指导焦化炉优化设计和延迟焦化装置操作工作总结报告

1、指导焦化炉优化设计和延迟焦化装置操作 第 6 页指导焦化炉优化设计和延迟焦化装置操作工 作 总 结 报 告中国石油大学重质油国家重点实验室管式加热炉科研组:一、背 景为了确保250万吨/年国内单套装置处理能力规模最大、设计原料（沙轻沙重混合油深拔渣油，污泥掺炼）特殊、现场要求运行周期长（达到3年以上）的青岛大炼油延迟焦化装置达到长周期高效运行的目的，2006年9月28日，中国石化工程建设公司与中国石油大学签订了指导焦化炉优化设计和延迟焦化装置操作项目，合同有效期限为2006年9月28日至2007 年12月31日，开题时，针对总公司所定项目的技术目标是： 得到典型油样最大可裂化度、结焦因子及极限

2、生焦率等基础数据；2完成焦化炉管内外过程模拟；3提出适合典型油样的最优化操作条件。开题时，针对总公司所定技术内容包括以下几项： 实验测定沙轻深拔渣油、沙重深拔渣油及不同配比沙轻沙重混合渣油结焦因子； 实验测定沙轻深拔渣油、沙重深拔渣油及不同配比沙轻沙重混合渣油最大可裂化度；实验测定沙轻深拔渣油、沙重深拔渣油及不同配比沙轻沙重混合渣油、掺炼污泥条件及极限产品分布；实验测定沙轻深拔渣油、沙重深拔渣油及不同配比沙轻沙重混合渣油12集总动力学常数；对焦化炉结构、炉管系统进行优化设计；对在役焦化装置的炉出口裂解深度进行调研；在16的基础上，对大型化焦化炉出口裂解深度进行过程模拟，提出最优化的操作条件；对

3、焦炭塔反应机理进行研究，提出解决减缓焦炭塔焦粉携带的技术方案。二、完成主要工作本项目为中石化总公司劣质渣油延迟焦化成套技术开发与工业应用项目的子项目，详细细节参见指导焦化炉优化设计和延迟焦化装置操作研制报告，结合合同要求，中国石油大学重质油国家重点实验室管式加热炉科研组，完成了以下工作： 理论基础研究部分延迟焦化是一种利用重油在热转化深度较低时不易出现结焦前体物（结焦母体）的特性，在焦化加热炉管内获得重油轻质化所需要的能量，然后在焦炭塔内完成生焦反应的工艺过程。控制焦化炉炉管结焦速率是确保延迟焦化装置长周期运行的基础；尽量提高焦化炉生焦反应给热量，确保生焦反应（吸热）所需要的热量，减少装置的焦

4、炭产率，是该工艺过程获得经济效益的技术关键。焦化炉是延迟焦化装置的核心单元设备，焦炭塔的反应过程与结果由焦化炉控制，其地位与催化裂化提升管，乙烯装置裂解炉相当，决定了装置规模、操作周期及经济效益，炉管结焦是导致操作后期炉管管外壁温度上升损坏的根本原因。减少炉管结焦与降低焦炭产率目标是相互矛盾的：较低的炉出口温度与炉管表面热强度，会降低介质与油膜的峰值温度（peak temperature），对减少炉管结焦有利，但同时减少了生焦反应焦化炉给热量，进而导致焦炭塔内生焦反应不完全，焦炭中低挥发分增多，严重影响液体产物收率。基于此科研组： 对炉管结焦机理进行了进一步研究； 提出了油品“最大可裂化度”

5、概念； 提出了管内介质“正常延迟状态” 概念； 提出了生焦反应焦化炉给热概念； 提出了提高生焦反应给热量的方法。上述基础工作为“指导焦化炉优化设计和延迟焦化装置操作”奠定了基础。 焦化炉管内外过程模拟软件及专用实验设备完善炉管结焦速率与操作结构及物性都有关系：焦化炉炉管结焦速率等于结焦前体物生成速率与脱落速率之差，影响炉管结焦速率的因素可以分为两类：一类为影响结焦前体物生成速率的因素如原料性质、油膜温度(film temperature)等；另一类为影响结焦前体物脱落速率的因素如边界层厚度、管内流动主体结焦前体物浓度等。由于炉管结焦速率影响因素过于复杂，因而本研究提出了管内介质“正常延迟状态”

6、及“生焦反应焦化炉给热” 概念以避免直接计算结焦速率并达到装置优化设计及操作的目的。生焦反应给热及炉出口裂解深度不能直接检测，如何通过炉出口温度及注汽量得到生焦反应给热及控制炉管结焦的关键工艺参数，必须通过焦化炉管内外过程模拟才能得到；焦化炉管内外工艺过程极为复杂管外包括燃料燃烧、高温烟气湍流流动及辐射传热，管内包括重油热转化反应及结焦、两相流流动等过程，得到生焦反应给热及炉出口裂解深度等关键工艺参数必须借助专门的计算工具及实验设备。在原科研工作基础上本次研究过程中： 开发完善了通用对流模块； 实验测定了可适合多种油样的12集总动力学常数； 开发完善了多个管外辐射传热模块； 软件对不同结构、操

7、作条件及物性的适应性进行了考察对比； 对专用实验设备的控温软件进行了智能升级； 提出了焦化原料加工性能评价方法；上述工作使“指导焦化炉优化设计和延迟焦化装置操作”成为可能。 青岛焦化原料加工性能评价及焦化炉操作条件剖析延迟焦化工艺特点导致控制炉管结焦速率与提高生焦反应给热量相互矛盾，如何根据特定原料的结焦倾向与裂解难易程度，在控制炉管结焦速率的前提下，调整循环比、炉出口温度与注汽量确保重油完全“吃干榨尽”，降低焦炭产率增加装置轻收特别是液收已势在必行。装置结构条件确定后，操作条件与原料特性是决定装置产品分布的两大因素，目前企业常用沥青质、20密度、粘度等指标作为判断原料的结焦倾向；用康式残炭预

8、测原料的产品分布；用焦炭中的挥发份判断生焦反应焦化炉给热量是否足够，现场优化操作程度判断与装置操作参数优化设计必须在已知原料裂解与缩合反应特性的条件下进行：用沥青质作为判断原料结焦倾向的缺陷是未考虑金属及盐含量对结焦的影响，同时热转化过程中胶质可以转化成沥青质，沥青质中的侧链也可裂解；由于康式残炭形成条件与焦炭塔生焦过程相差甚大，将装置产品分布与康式残炭线性相关，预测值与装置实际结果的误差不足以判别操作条件是否优化；由于焦炭挥发份大小受大小吹气操作、除焦水污油含量及采样随意性影响，同样难以用于判断生焦反应焦化炉给热量是否足够。基于上述理由，本项目中我们提出用结焦因子作为焦化原料结焦倾向的判据，

9、利用特制微型焦化反应设备，将不同油样控制在相同反应条件下得到油样极限生焦率及产品分布，用装置与实验室差值作为判断现场操作优化程度的判据；将等量不同油样给定热量得到油样的反应终温，给定终温得到反应所需热量作为判断原料裂解难易程度的判据；结合前期开发的过程模拟软件对现场装置的操作条件进行定量解释，结合不同装置的特点提出最优化及稳妥的操作条件。详细细节参见指导焦化炉优化设计和延迟焦化装置操作研制报告，本项目中我们完成了： 给定实验条件确保实验点重复性条件下，建立了15种现场典型油样结焦因子数据库； 在480500范围内，由结焦前体物生成量的变化，建立了7种现场典型油样最大可裂化度数据库； 基于不同分

10、子内不同原子间的键能不同，将等量不同油样给定热量得到油样的反应终温，给定终温得到反应所需热量作为判断原料裂解难易程度的判据，建立了10种现场典型油样相对裂解难易程度数据库； 现场调研了10典型装置的操作及物性条件，利用过程模拟软件掌握了典型装置焦化炉燃料单耗、生焦反应焦化炉给热、生焦反应总给热占介质总吸热比例、炉内反应总吸热占介质总吸热、炉膛温度、介质管内裂化转化率、循环油管内停留时间、430以上停留时间、反应行程长度、最大表观流速、炉出口汽化分率、最高油膜温度、最高管外壁温度、压降、辐射炉管表面热强度等关键工艺参数的变化范围在上述工作的基础上，针对青岛大炼油延迟焦化装置，课题组 基于结焦因子

11、概念和结焦因子库，对青岛开工油料及典型劣质油料结焦倾向进行了评价，为注汽量优化设计奠定了基础； 基于最大可裂化度、对比油样及对比装置概念和最大可裂化度数据库，对青岛开工油料及典型劣质油料最大可裂化度进行了评价，为注汽量及出口温度的优化设计奠定了基础； 基于相对裂解难易程度数据库，对青岛开工油料及典型劣质油料相对裂解难易程度进行了评价，为注汽量及出口温度的调整奠定了基础； 基于典型装置生焦反应焦化炉给热、生焦反应总给热占介质总吸热比例、炉内反应总吸热占介质总吸热、炉膛温度、介质管内裂化转化率、循环油管内停留时间、430以上停留时间、反应行程长度、最大表观流速、炉出口汽化分率、最高油膜温度、最高管

12、外壁温度、压降、辐射炉管表面热强度等关键工艺参数的变化范围，对开工油样的开工条件进行了评价，对劣质渣油形成弹丸焦的原因进行了分析，为现场操作调整提供了理论依据。三、工作不足与取得的成绩本项目为中石化总公司劣质渣油延迟焦化成套技术开发与工业应用项目的子项目，开题条件是以青岛大炼油焦化装置为依托，由于 2008年奥运会等原因，青岛大炼油焦化装置2008年才正式开工，因而合同不能按期完成，延长到2008年底； 市场的原因,现场缺少开题时规定的油样，缺少油泥反应数据。是本项的不足，但项目执行过程中，为 确保装置一次开车成功； 避免装置产生弹丸焦； 避免装置产生软焦； 确保原料”吃干榨尽” 确保装置长周期运行。同时基于指导现场焦化炉优化操作的可调工艺参数： 焦化炉出口温度； 焦化炉注汽量； 循环比。的调整缺少理论依据，在中国石化工程建设公司技术主管领导指导下，中国石油大学重质油国家重点实验室管式加热炉科研组开展了： 评价原料炉管结焦倾向； 评价原料裂解难易程度； 评价原料产品分布规律。针对现场实际问题的焦化原料加工性能评价工作并建立了数据库，为焦化炉结构创新设计、科学制定劣质原料加工方案奠定了坚实的基础。四、致 谢承蒙同行信任，中国石油大学重质油国家重点实验