生焦反應(yīng)給熱量與裝置焦炭產(chǎn)率

1、1.4 生焦反應(yīng)給熱量與裝置焦炭產(chǎn)率 提要:本文由中石化17套延遲焦化裝置焦炭產(chǎn)率、焦炭揮發(fā)分及焦化原料康氏殘?zhí)康?年生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過引入焦炭產(chǎn)率系數(shù)、生焦反應(yīng)焦化爐給熱及生焦反應(yīng)給熱比概念，借助于管內(nèi)外過程模擬技術(shù)及7套現(xiàn)場操作實測數(shù)據(jù)，對工業(yè)裝置焦炭產(chǎn)率的差異進行了理論分析，提出在確保焦化爐管不發(fā)生嚴(yán)重結(jié)焦的條件下，操作上同時優(yōu)化焦化爐注氣及爐出口溫度以提高焦化爐生焦反應(yīng)給熱量，進而達到提高延遲焦化工藝液收的目的。并給出了特例爐在典型處理量條件下的焦化爐注氣及爐出口溫度具體設(shè)定值。1. 前言 延遲焦化工藝由于具有設(shè)備投資及操作費用低、對原料要求不高的特點，一直是我國重油輕質(zhì)化的主要手段，

2、我國現(xiàn)有延遲焦化裝置 2 9套 ,總能力超過20.65 mt/ a，占世界第二位。提高液體收率是提高延遲焦化工藝比較經(jīng)濟效益的最有效手段。按中石化2001年延遲焦化實際加工量（12.36mt）計，即使將焦炭產(chǎn)率降低1個百分點，即可增加 12.36萬噸輕質(zhì)油品/年，比較經(jīng)濟效益將在1億元/年以上。 本文由中石化17套延遲焦化裝置焦炭產(chǎn)率、焦炭揮發(fā)分及焦化原料康氏殘?zhí)康?年生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過引入焦炭產(chǎn)率系數(shù)、生焦反應(yīng)焦化爐給熱及生焦反應(yīng)給熱比概念，借助于管內(nèi)外過程模擬技術(shù)及7套現(xiàn)場操作實測數(shù)據(jù)，對工業(yè)裝置焦炭產(chǎn)率的差異進行了理論分析，提出在確保焦化爐管不發(fā)生嚴(yán)重結(jié)焦的條件下，操作上同時優(yōu)化焦化爐注

3、氣及爐出口溫度以提高焦化爐生焦反應(yīng)給熱量，進而達到提高延遲焦化工藝液收的目的。并給出了特例爐在典型處理量條件下的焦化爐注氣及爐出口溫度具體設(shè)定值。2. 現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析 圖-1 為中石化系統(tǒng)17套延遲焦化裝置焦炭產(chǎn)率統(tǒng)計結(jié)果1 ，焦炭產(chǎn)率最低為16.47%，最高達31.19% ，基于處理能力的加權(quán)平均值為25.33%。一般認為，焦炭產(chǎn)率與渣油殘?zhí)坑芯€性關(guān)系，定義 ： （1）中石化系統(tǒng)17套延遲焦化裝置焦炭產(chǎn)率系數(shù)計算結(jié)果參見圖-2 ，最大值為2.6，最小值為0.67，平均值為1.76，高于國外1.21.4的先進水平2且不同裝置不同年份焦炭產(chǎn)率系數(shù)變化較大。 圖-3為不同裝置石油焦揮發(fā)份數(shù)

4、據(jù)，最大值為15.8%，最小值為5.2%，平均值為9.56%，圖-4為不同裝置爐出口溫度設(shè)定值，圖-5為不同裝置注氣比（注汽量與減壓渣油量之比）設(shè)定值，影響焦炭產(chǎn)率的因素可歸為物性、結(jié)構(gòu)及操作條件三類，不同裝置的焦炭產(chǎn)率差異是否與現(xiàn)場操作的控制差異所引起？ 3. 生焦反應(yīng)焦化爐給熱與生焦反應(yīng)給熱比概念重油分子在高溫下會自發(fā)地產(chǎn)生自由基，自由基再以不同的方式參與反應(yīng)：一方面發(fā)生裂化（吸熱）反應(yīng)，大分子裂化成小分子；另一方面原料分子縮合（放熱）成更大的大分子，從熱效應(yīng)的角度，熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)是個吸熱過程。圖6是將反應(yīng)時間設(shè)置在1小時，不同反應(yīng)溫度下特例重油熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)主要產(chǎn)品收率的實驗數(shù)據(jù)，表明將焦炭塔內(nèi)

5、泡沫層溫度控制在460上下是必要的，有資料表明2焦化溫度每升高5.6，瓦斯油收率可增加1.1%。爐出口溫度與焦炭塔內(nèi)生焦反應(yīng)吸熱量共同決定了焦炭塔內(nèi)泡沫層溫度：爐出口溫度越高，焦炭塔內(nèi)生焦反應(yīng)吸熱量越小，焦炭塔內(nèi)泡沫層溫度越高。為了進一步降低焦炭產(chǎn)率, 僅以控制爐出口溫度作為提高焦炭塔內(nèi)泡沫層溫度的手段是不夠的, 本文通過生焦反應(yīng)焦化爐給熱概念，提出適當(dāng)提高焦化爐爐出口熱轉(zhuǎn)化深度（爐出口由熱裂解反應(yīng)所產(chǎn)生的裂解氣及小于510的餾份量與輻射進料量之比），降低焦炭塔內(nèi)生焦反應(yīng)吸熱量的操作方案。焦炭塔內(nèi)重油熱化反應(yīng)所需要的熱量全部來自于焦化爐。每kg輻射進料在焦化爐管中的吸熱量q可用下式表示： (2

6、)hi、ho分別為輻射進料在進出口處的焓值，kj/kg；實驗表明,重油熱化反應(yīng)溫度超過400即有明顯的裂化反應(yīng)產(chǎn)生，反應(yīng)溫度超過430以后反應(yīng)十分劇烈，鑒于各個生產(chǎn)企業(yè)輻射進料的溫度不同，為了便于比較，定義單位質(zhì)量焦化進料從430升至設(shè)定爐出口溫度所需要的熱量為生焦反應(yīng)焦化爐給熱，用qcoking表示: （3）式中qt,qe,qr分別為管內(nèi)介質(zhì)升溫、汽化及反應(yīng)所用熱量，kj/kg ；h430為管內(nèi)介質(zhì)溫度為430截面上的焓值，kj/kg 。進一步定義： （4）為生焦反應(yīng)給熱比，以比較不同工況焦化爐提供給焦炭塔內(nèi)生焦反應(yīng)的熱量，式中，qcoking,q0coking分別為任意工況及基準(zhǔn)工況生焦反

7、應(yīng)焦化爐給熱。顯然，生焦反應(yīng)焦化爐給熱反映了焦化爐提供給焦化原料生焦反應(yīng)熱量的大小，生焦反應(yīng)給熱比越大，焦炭塔內(nèi)生焦反應(yīng)所導(dǎo)致的溫降就越低，石油焦產(chǎn)率或石油焦中的揮發(fā)分將越低。 生焦反應(yīng)焦化爐給熱與爐出口溫度及氣化率有關(guān)，由于重油熱裂化是一個吸熱反應(yīng)，生焦反應(yīng)焦化爐給熱還與爐出口熱轉(zhuǎn)化深度有關(guān)，必須通過管內(nèi)流動及反應(yīng)過程模擬，得到介質(zhì)的升溫曲線及停留時間才能得到爐出口熱轉(zhuǎn)化深度，下文通過幾個典型焦化爐的現(xiàn)場物性、結(jié)構(gòu)及操作實測數(shù)據(jù)，利用過程模擬技術(shù)3，考察生焦反應(yīng)焦化爐給熱對裝置焦炭產(chǎn)率的影響。4. 典型算例及分析 幾個典型在役單面輻射焦化爐操作工況下爐出口溫度、注氣條件實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果參見表

8、-1，焦化爐生焦反應(yīng)給熱、生焦反應(yīng)給熱及描述爐管結(jié)焦的介質(zhì)在管內(nèi)的停留時間、爐出口熱轉(zhuǎn)化率及氣化率、爐管表面平均熱強度等工藝參數(shù)也一并列入表-1。 采用同種原料的爐dmcl和爐smcl生焦反應(yīng)給熱比及焦炭產(chǎn)率系數(shù) 參見表-1，表明焦炭產(chǎn)率系數(shù)與生焦反應(yīng)焦化爐給熱有關(guān)。幾個典型算例由現(xiàn)場操作實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算得到的生焦反應(yīng)焦化爐給熱與裝置焦炭產(chǎn)率系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果參見圖-7，說明提高生焦反應(yīng)焦化爐給熱有利于降低裝置焦炭產(chǎn)率系數(shù)。 確保燃料量不變，將爐smcl現(xiàn)場操作設(shè)定注汽量降低1半，介質(zhì)在管內(nèi)的總停留時間為49.25s，其中430以上耗時26.69s、爐出口熱轉(zhuǎn)化率6.359%(m%)，關(guān)鍵工藝參數(shù)仍

9、在合理范圍之內(nèi)3，此時介質(zhì)出口溫度僅需要495.6，提供給焦炭塔焦化反應(yīng)的熱量與爐出口溫度設(shè)定為500時相同，現(xiàn)場操作結(jié)果也說明同時控制注氣比和出口溫度對降低焦炭產(chǎn)率有利。 參見表-2，爐dmsjz 爐出口溫度為496，現(xiàn)場操作中注氣比為1.66%，介質(zhì)430耗時為28.08s，生焦反應(yīng)焦化爐給熱量為341.87 kj.kg-1，為了提高生焦反應(yīng)焦化爐給熱量，維持原操作注氣比不變，將特例爐dmsjz爐出口溫度提高至焦化爐出口溫度經(jīng)驗值上限（505），生焦反應(yīng)焦化爐給熱比可升高至1.221,此時從介質(zhì)在430以上耗時、爐出口熱轉(zhuǎn)化率、平均熱強度等影響爐管結(jié)焦關(guān)鍵工藝參數(shù)計算結(jié)果看，仍能維持正常操

10、作。采用同時改變注氣比和爐出口溫度的優(yōu)化操作方案，將特例爐注氣比降至0.5%，爐出口溫度降低5，設(shè)定到一般控制溫度（500），此時生焦反應(yīng)焦化爐給熱比可升高至1.30，高于僅調(diào)整爐出口溫度的操作方案，需要說明的是此時介質(zhì)爐出口熱轉(zhuǎn)化率偏高，由于爐管長度較短，生焦反應(yīng)焦化爐給熱仍低于典型算例中的最好水平。5. 結(jié)論 低注氣比操作有利于提高生焦反應(yīng)焦化爐給熱，采用同時調(diào)整注氣比和爐出口溫度優(yōu)化操作方案優(yōu)于僅調(diào)整爐出口溫度的方案。6. 建議1按常規(guī)經(jīng)驗操作，爐dmsjz生焦反應(yīng)焦化爐給熱較低，可以通過優(yōu)化現(xiàn)場操作進一步提高液體收率。2采用同時調(diào)整注氣比和爐出口溫度優(yōu)化操作方案時，應(yīng)注意爐出口熱轉(zhuǎn)化率

11、及爐管表面平均熱強度的變化，以確保焦化爐管不發(fā)生嚴(yán)重結(jié)焦為前提。為確保操作成功，應(yīng)對原料結(jié)焦傾向進行詳細評價，判斷每一個模擬工況是否會導(dǎo)致爐管嚴(yán)重結(jié)焦，并隨時監(jiān)控爐管結(jié)焦現(xiàn)狀預(yù)測結(jié)焦趨勢。3鑒于焦化爐是整個裝置的核心設(shè)備，建議在兩爐4塔裝置上首先對一爐實施優(yōu)化操作方案，并對工業(yè)裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時詳細分析。主要參考文獻：1 中石化總公司煉油事業(yè)部：生產(chǎn)裝置匯編（內(nèi)部資料）2 延遲焦化裝置技術(shù)標(biāo)定程序，北京，中國石化出版社，19913 xiao jiazhi etc,process simulation for a tubular coking heater petroleum science

12、and technology18 (3&4),319-333(2000) 圖-6 不同溫度下重油反應(yīng)1小時后主要產(chǎn)品分布 表-1 典型焦化爐操作工況分析爐 型單 面 輻 射雙面輻射代 號dmcldmsjzdmzhdmaqdmczsmjssmclsmcl單程輻射爐管長/m600504600660630426.8426.8426.8430介質(zhì)行程/m390.00300.00382.50367.50318.75333.43297.5297.5爐出口溫度/505496496.2492.9495.5498.87500495.6單程輻射量/ t.h-137.3339.7443.2039.0042.9930

13、.1936.636.6爐管表面平均熱強度/kw.m-230.8131.7328.3724.9429.8222.54133.92933.929管內(nèi)介質(zhì)停留時間/s71.2966.1977.3990.7374.0234.8136.3549.25430介質(zhì)行程耗時/s34.0528.0836.4135.7227.821.9219.7426.69介質(zhì)爐出口汽化分率/m%34.3629.0629.9027.7746.6843.02428.29327.25爐出口熱轉(zhuǎn)化率/ m%12.4085.7939.2278.1206.0165.1685.3956.359注氣條件點數(shù)11111333單程流量/t.h-1

14、0.80.5290.60.550.8450.580.70.35注氣/減渣,%2.441.661.881.532.381.930.964注氣/輻射進料,%2.141.331.391.411.971.921.690.846生焦反應(yīng)焦化爐給熱/kj.kg-1458.49341.87358.60337.41317.46355.89309.41309.41生焦反應(yīng)給熱比1.3411.0001.0490.9870.9291.0410.9050.905焦炭產(chǎn)率系數(shù)11.3991.651.5911.6351.4931.51.651.65表-2 爐dmsjz同時改變爐出口溫度及注氣比后的關(guān)鍵工藝參數(shù)工況原操作操

15、作注氣比不變注氣比1%注氣比0.5%爐出口溫度500爐出口溫度505燃料量不變爐出口溫度500爐出口溫度500注氣條件單程流量/kg.h-1529529529317.94317.94159注氣/減渣,%1.661.661.66110.5注氣/輻射進料,%1.331.331.330.80.80.4爐出口溫度/496500505493.7500500燃料量/ nm3/h203821762370203822732396430介質(zhì)行程/m300309.00324.00309.00327.00342.00爐管表面平均熱強度/kw.m-231.72533.38735.66431.70334.54835.997管內(nèi)介質(zhì)停留時間/s66.1966