表論文4篇。

王志剛，E-mail：wzgdeemail@163.com。