渣油熱效應對焦炭產率的影響

趙加民，梁朝林，袁 迎

(廣東石油化工學院化學工程學院，廣東 茂名 525000)

渣油熱效應對焦炭產率的影響

趙加民，梁朝林，袁 迎

(廣東石油化工學院化學工程學院，廣東 茂名 525000)

渣油的整體反應熱效應不僅可以反映焦化原料的結構組成，而且能直接影響渣油焦化的產物分布，對于焦化生產過程優化起到十分重要的作用?；谠蜔岱磻u價儀，通過靜態微反試驗，定量測量渣油在不同溫度條件下的反應熱效應，考察渣油熱效應對焦炭產率的影響，并根據焦化工業裝置的試驗數據對理論進行驗證。結果表明：渣油熱反應過程的吸熱效應與焦炭產率呈負相關關系；渣油在460 ℃下裂解吸熱強于在500 ℃下，渣油輕質化過程中爐管的供熱方式宜采用長程低強度的加熱方式；延長爐管內介質在低溫區的停留時間，提高渣油供熱量，可以適度提高渣油進入反應區前的轉化程度，增加油品在焦炭塔內的裂解深度，降低焦炭產率，提高液體收率。

渣油 熱效應 焦炭產率 靜態微反試驗

由于渣油熱裂解反應是自由基反應，從自由基引發到終止這段時間，存在自由基鏈傳遞，導致反應熱隨反應時間變化而變化[1]。對于渣油、特別是劣質渣油熱裂解反應來說，主要發生兩類反應：①烷烴、環烷烴的C—C鍵或C—H鍵斷裂生成較小分子的烷烴、烯烴或脫氫芳構化成環烷烴、芳烴，屬強吸熱反應[2]；②稠環芳烴類結構分子如膠質、瀝青質性質較為穩定，在高溫熱裂解反應中主要發生脫氫縮合稠環化反應，直至生成焦炭[3]，屬于放熱反應。此外，部分環烷烴會發生烷基側鏈斷裂和環烷烴開環反應，由于環烷烴的C—C鍵鍵能低于鏈烷烴的C—C鍵鍵能，使得這些反應屬于一般吸熱反應[4]。因此，渣油的整體反應熱效應可以反映焦化原料的結構組成，直接影響渣油焦化的產物分布，對于焦化實際生產過程有較為重要的作用。

關于渣油反應熱效應的研究，目前多利用熱重儀進行分析評價，如DSC、DTA等，但是這類測試有自身不足[5]：原料組成和反應過程的復雜性通常導致基線偏離，同時測試條件對測試體系的影響也較大。在渣油焦化過程中，通過微反試驗實時測量其熱效應，未見文獻報道。本研究利用渣油熱反應評價儀，通過靜態微反試驗，定量測定不同渣油在不同溫度條件下的反應熱效應，考察渣油熱效應對焦炭產率的影響，并根據焦化工業裝置的試驗數據驗證理論的可靠性。

1 實 驗

1.1 實驗方案

圖1 重油熱加工性能評價儀1—裂解氣收集器； 2—餾分油收集器； 3—反應器； 4—測溫元件； 5—錫浴加熱爐； 6—計算機控制系統

渣油深度熱裂解反應試驗在渣油熱加工性能評價儀上進行。評價儀主要由機械硬件設備及計算機配套控制設備兩部分組成，其中機械硬件設備包括儀器柜、反應器上蓋系統、升降系統、循環保溫系統、預熱系統、反應及加熱系統、冷卻接收系統、氣體測量系統、控制面板等，如圖1所示。在經過準確稱量的細長不銹鋼反應器中加入一定量的油樣，首先由預熱系統將其預熱到350 ℃，然后通過加熱系統的錫浴快速升溫至指定反應溫度，反應所得餾分油經過冷卻進入餾分油收集器，氣體由排水集氣法收集；反應完成后，將加熱系統的錫浴快速移開，用水急冷反應器使其快速降溫，完成反應過程。通過對反應器上蓋的控溫保證油樣在反應過程中不至于爆沸，循環保溫系統保證蠟油在管線中不迅速冷凝、堵塞。

1.2 實驗原料

實驗所用原料為中國石化茂名分公司減壓渣油1(VR-1)和減壓渣油2(VR-2)、中國石化廣州分公司減壓渣油(VR-3)和中國石化青島煉油化工有限責任公司減壓渣油(VR-4)，其中VR-1為普通渣油，VR-2，VR-3，VR-4為生產彈丸焦的劣質渣油。

1.3 數據處理

實驗誤差主要包括反應升溫歷程控制誤差和系統測量誤差兩部分。其中，系統測量誤差主要通過重復性試驗，利用統計方法消除；反應歷程誤差是指重油熱反應主要受環境溫度和其它操作條件的影響，并且各平行試驗的歷程難以做到完全一致，導致最終平行試驗反應結果有差異。為此，本研究采用相對轉化率函數Ci0對其進行修正，Ci0的計算式如下：

式中：E為反應活化能；R為理想氣體常數；T為反應溫度；下標i指第i次試驗，i=0時代表基準試驗[6]；下標j為采集的記錄號；n為記錄點數；Δθij為第i次試驗中的第(j+1)個記錄點與第j個記錄點的時間差。Ci0可反映兩次試驗的反應歷程接近程度，Ci0越接近1，說明其對比試驗與基準試驗反應歷程越接近。具體的處理過程參見文獻[6]。

由于反應器是由不銹鋼制作而成，呈圓筒狀，故反應過程中吸熱量的計算公式為：

式中：Q為吸熱量，W；λ為不銹鋼的導熱系數，16.2 W/m·℃；ΔT為錫浴溫度與反應器內溫度的差，℃；L為反應器有效長度，0.160 m；r1為反應器外徑，0.019 5 m；r2為反應器內徑，0.017 0 m。

2 結果與討論

2.1 同一渣油不同溫度下的熱效應

為深入研究渣油熱轉化過程，在等溫條件下測定典型渣油的反應熱效應。VR-3在460，480，500 ℃條件下對應的熱流曲線對比情況見圖2。渣油的熱反應過程實際上由兩類處于競爭的反應組成：分解反應(吸熱)和縮合反應(放熱)[7]。由圖2可見：渣油反應的總體過程表現為吸熱，表明盡管熱反應中后期生成了石油焦，但是縮合生成焦的程度未能逆轉整體的吸熱趨勢；隨著反應溫度的升高，吸熱峰迅速增大，吸熱結束所需要的時間也相應縮短，熱流曲線的斜率變化加劇，表明在較高的溫度下，反應體系的吸熱速率變大。

對460，480，500 ℃下VR-3的吸熱曲線進行對比發現，曲線的峰值在溫度500 ℃時最高，但是在500 ℃時吸熱的時間最短，在460 ℃時吸熱時間最長，吸熱量最大。說明渣油在460 ℃時階段裂解吸熱現象強于在500 ℃時，渣油輕質化過程中爐管的供熱方式宜采用長程低強度的加熱方式，以延長爐管內油樣在低溫區的停留時間，可提高對渣油的供熱量，從而提高渣油進入反應區前的轉化程度，增加油樣在焦炭塔內的裂解深度，降低焦炭產率，提高液體收率。

圖2 不同溫度條件下的溫差變化趨勢■—460 ℃； ◆—480 ℃； ▲—500 ℃

2.2 不同渣油等溫條件下的熱效應

在500 ℃條件下，不同渣油對應的熱流曲線對比見圖3，發現不同渣油的吸熱量的大小順序為VR-1>VR-4>VR-3>VR-2，其中VR-2的吸熱量約為VR-1的1/4，吸熱時間為VR-1的1/2。結合VR-1的試驗焦炭產率(20%)小于VR-2的焦炭產率(52%)，說明劣質渣油熱轉化過程中吸熱量較少，熱反應過程主要以縮合為主，而輕質渣油熱轉化過程以裂解為主，吸熱量較多。因此，在焦化實際生產過程中，VR-2油樣宜采用低強度加熱方式，提高注汽量，以控制劣質渣油在進入反應區前的轉化程度，抑制高溫爐管內結焦。

圖3 溫度500 ℃條件下不同渣油的溫差變化

500 ℃條件下，將渣油熱反應評價儀得到的焦炭產率與對應的反應吸熱效應進行關聯，結果見圖4。由圖4可見：VR-2和VR-3的熱解難度較低，相應地過程的吸熱量也較低；與之相反，VR-1在500 ℃條件下發生熱解的難度最高，而且一旦進入熱解狀態，由于分子結構中含有較多的鏈烷烴，吸收的熱量也較大。結構性質差異較大的渣油原料在熱解過程中熱效應相差較大，為保證劣質渣油焦化過程的平穩性，應根據原料不同的吸熱特性對系統進行調整和優化。

圖4 500 ℃條件下不同渣油的反應熱與焦炭產率■—焦炭產率； ■—吸熱量

2.3 焦化裝置工業試驗下的熱效應

圖5 工業示范裝置焦化流程示意

靜態試驗裝置的試驗結果表明渣油的熱效應與焦炭產率有負相關性，為探究渣油熱效應對焦化工業裝置上焦炭產率的影響，在某工業裝置上進行了工業驗證試驗。該工業裝置流程示意如圖5所示。工業裝置為三爐六塔工藝流程，3臺加熱爐進料均為分餾塔塔底油(輻射進料)，原料性質完全一致。其中爐1與爐2、爐3的結構差異較大，爐1為未改造爐，爐2與爐3為改造爐且結構一致，渣油在3臺加熱爐內的停留時間相差較大(τ爐1<τ爐2≈τ爐3)，表明渣油在爐1所吸收的熱量較爐2、爐3少。由于爐1、爐2和爐3分別對應獨立的焦炭塔，若以爐1為參考基準，考察改造爐爐2和爐3的石油焦產率，其差異可體現渣油熱效應對焦炭產率的影響，而且完全消除了原料性質的干擾。

爐2和爐3采用專利CN99214891[8]和CN201020563740[9]技術進行改造，改造前后的結構見圖6。主要的改造內容為：①輻射室內爐管總體布置由“上進下出”改為“下進上出”流程，改善了介質的給熱質量；②每管程爐管新增4根變徑爐管，延長了介質停留時間(τ爐1<τ爐2≈τ爐3)，提高給熱量。

圖6 工業示范裝置焦化爐改造前后示意

2.3.1 工業試驗條件 工業試驗的具體實施方案是通過控制加熱爐出口溫度或焦炭塔塔底進料溫度，考察渣油裂解深度對石油焦產率的影響。具體如下：①狀態一，控制焦炭塔塔底進料溫度為485 ℃，考核周期為5天；②狀態二，控制加熱爐出口溫度為490 ℃，考核周期為6天；③狀態三，控制加熱爐出口溫度為492 ℃，考核周期為4天?？己似陂g，盡量控制注汽總量不變，且控制焦炭塔塔頂壓力為0.15～0.16 MPa?？己似陂g長時間維持焦化裝置原料性質穩定。以狀態一為例，所得工業試驗操作數據見表1。

表1 狀態一下工業試驗操作數據

圖7 不同操作狀態下的焦炭產率■—爐1； ■—爐2； ■—爐3。 圖8～圖11同

2.3.2 工業試驗結果 在維持操作條件不變的情況下，工業試驗獲得了不同結構、不同操作狀態下焦化爐的焦炭產率，如圖7所示。圖7工業試驗結果表明，同一油樣在相同的操作條件下，焦化爐改造后焦炭產率有明顯的下降，3種不同的操作狀態下，爐2、爐3所對應的焦炭產率較爐1平均減少2.18百分點。由于渣油在加熱爐內的停留時間τ爐1<τ爐2≈τ爐3，吸熱量Q爐1

為探究工業試驗中渣油熱效應影響焦炭產率的原因，分析了不同操作狀態下石油焦的理化性質，結果見圖8。

圖8 不同操作狀態下碳氫比和揮發分

由圖8(a)可見，狀態一與狀態三時石油焦碳氫比的大小順序為爐1<爐3<爐2，可見爐1渣油反應深度低于爐2和爐3，因為在未經改造的爐1中渣油停留時間短于在爐2和爐3中。爐2的反應深度較爐3略大，由于爐2、爐3雖然結構一致，但因爐3處理量大于爐2，故其渣油停留時間短于在爐2中，因此反應深度偏小。然而狀態二時，石油焦碳氫比的順序由高到低為爐1>爐3>爐2，造成這一現象的原因可能是采樣過程中引入了較大誤差。為驗證采樣誤差的存在，試驗過程中分別采集焦炭塔不同位置(4，8，12，16 m)的石油焦，分析其碳氫比，結果見圖9～圖11。由于焦化反應是半間歇反應，同一焦炭塔內不同位置的反應時間不同，不同位置的反應時間由高到低的順序為：t4 m>t8 m>t12 m>t16 m。反應時間越長，渣油反應深度越高，碳氫比也就越大，狀態一與狀態三的實驗結果與這一結論一致，而狀態二的石油焦的碳氫比沿焦炭塔分布規律較為紊亂，由此可以推斷在狀態二時存在較大的人為采樣誤差，狀態一與狀態三的石油焦數據可靠。

圖9 狀態一時焦炭塔不同位置的石油焦碳氫比

圖10 狀態二時焦炭塔不同位置的石油焦碳氫比

圖11 狀態三時焦炭塔不同位置的石油焦碳氫比

由圖8(b)可見，在相同的操作狀態下，石油焦揮發分爐1較爐2、爐3偏大，表明爐2和爐3中原料的反應深度大于爐1中。結合圖8(a)的分析結果，可以得到在相同的操作狀態下，爐2與爐3的反應深度高于爐1。由于3個爐的原料一致，操作條件一致，主要的區別在于3個爐的結構的差異：介質在爐1中的停留時間較在爐2、爐3中的短，吸熱量相對較少。由此可以得出：渣油熱效應影響焦炭收率的本質是渣油熱效應與反應深度之間關系：適當提高渣油反應熱效應，提高焦化爐內介質反應深度，可降低焦炭收率。綜上所述，改造后焦化爐內渣油在爐管內停留時間比改造前增加，渣油在焦化爐內吸收的熱量增加，裂解需要的熱量遠遠大于縮合生焦放出的熱量，提高了單程轉化率，使得渣油的反應深度加深，從而焦化裝置焦炭收率降低。趙日峰[10]依托中國石化金陵分公司焦化裝置，將焦化爐管中油品停留時間延長10 s左右，增加其在焦化爐內的裂解反應深度，使裝置焦炭產率明顯下降，所得結果與本研究工業試驗結果一致。

3 結 論

(1) 渣油高溫熱反應過程中的反應熱效應與原料的化學結構特性相關。原料不同，熱效應的溫度分布范圍和強度均有差別，渣油熱反應過程的反應熱效應與焦炭收率呈負相關關系。

(2) 劣質渣油在460 ℃下裂解吸熱強于在500 ℃條件下，渣油輕質化過程中爐管的供熱方式宜采用長程低強度的加熱方式，以延長爐管內油品在低溫區的停留時間，提高渣油供熱量，適度提高渣油進入反應區前的轉化程度，以增加油品在焦炭塔內的裂解深度，降低焦炭產率，提高液體收率。

(3) 延長渣油在焦化爐內停留時間，提高渣油的吸熱量，增加渣油在焦化爐內的裂解反應深度，可以降低裝置焦炭產率。

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INFLUENCE OF HEAT EFFECT OF COKING REACTION ON COKE YIELD

Zhao Jiamin， Liang Chaolin， Yuan Ying

(CollegeofChemicalEngineering，GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology，Maoming，Guangdong525000)

The overall heat effect of residual oil thermal cracking not only reflects the raw material structure， but also directly affects the products distribution. The static micro test in residual oil thermal reaction evaluation instrument was used to investigate the influence of the cracking reaction heat effect of residual oil at different temperature on coke yield. The results were verified by commercial data of coking unit. The experimental results show that the endothermic effect of residual thermal process is negatively related with coke yield. The endothermic effect for inferior residual oil cracking at 460 ℃ is stronger than that at 500 ℃， indicating that the long-range and low intensity heating procedure is helpful to reduce coke yield. Prolonging the retention time of oil in furnace tube at low temperature area to increase the heat adsorption capacity of residual oil can moderately enhance residual conversion degree before entering reaction zone， resulting in deeper cracking extent of oil in coke tower， lower coke yield and higher liquid yield.

residual oil； heat effect； coke yield； static micro test

2015-10-08； 修改稿收到日期：2015-12-18。

趙加民，碩士，研究方向為重質油加工。

趙加民，E-mail：13658681458@163.com。

國家自然科學基金資助項目(21176050)。