一、概述
隨著全世界范圍內(nèi)原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化趨勢的日益加劇，延遲焦化裝置作為一種適應性強、投資少的渣油加工工藝，越來越得到煉油行業(yè)決策者的青睞。為了盡量降低裝置設(shè)備投資或利用現(xiàn)有設(shè)備提高裝置處理量，國外延遲焦化爐操作的苛刻度要大大高于目前國內(nèi)的操作水平，據(jù)資料介紹焦化加熱爐出口溫度甚至高達505~515℃，焦化爐的煙氣出輻射室溫度可高達近900℃，以充分利用焦化設(shè)備提高液體收率減少焦炭產(chǎn)率，這樣焦化爐操作周期達到約3個月左右就必須停爐燒焦，大大影響了裝置的開工周期和經(jīng)濟效益。因此在高操作苛刻度條件下如何延長焦化爐的操作周期便成為了人們首要關(guān)心的問題，延遲焦化爐在線清焦技術(shù)就是在這種背景及要求下應運而生的。
在線清焦技術(shù)最早起源于乙烯裂解爐的設(shè)計和操作，該技術(shù)可以實現(xiàn)在不停爐情況下對爐管內(nèi)結(jié)焦進行有效的清除。經(jīng)過不斷的實踐與研究，人們成功地把在線清焦技術(shù)應用到延遲焦化爐的設(shè)計與操作中，從而使得延遲焦化爐的操作周期得到大幅度延長。
二、 在線清焦的工作原理
采用在線清焦技術(shù)的焦化爐一般應采用4管程或6管程，以避免在線清焦時對后續(xù)設(shè)備操作造成太大的影響。操作時對其中一管程通入蒸汽，其余三管程或五管程正常操作，在線清焦用的蒸汽及清除的焦炭與其它管程的油品一同進入焦炭塔。
在線清焦方法有兩種，一種是恒溫法，其原理是利用高速流動的水蒸汽對焦垢層的沖刷作用及水蒸汽在高溫下與焦炭發(fā)生化學反應生成一氧化碳和氫氣。該種方法僅可用于結(jié)焦時間較短的焦化爐，采用此種方法可有效的去除管內(nèi)生成的軟焦層。當管壁溫度達到630℃約3個月之后時，管內(nèi)焦層已經(jīng)變硬，采用恒溫法進行在線清焦的效果就不是很理想了，此時應當采用變溫法。變溫法的原理是利用爐管金屬與管內(nèi)焦垢層熱膨脹系數(shù)的不同，通過快速升高及降低爐管溫度，使得焦炭層與爐管剝離。無論采用何種方法，都必須嚴格控制管壁溫度不超過爐管的最高使用溫度，并保證清焦管程的蒸汽壓力大于或等于其它正常操作的幾管程的管內(nèi)壓力，以免熱油泄漏到清焦的管程中。在線清焦所需蒸汽量、管壁溫度的升降范圍及速度應按照焦化爐實際爐管規(guī)格、根數(shù)、材質(zhì)進行計算后確定，其操作必須嚴格按照規(guī)定的步驟進行實施，否則有可能造成清焦效果差、爐管堵塞、爐管變形，甚至爐管爆裂等嚴重的事故。
三、 在線清焦技術(shù)的工程設(shè)計
1、 對裝置工藝設(shè)計的要求
1） 在線清焦蒸汽系統(tǒng)的設(shè)計
在線清焦時蒸汽的壓力應大于走油管程的油品進口壓力，開工初期加熱爐進口壓力一般為1.5~1.8MPa(g),當開工3`6個月，加熱爐爐管內(nèi)已有結(jié)焦時，此時加熱爐進口壓力將提高到2.5~2.8MPa(g), 在線清焦蒸汽的壓力應大于3.3MPa(g),通常采用3.5MPa(g)的中壓蒸汽。為有效的控制在線清焦爐管的升溫和降溫速度，清焦蒸汽的溫度也有一定的要求，通常采用注入脫氧水來控制蒸汽溫度。據(jù)國外資料介紹，焦化爐管在線清焦也可以直接用脫氧水作在線清焦介質(zhì)。在線清焦所用蒸汽量一般為4~8噸/時，不能全部利用多點注汽的管道和儀表，應單獨設(shè)計在線清焦管道和儀表，在加熱爐每路入口設(shè)置切斷閥和止回閥，每臺加熱爐可設(shè)置一個蒸汽流量調(diào)節(jié)閥和蒸汽溫度調(diào)節(jié)閥。在線清焦蒸汽管道正常操作時不被使用，在北方地區(qū)應充分考慮防凍放凝問題，可以和爐管注汽的第一點相結(jié)合。如果加熱爐設(shè)計有安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，在線清焦蒸汽管路設(shè)計還應和爐管事故吹掃蒸汽管路設(shè)計相結(jié)合。
2） 爐出口轉(zhuǎn)油線的設(shè)計
加熱爐出口轉(zhuǎn)油線的設(shè)計是焦化裝置配管設(shè)計的一個重點和難點，設(shè)計不好會出現(xiàn)管線振動或晃動，影響安全生產(chǎn)。采用在線清焦技術(shù)時，爐出口轉(zhuǎn)油線的設(shè)計不但應考慮正常操作工況，還應考慮在線清焦工況。在線清焦時一路蒸汽出口流量的變化會直接影響加熱爐總出口轉(zhuǎn)油線的流量的變化。在線清焦蒸汽的體積流量一般大于該路油品的體積流量，爐出口轉(zhuǎn)油線管徑的設(shè)計應根據(jù)在線清焦和正常操作兩種工況來核算，保證兩種工況下加熱爐出口轉(zhuǎn)油線的兩相流流型均滿足要求。通常轉(zhuǎn)油線管徑的選擇應首先考慮正常操作狀態(tài)下的流型處于最佳，在線清焦時雖然氣體流速提高，但對轉(zhuǎn)油線的流型不會有太大的影響。在線清焦管路的蒸汽出口溫度變化范圍約為400~600℃，為減少在線清焦對爐總管出口溫度的影響，在線清焦操作時可適當調(diào)整其它管程的處理量和出口溫度。
爐出口轉(zhuǎn)油線的設(shè)計要考慮管道的熱應力及振動，每路出口管應對稱布置，兩支管油品的混合不應對沖，減少混合時的沖擊防止管路振動。
3） 對焦炭塔、分餾塔及后續(xù)設(shè)備設(shè)計的要求
采用線清焦技術(shù)，應按在線清焦技術(shù)要求確定在線清焦用蒸汽的流量及變化范圍，根據(jù)在線清焦時焦炭塔內(nèi)的油氣和蒸汽的總流量核算焦炭塔的空塔氣體速度，通常采用在線清焦時降低裝置處理量15~25%，即加熱爐一路走蒸汽另外幾路走的油品量不變或適當增加，此時焦炭塔內(nèi)的油氣和蒸汽的總體積流量增加約5~15%，因此在線清焦時焦炭塔內(nèi)氣速不會超標，焦炭塔的設(shè)計基本可不考慮在線清焦的影響，但是在線清焦時焦炭塔內(nèi)的氣相的密度會降低，易發(fā)生泡沫冒頂和焦粉攜帶，應及時注入消泡劑。針對分餾塔塔徑的確定及塔盤的水力學計算也應按照在線清焦時的氣相及液相負荷進行核算，一般情況下對分餾塔的設(shè)計不造成大的影響，但是蒸汽量的變化和油氣量的減少會引起操作的微量波動，因此設(shè)計分餾塔應選擇高操作彈性的塔板，以便減少在線清焦時分餾塔的波動，影響產(chǎn)品質(zhì)量。由于在線清焦用蒸汽全部從分餾塔頂餾出，分餾塔頂?shù)睦鋮s設(shè)備應考慮在線清焦用蒸汽的冷凝冷卻負荷，同時酸性水泵應能夠把線清焦用蒸汽及其他注汽冷凝的含硫污水送出裝置。
4） 雙向蒸汽－空氣燒焦系統(tǒng)的設(shè)計
采用在線清焦技術(shù)的焦化爐設(shè)置雙向蒸汽空氣燒焦系統(tǒng)是非常必要的。雙向燒焦是在加熱爐進出口管線分別設(shè)置燒焦蒸汽及空氣進口接管，實際操作中可由入口至出口進行正常燒焦。當加熱爐靠近爐入口部位管內(nèi)結(jié)焦嚴重、采用正常方向燒焦不能有效清除時，還可由出口至入口進行反向燒焦。當在線清焦操作不當時，脫落的大塊焦碳有可能堵塞爐管，此時必須停爐，然后用蒸汽由加熱爐盤管進出口反復交替吹掃，以清除堵塞。
2、 對焦化加熱爐設(shè)計的要求
1） 盤管系統(tǒng)設(shè)計
對于采用變溫法進行在線清焦的焦化爐，其輻射盤管必須能夠承受快速升溫降溫的操作，并且升降溫梯度還必須滿足一定的要求，因此爐管的最高使用溫度應能達到700℃，爐管材質(zhì)應選用Cr9Mo或以上級別的材料。由于快速升溫及降溫過程中爐管各點溫度變化的不一致性，輻射盤管一般會出現(xiàn)較為劇烈的熱震現(xiàn)象，尤其是升降溫梯度較大的情況下，輻射盤管進出口法蘭及輻射管架的設(shè)計應考慮這部分沖擊荷載的影響，否則可能會造成法蘭泄漏或管架損壞的事故。
2） 燃燒器設(shè)計
燃燒器應能滿足爐膛快速升溫和降溫操作的要求，每個燃燒器均應設(shè)置長明燈。應保證在主火嘴燃料全部切斷時長明燈不熄滅，并且在快速打開主火嘴燃料時，燃燒器主火嘴應能迅速點燃，火焰形狀穩(wěn)定不飄散，并且能達到正常發(fā)熱量的要求。
3） 爐襯設(shè)計
為滿足爐膛快速升溫和降溫操作的要求，輻射室應選用熱容量較低的耐火材料，如陶瓷纖維結(jié)構(gòu)的爐襯，盡量不要采用磚結(jié)構(gòu)或輕質(zhì)澆注料襯里結(jié)構(gòu)的爐襯。由于熱容量高的耐火材料的蓄熱量較大，會使得爐膛升溫和降溫速度達不到要求，這樣會對在線清焦的效果產(chǎn)生不利的影響。
4） 測量儀表
對于指導在線清焦操作最為重要的測量儀表是管壁熱電偶。為保證測出的管壁溫度的準確性，宜選用刀刃式管壁熱電偶，并且測點端部應設(shè)置防輻射屏蔽罩，其內(nèi)部應填充松散的高鋁纖維。管壁熱電偶應布置在爐管的向火面，并且應正對燃燒器，以測得最高管壁溫度。另外每管程輻射盤管應設(shè)置有足夠數(shù)量的管壁熱電偶，并盡量在爐管長度方向上均勻布置。
另外工藝介質(zhì)每管程進出口均應設(shè)置壓力表和熱電偶，并且應引至操作室，以正確指示清焦過程中各管程的進出口溫度和壓力。
5) 煙囪及余熱回收系統(tǒng)設(shè)計
為保證快速升降溫過程中燃燒器操作的穩(wěn)定性及可靠性，在線清焦操作時加熱爐應處于自然通風操作狀態(tài)，這就要求余熱回收系統(tǒng)能在加熱爐正常操作時處于停運狀態(tài)，因此空氣預熱器應放置在地面，并應在去往空氣預熱器的熱煙道上設(shè)置隔斷擋板，此時熱煙氣由爐頂煙囪直接排入大氣，煙囪高度應滿足自然通風操作時抽力的要求。
三、在線清焦技術(shù)的實踐及工程應用
2001年2月，上海石化股份有限公司100萬噸／年延遲焦化裝置首次成功地實施了加熱爐在線清焦。本次在線清焦是在美國PETRO-CHEM公司的專家現(xiàn)場指導下完成的，采用了變溫法工藝對焦化爐四管程中的一組盤管進行了實際操作，整個過程共進行了3次變溫操作，共耗時約20小時。操作完畢后加熱爐管壁溫度得到了有效的改善，其中管壁溫度下降最大值為101℃，管壁溫度在630℃以上各點平均下降69.45℃, 管壁溫度在570℃~629℃范圍內(nèi)各點平均下降23.3℃, 管壁溫度在529℃以下各點平均下降14.5℃，另外加熱爐入口壓力也明顯降低。
2004年2月，高橋石化公司140萬噸／年延遲焦化裝置也對加熱爐進行了變溫法在線清焦，但沒有達到預期的效果，其主要原因如下：
＊ 燃燒器燃燒狀況不穩(wěn)定，無法實現(xiàn)快速升降溫操作
＊ 升溫降溫梯度不夠大
＊ 中間恒溫時間過短，未能有效地去處管內(nèi)軟焦層
＊ 由于結(jié)焦時間較短，可能采用恒溫法更合適
本次在線清焦是國內(nèi)首次獨立實施的一次操作，盡管沒有取得預期的效果，但積累了相當多的經(jīng)驗和教訓，為今后的進一步研究和實踐打下了深厚的基礎(chǔ)。
四、 結(jié)束語
雖然在線清焦技術(shù)在國內(nèi)的部分焦化裝置設(shè)計中被采用，但由于國內(nèi)焦化加熱爐的反應苛刻度較低，爐管內(nèi)的結(jié)焦較少，該技術(shù)未被廣泛使用。在線清焦設(shè)計技術(shù)已經(jīng)成熟，但使用經(jīng)驗不足，使該技術(shù)未得到進一步的發(fā)展。隨著原油價格的提高及油品和焦炭價差的增大，提高焦化加熱爐的反應苛刻度，減少焦炭產(chǎn)率將會逐步得到重視，在線清焦技術(shù)對延長加熱爐的連續(xù)運行周期將發(fā)揮重要作用。
