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摘要：影响延长焦化装置长周期生产运行的关键是延缓炉管结焦，从结焦的机理和影响因素出发，对炉管结焦原因进行分析，提出抑制或延缓结焦的有效措施。
关键词：延迟焦化 加热炉 结焦 延缓措施
中图分类号：TE966 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）30-0007-01
1、前言
近几年来，随着我国乙烯工业的快速发展，作为能将渣油部分转化为乙烯原料的延迟焦化装置处理能力呈现明显的上升趋势，成为渣油深加工的主要选择。由于其主要原料减压渣油在高温下容易结焦，致使延迟焦化装置操作周期短，停工检修频繁。尤其是加热炉的炉管结焦问题已成为制约延迟焦化装置长周期运行的最重要因素。因此，分析延迟焦化加热炉成焦原因并找出最佳的减缓或抑制结焦的对策，对于装置的长周期运行是十分必要的。
2、加热炉结焦的机理
炉管结焦是由于油品在炉管中裂解后又缩合而形成高分子焦炭的反应。介质在炉管内流动时与炉管内表面之间存在一个过渡区，即边界层。（如图1所示）边界层的平均温度比介质主体温度要高，而平均速度比介质主体速度慢，流动状态呈层流。因此，边界层总是比介质主体先进入临界温度区，焦炭的浓度也比介质主体中焦炭的浓度高。当边界层的温度进入介质裂解的临界温度范围时，焦炭量增加且随温度的上升而增多，此时认为炉管开始结焦。因此，结焦的速度与边界层的温度、压力、平均流速、边界层焦炭的浓度等都有关系，而边界层的厚度愈厚，结焦速度也越大。
由于焦化自身的工艺特点，加工原料主要为胶质、沥青质含量较高的减压渣油，且需要被迅速加热至500℃左右，使其延迟到焦炭塔里进行生焦反应。高温介质在加热炉中、后部炉管内会产生一定的裂解缩合反应，这些都加剧了炉管的结焦速度。虽采用多点注汽、控制介质在炉管内停留时间等技术，但与其他设有加热炉的炼油装置不同，焦化炉管结焦问题仍然是制约其长周期运转的最主要因素。
3、结焦延缓措施
3.1改善加热炉进料性质
由结焦原理可知，炉管结焦与油品的性质有密切的联系。K值（特性因数）高的石蜡基组分在较低的温度下会先行裂解而结焦；由于石蜡基组分并非胶质、沥青质的良好溶剂，温度升高会使沥青质等从液相分离出来而结焦。【1】大庆油为典型的石蜡基原油，因此加工此类渣油的焦化装置应通过提高循环比来降低加热炉进料的劣质化程度。即，减少加热炉管结焦，应提高循环比。
其次，原料中的含盐量对炉管结焦也有很大的影响，这些非溶解性固体杂质会诱发和加快高温介质成焦先兆体的出现，进而在炉管中产生结焦现象。所以，原料中钙盐和钒盐过高时应要求上有装置进行深度脱盐脱金属。
再次，根据各厂物料平衡的要求，多数焦化装置都掺炼重催的催化油浆。由于催化油浆中含有大量的稠环芳烃和少量催化剂，在相同温度下其更容易在炉管内发生裂解缩合反应。而且油浆中含有的催化剂也会加速管壁上成焦先兆体的形成，缩短加热炉运行周期。所以，焦化装置重油催化油浆的参炼比例应适当控制，一般不应大于10%，且越低越有利于长周期运行。
3.2优化加热炉运行条件
提高加热炉热效率，防止和降低炉管结焦，延长炉管寿命，应强化加热炉平稳操作管理，优化加热炉运行条件。
3.2.1选择合适的介质流速
根据结焦的机理可知，当介质流速增大时，介质在炉管内的停留时间缩短，边界层的流速增加、厚度减薄，结焦速度降低。所以，为了尽量减少高温渣油在炉管内发生的缩合反应，要保证介质在最短的时间以较大的流速通过炉管并迅速达到反应温度。目前焦化加热炉均采用炉管注汽（水）的方式来增加管内湍流速度，破坏边界层流层，从而降低结焦。一般采用在对流入口、辐射入口和辐射中段三个部位注入3.5Mpa蒸汽的方式。注汽量的大小需根据炉管的进料量来确定。注汽量过小将达不到破坏边界层流层的目的，而过大又会影响焦化的后续操作和不必要的能量消耗，所以防止炉管结焦要根据实际处理量准确调整各点注汽量，确保炉管内介质流速合适。
3.2.2严格控制加热炉出口温度
加热炉出口温度直接影响焦炭塔内的反应温度和反应深度。温度过高，焦化反应过深，炉管结焦倾向增大；温度过低，反应深度不够，焦炭质量不合格。合适的炉出口温度应根据原料的性质进行调整，特别是原料的四组分组成和残炭值。合适的炉出口温度不仅可以节能降耗，也可以达到减缓炉管结焦的目的。
3.2.3保持良好的加热炉燃烧状况
及时调节“三门一板”， 控制好炉膛负压，保证燃料气的充分燃烧。认真检查所有燃烧器的火焰高度，严禁火焰直接冲刷炉管，要定期检查、维护炉管各热偶，保证炉管管壁温度不超温。
3.3提高加热炉炉管清焦的质量
炉管内结焦使管壁温度急剧上升，增加了管内压力降，最终装置只能被迫停炉进行烧焦或清焦。管壁内清焦是否彻底是决定加热炉下一运行周期长短的一个重要因素。国内大多数延迟焦化装置采用蒸汽-空气烧焦的方法【2】，在整个烧焦过程中炉管一直处于高温状态。为了保证烧焦质量，有时甚至会超过炉管使用极限温度，严重影响炉管的使用寿命，同时在烧焦过程中如果操作不当，极易导致炉管内结焦发生炸焦，大量的焦炭会堵塞炉管，导致停工周期延长，甚至需要更换炉管。
2012年，大庆石化120万吨/年延迟焦化装置首次采用了炉管机械清焦，与以往传统烧焦工艺比较，清焦过程更加安全高效。详见表1。
表1 加热炉不同清焦方法的优缺点比较
机械清焦结束后，对大庆石化120万吨/年的延迟焦化装置加热炉的炉管的四个管程分别进行了相同位置六个热偶点的取样，经计算得出平均值后与生产末期和上一次烧焦后的管壁温度进行了比较，具体变化见表2。
表2 加热炉炉管表面温度变化情况
从上表可以看出，在进行机械清焦后，加热炉炉管表面温度下降明显，与采用烧焦的炉管相比，表面温度有所下降，最大温差在12.22℃。这证明了机械清焦将烧焦无法清除的无机物结垢清除下来，降低了炉管的热负荷。由于该车间开工后加热炉进料量由上一周期的3000吨/天提高到3400吨/天，检修后炉管的壁温平均值受进料量的影响会相对提高，因此机械清焦的实际效果应比数据显示效果更好。
4.结论
随着原油日益劣质化，延迟焦化装置在重油加工中地位日益重要。焦化加热炉运行的好坏直接影响着装置的长周期运行和炼厂的经济效益。为了使延迟焦化装置延长运行周期，实现效益最大化，要注意加工原料的性质，适当掺炼油浆和污油，及时根据原料變化调节循环比；优化加热炉的操作；改善加热炉的运行条件；保证每次检修的清焦质量，多采用机械清焦，降低炉管的机械损伤，为焦化加热炉的长周期运行创造有利条件。
参考文献：
【1】瞿滨.延迟焦化装置技术问答[M].北京：中国石化出版社，2007
【2】钱家麟.管式加热炉（第二版）[M].北京：中国石化出版社，2O03
关键词：延迟焦化 加热炉 结焦 延缓措施
中图分类号：TE966 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）30-0007-01
1、前言
近几年来，随着我国乙烯工业的快速发展，作为能将渣油部分转化为乙烯原料的延迟焦化装置处理能力呈现明显的上升趋势，成为渣油深加工的主要选择。由于其主要原料减压渣油在高温下容易结焦，致使延迟焦化装置操作周期短，停工检修频繁。尤其是加热炉的炉管结焦问题已成为制约延迟焦化装置长周期运行的最重要因素。因此，分析延迟焦化加热炉成焦原因并找出最佳的减缓或抑制结焦的对策，对于装置的长周期运行是十分必要的。
2、加热炉结焦的机理
炉管结焦是由于油品在炉管中裂解后又缩合而形成高分子焦炭的反应。介质在炉管内流动时与炉管内表面之间存在一个过渡区，即边界层。（如图1所示）边界层的平均温度比介质主体温度要高，而平均速度比介质主体速度慢，流动状态呈层流。因此，边界层总是比介质主体先进入临界温度区，焦炭的浓度也比介质主体中焦炭的浓度高。当边界层的温度进入介质裂解的临界温度范围时，焦炭量增加且随温度的上升而增多，此时认为炉管开始结焦。因此，结焦的速度与边界层的温度、压力、平均流速、边界层焦炭的浓度等都有关系，而边界层的厚度愈厚，结焦速度也越大。
由于焦化自身的工艺特点，加工原料主要为胶质、沥青质含量较高的减压渣油，且需要被迅速加热至500℃左右，使其延迟到焦炭塔里进行生焦反应。高温介质在加热炉中、后部炉管内会产生一定的裂解缩合反应，这些都加剧了炉管的结焦速度。虽采用多点注汽、控制介质在炉管内停留时间等技术，但与其他设有加热炉的炼油装置不同，焦化炉管结焦问题仍然是制约其长周期运转的最主要因素。
3、结焦延缓措施
3.1改善加热炉进料性质
由结焦原理可知，炉管结焦与油品的性质有密切的联系。K值（特性因数）高的石蜡基组分在较低的温度下会先行裂解而结焦；由于石蜡基组分并非胶质、沥青质的良好溶剂，温度升高会使沥青质等从液相分离出来而结焦。【1】大庆油为典型的石蜡基原油，因此加工此类渣油的焦化装置应通过提高循环比来降低加热炉进料的劣质化程度。即，减少加热炉管结焦，应提高循环比。
其次，原料中的含盐量对炉管结焦也有很大的影响，这些非溶解性固体杂质会诱发和加快高温介质成焦先兆体的出现，进而在炉管中产生结焦现象。所以，原料中钙盐和钒盐过高时应要求上有装置进行深度脱盐脱金属。
再次，根据各厂物料平衡的要求，多数焦化装置都掺炼重催的催化油浆。由于催化油浆中含有大量的稠环芳烃和少量催化剂，在相同温度下其更容易在炉管内发生裂解缩合反应。而且油浆中含有的催化剂也会加速管壁上成焦先兆体的形成，缩短加热炉运行周期。所以，焦化装置重油催化油浆的参炼比例应适当控制，一般不应大于10%，且越低越有利于长周期运行。
3.2优化加热炉运行条件
提高加热炉热效率，防止和降低炉管结焦，延长炉管寿命，应强化加热炉平稳操作管理，优化加热炉运行条件。
3.2.1选择合适的介质流速
根据结焦的机理可知，当介质流速增大时，介质在炉管内的停留时间缩短，边界层的流速增加、厚度减薄，结焦速度降低。所以，为了尽量减少高温渣油在炉管内发生的缩合反应，要保证介质在最短的时间以较大的流速通过炉管并迅速达到反应温度。目前焦化加热炉均采用炉管注汽（水）的方式来增加管内湍流速度，破坏边界层流层，从而降低结焦。一般采用在对流入口、辐射入口和辐射中段三个部位注入3.5Mpa蒸汽的方式。注汽量的大小需根据炉管的进料量来确定。注汽量过小将达不到破坏边界层流层的目的，而过大又会影响焦化的后续操作和不必要的能量消耗，所以防止炉管结焦要根据实际处理量准确调整各点注汽量，确保炉管内介质流速合适。
3.2.2严格控制加热炉出口温度
加热炉出口温度直接影响焦炭塔内的反应温度和反应深度。温度过高，焦化反应过深，炉管结焦倾向增大；温度过低，反应深度不够，焦炭质量不合格。合适的炉出口温度应根据原料的性质进行调整，特别是原料的四组分组成和残炭值。合适的炉出口温度不仅可以节能降耗，也可以达到减缓炉管结焦的目的。
3.2.3保持良好的加热炉燃烧状况
及时调节“三门一板”， 控制好炉膛负压，保证燃料气的充分燃烧。认真检查所有燃烧器的火焰高度，严禁火焰直接冲刷炉管，要定期检查、维护炉管各热偶，保证炉管管壁温度不超温。
3.3提高加热炉炉管清焦的质量
炉管内结焦使管壁温度急剧上升，增加了管内压力降，最终装置只能被迫停炉进行烧焦或清焦。管壁内清焦是否彻底是决定加热炉下一运行周期长短的一个重要因素。国内大多数延迟焦化装置采用蒸汽-空气烧焦的方法【2】，在整个烧焦过程中炉管一直处于高温状态。为了保证烧焦质量，有时甚至会超过炉管使用极限温度，严重影响炉管的使用寿命，同时在烧焦过程中如果操作不当，极易导致炉管内结焦发生炸焦，大量的焦炭会堵塞炉管，导致停工周期延长，甚至需要更换炉管。
2012年，大庆石化120万吨/年延迟焦化装置首次采用了炉管机械清焦，与以往传统烧焦工艺比较，清焦过程更加安全高效。详见表1。
表1 加热炉不同清焦方法的优缺点比较
机械清焦结束后，对大庆石化120万吨/年的延迟焦化装置加热炉的炉管的四个管程分别进行了相同位置六个热偶点的取样，经计算得出平均值后与生产末期和上一次烧焦后的管壁温度进行了比较，具体变化见表2。
表2 加热炉炉管表面温度变化情况
从上表可以看出，在进行机械清焦后，加热炉炉管表面温度下降明显，与采用烧焦的炉管相比，表面温度有所下降，最大温差在12.22℃。这证明了机械清焦将烧焦无法清除的无机物结垢清除下来，降低了炉管的热负荷。由于该车间开工后加热炉进料量由上一周期的3000吨/天提高到3400吨/天，检修后炉管的壁温平均值受进料量的影响会相对提高，因此机械清焦的实际效果应比数据显示效果更好。
4.结论
随着原油日益劣质化，延迟焦化装置在重油加工中地位日益重要。焦化加热炉运行的好坏直接影响着装置的长周期运行和炼厂的经济效益。为了使延迟焦化装置延长运行周期，实现效益最大化，要注意加工原料的性质，适当掺炼油浆和污油，及时根据原料變化调节循环比；优化加热炉的操作；改善加热炉的运行条件；保证每次检修的清焦质量，多采用机械清焦，降低炉管的机械损伤，为焦化加热炉的长周期运行创造有利条件。
参考文献：
【1】瞿滨.延迟焦化装置技术问答[M].北京：中国石化出版社，2007
【2】钱家麟.管式加热炉（第二版）[M].北京：中国石化出版社，2O03