延遲焦化加熱爐環保在線恒溫清焦技術的應用

孫 宇

（中國石油化工股份有限公司鎮海煉化公司，浙江 寧波 315207）

隨著常規原油可利用量的日趨減少，水力壓裂開采頁巖油等非常規能源技術的發展，原油重質化、劣質化趨勢日益凸顯，重質原油開采和加工技術的日臻成熟，使得提高重油的轉化深度、增加輕質油品產量成為石油煉制工業的必然之選[1-3]。

目前，世界上重油和渣油的主要加工工藝有：延遲焦化、溶劑脫瀝青、催化裂化（RFCC）、渣油加氫等。但渣油催化裂化、渣油加氫工藝對原料性質要求較高，在處理殘炭質量分數＞10%、重金屬含量高的渣油時，存在催化劑易中毒失活及裝置運行狀態欠佳等問題。延遲焦化的工藝特點使它能夠加工各種廉價的高硫、高氮、高殘碳、高瀝青質和高金屬含量渣油；并且其工藝成熟，裝置投資低；此外，對于煉化一體化企業而言，焦化汽油、液化氣經過加氫后，是乙烯裂解裝置的好原料；焦化干氣加氫后與PSA 組合，生產的富乙烷氣是乙烯裂解的最好原料，它們產生的綜合經濟效益非常明顯，因此，從石油煉制工業技術的發展來看，延遲焦化裝置作為石化企業的“黃金垃圾桶”必將長期存在[4-5]。

延遲焦化加熱爐是把經換熱后300 ℃左右的渣油在加熱爐爐管內迅速加熱到490～510 ℃，使重油在爐管內迅速獲得足夠的熱量，讓裂解—縮合反應“延遲”到焦炭塔內進行，所以從某種意義上說，加熱爐既是延遲焦化裝置的主要加熱設備，還是具有裝置“反應器”的功能，可以說焦化加熱爐是延遲焦化裝置“安穩長滿優”運行的首要關鍵設備，其中延遲焦化加熱爐輻射爐管結焦狀況，不僅決定延遲焦化加熱爐的運行周期，同時也決定著延遲焦化裝置的平穩運行，是裝置生產負荷的主要制約因素。

1 清焦技術

1.1 空氣-蒸汽燒焦

空氣-蒸汽燒焦法是目前國內應用最廣泛、技術最為成熟清的焦技術。加熱爐停爐切斷進料后，將加熱爐爐管內的渣油吹掃干凈，降溫后檢修人員進行倒燒焦彎頭作業，將加熱爐出口管線轉至燒焦流程。爐管內通入蒸汽，點爐升溫，升溫到600 ℃以上保持相對恒溫，使加熱爐管內的“積焦”呈暗紅狀態，之后配入空氣，爐管內的焦層在高溫環境下，最先接觸空氣的1～2 根爐管內高溫焦層即刻開始燃燒，處于燃燒狀態的爐管呈現亮紅色，其爐管表面溫度會迅速達到700 ℃以上，視情況關閉空氣，開大蒸汽，高溫燃燒的焦層在蒸汽的沖擊下，遇冷崩裂剝落，燃燒物和剝離的焦粒一起被蒸汽帶走。通過控制通入空氣的流量來控制燒焦爐管的根數，從上至下逐根將加熱爐爐管內的焦炭清除，每路爐管典型的燒焦時間在12 h 左右[6]，整個燒焦過程包括停爐、降溫、倒燒焦彎頭、升溫燒焦、并爐操作，一般需要72 h 左右才能恢復正常生產。典型的空氣-蒸汽燒焦流程如圖1。

圖1 空氣-蒸汽燒焦示意流程

傳統的延遲焦化裝置多采用空氣-蒸汽燒焦方式，其優點為爐管燒焦較為徹底，但也存在如下問題：

1）燒焦尾氣直接排放，污染環境。空氣-蒸汽燒焦方式需在爐管中通入空氣與爐管內壁的焦炭發生燃燒，燃燒后的廢氣排入燒焦罐，因介質中存在氧氣，在煉廠中無法密閉處理，只能敞口排放；為了除塵，燒焦罐采用水噴淋的方式減輕污染，但是無法消除煙塵的污染，而且增加新鮮水耗量大，一般情況每次耗量約600～800 t 左右。

2）爐管受損嚴重。爐管表面溫度由于燒焦過程中爐管受熱不均勻，燃燒處易出現局部管壁溫度超溫，爐管表面溫度往往可達700 ℃以上，超過爐管材質高溫極限，并且急冷急熱易引起爐管變形彎曲，會大大降低爐管使用壽命。

3）人工操作工作量大。僅燒焦操作一般需要8～12 h，操作人員頻繁切換給汽、給風閥門，現場專人負責用紅外溫度計監測燒焦爐管表面溫度，同時停、并爐操作期間，倒燒焦彎頭，拆裝高溫法蘭作業，熱緊作業等都需要人工，工作量極大。

4）安全風險高，對加工量影響大。燒焦需停爐、冷卻、倒燒焦彎頭、燒焦、再倒回彎頭、并爐等一系列操作，安全風險極大，并且整體時間偏長，對裝置加工量影響較大。

1.2 機械清焦

機械清焦是近幾年延遲焦化加熱爐廣泛采用的清焦技術，英文名稱為 PIGGING 或 PIGGINGCLEAN。機械清焦使用專用的清焦工程車，清焦前首先將熱爐單系列停車，爐膛和爐管自然冷卻后，將加熱爐爐管的進、出口管線法蘭拆開，專用清焦接頭與拆開的加熱爐進出口法蘭連接，將清焦球發射和接收裝置連接至專用接頭上，再將清焦管程接頭連接上清焦工程車水系統，工程車上的泵組打出2.0～3.0 MPa 壓力的水流，推動由特殊材料及工藝制造的清焦球（PIG）在管道內運動，擠壓并清除管內焦層，被擠碎的焦塊隨水流流出管外，過濾焦塊后，清焦水循環使用，圖2 為兩臺清焦工程車同時清洗四排爐管示意圖[7]。

圖2 2 臺清焦工程車同時清洗四排爐管示意圖

機械清焦的關鍵在于清焦球。清焦球是由具有彈性的高密度合成樹脂制作，外形如子彈狀，在其本體外表面裝有清焦釘頭。由于清焦球具有很好的彈性，且收縮率較大（可達15%～65%），使得它很容易地通過彎管、U 型管及短半徑彎管等[8]。常用的PIG 如圖3。

圖4 清焦球示意圖

機械清焦優勢有：爐管清焦較徹底，焦炭、鹽垢均能清除干凈；對環境影響小。不足：需要停爐，降溫，拆裝清焦接頭法蘭，并爐等作業，作業量大，安全風險高；爐膛降溫需徹底，降溫時間長，整個清焦過程時間約需96 h；操作費用較高，同時還產生大量清焦污水。

1.3 在線蒸汽清焦

變溫清焦是利用爐管金屬材質與管內焦垢層熱膨脹系數不同，通過反復多次升高和降低爐管溫度，使得焦炭與爐管剝離。國內上海石化、燕山石化均對焦化加熱爐爐管采用過在線變溫清焦，但由于操作工作量大以及對爐管材質的高要求和清焦效果起伏等原因，目前只有惠州煉化采用在線變溫清焦[9]。從惠州煉化變溫在線清焦后爐管壁溫最大溫降66 ℃，平均溫降54 ℃，爐膛溫度大幅下降，加熱爐各項控制指標可以達到正常水平，操作中需升溫降溫操作共10 次[10]。但是該變溫清焦操作次數較大，并對升降溫速率有要個的控制要求，操作的工作量較大，波動相應增大，頻繁的升溫、降溫嚴重損傷加熱爐的爐管。

2 環保在線恒溫清焦技術的應用

2.1 環保在線恒溫清焦流程

“環保在線恒溫清焦”基本原理是在加熱爐切斷進料后，通入蒸汽，將爐管內介質吹掃干凈，迅速滅爐火降溫，利用爐管金屬材質和內壁焦垢層的膨脹系數不同，爐管收縮程度比焦垢層大，使焦垢層擠壓，剝落部分焦塊，其中未剝落的焦塊也會產生較多的裂紋；在爐管再次升溫時蒸汽對焦垢層的沖刷及水蒸氣在高溫下與焦炭發生化學反應生成一氧化碳和氫氣，同時在長時間高溫蒸汽快速沖刷作用下，使焦垢層進一步從爐管上剝離脫落，剝離的焦粒隨清焦蒸汽共同進入生焦塔內，剝落的焦粒對后續爐管內的焦垢層的沖擊作用，加快焦垢層剝離，實現焦粒和熱量的密閉回收。

2.2 在線恒溫清焦的設計

1）加熱爐需4 管程以上，保證某一管程在線清焦時，焦炭塔能夠維持正常生產，降低對分餾塔等后續工藝和設備的影響。

2）在線清焦時蒸汽的壓力應大于加熱爐管內渣油進管線壓力，開工初期加熱爐進口壓力一般為1.2～1.7 MPa；加熱爐爐管內結焦時，入口壓力將提高到2.3～2.9 MPa，在線清焦蒸汽的壓力應大于3.0 MPa，通常采用3.5 MPa 的中壓蒸汽。

3）清焦蒸汽應單獨配套流量儀表，以便準確控制清焦蒸汽流量。

4）在線清焦蒸汽管線在加熱爐正常操作時不被使用，在天氣寒冷地區或溫度存在低于零攝氏度的中部地區應充分考慮防凍放凝問題，設計時可以考慮和爐管注汽點相結合。

5）加熱爐出口轉油線的設計不但應考慮正常操作工況，還應該考慮在線清焦工況。在線恒溫清焦時，管束內蒸汽體積流量一般大于該路渣油的體積流量，爐管出口轉油線的管徑應根據線清焦和正常操作兩種工況設計，保證兩種工況下轉油線內兩相流流型均滿足要求。

2.3 在線恒溫清焦技術要求

1）合理安排清焦過程。恒溫蒸汽清焦期間爐管表面溫度要比運行末期爐管表面溫度高出一定溫度，使得金屬有足夠的膨脹空間形成間隙，保證清焦效果。清焦過程涉及停、開加熱爐，溫度變化較大，需合理安排清焦時間，協調好焦炭塔切換及預熱等過程，防止焦炭塔進料溫度過低，避免產生軟焦。

2）降溫速率控制。控制好降溫速率，原則上降溫速度應越快越好，利于焦垢層之間相互擠壓，產生裂紋，剝落部分焦塊，但需考慮進焦炭塔的溫度以及降溫速率對加熱爐的影響，避免焦炭塔生焦溫度過低，損壞加熱爐設備。

3）清焦蒸汽流量的控制。原則上通清焦蒸汽流量理論上越大越好，清焦蒸汽流量越大，爐管內蒸汽的氣速越大，對爐管內壁的沖刷作用就越強烈，焦垢層越容易剝離，但也必須考慮清焦蒸汽及焦粉對爐管內表面的沖蝕影響，需根據爐管材質選用合適的蒸汽用量。同時，蒸汽提量時應注意入口壓力波動，避免提量過快，大量的焦垢脫落，堵塞爐管。

4）升溫速率的控制。原則上爐管表面溫度越高越好，溫度越高，焦垢層之間的間隙越大，利于清焦蒸汽對焦垢層的沖刷、剝落。但是爐管表面溫度受爐管材質最高使用溫度的限制，必須根據爐管材質確定恒溫清焦的最高爐管表面溫度；同時還應注意：恒溫清焦期間，為使爐膛熱分布均勻，盡可能多點火嘴，均勻分布。

5）并爐操作控制，要防止介質溫度、流量大幅波動對裝置的影響，要避免并爐不當，引起爐管結焦或焦炭塔生焦溫度過低等對裝置平穩生產的影響。

2.4 清焦完成標準

為確保清焦效果，可通過以下三點初步判斷加熱爐是否完成清焦：

1）清焦時間達到預先規定時間。

2）清焦管程壓力趨于平穩后，將清焦管程蒸汽量提至最大值，并將加熱爐爐管表面溫度提升至最高，入爐壓力穩定無波動。

3）現場觀察爐管表面顏色，在最高溫度下，該爐管材質應呈現均勻的暗紅色，觀察爐管無黑色斑點。

以上三點均達到要求，可判定此次清焦完成。

2.5 恒溫清焦效果

采用在線恒溫清焦技術后，在加熱爐進料量及爐出口溫度相同的工況下，加熱爐爐管表面溫度、爐膛溫度、入爐壓力等關鍵運行參數較清焦前顯著改善，如表1 所示。

表1 清焦前后關鍵參數對比

1）清焦后，爐管表面溫度、入爐壓力下降明顯。爐管越靠近加熱爐出口，溫度下降越明顯，說明越靠近輻射出口，爐管內結焦越嚴重，清焦前后溫度下降越明顯。

2）在加熱爐一組爐膛進行在線恒溫清焦時，其余兩組爐膛正常生產情況下，分餾塔及壓縮機等運行工況都較穩定，焦炭產品質量合格，焦化蠟油、焦化柴油、焦化汽油、液化氣、干氣質量均合格。

3）清焦過程操作簡單安全，工作量小。操作人員只需將清焦爐膛切出，不需要動改其他流程。

4）環保節能效果好。清焦過程完全密閉，無廢氣、廢水、廢渣產生，對環境無任何影響，高溫蒸汽和焦炭顆粒全部進入焦炭塔回收，環保和節能效果明顯。

5）清焦時間短，對裝置負荷影響較小。

3 結 論

與國內目前普遍采用的清焦方式相比，延遲焦化裝置采用在線恒溫清焦的實踐表明：（1）加熱爐爐管清焦效果好，操作簡便，工作量小；（2）清焦時間短。對裝置加工量影響小，對裝置安全生產影響小；（3）節能環保優勢明顯，無廢氣、廢水、廢渣產生，可實現高溫蒸汽和焦炭顆粒完全回收，經濟性好。