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1、1.4 生焦反应给热量与装置焦炭产率 提要:本文由中石化17套延迟焦化装置焦炭产率、焦炭挥发分及焦化原料康氏残炭等4年生产统计数据，通过引入焦炭产率系数、生焦反应焦化炉给热及生焦反应给热比概念，借助于管内外过程模拟技术及7套现场操作实测数据，对工业装置焦炭产率的差异进行了理论分析，提出在确保焦化炉管不发生严重结焦的条件下，操作上同时优化焦化炉注气及炉出口温度以提高焦化炉生焦反应给热量，进而达到提高延迟焦化工艺液收的目的。并给出了特例炉在典型处理量条件下的焦化炉注气及炉出口温度具体设定值。1. 前言 延迟焦化工艺由于具有设备投资及操作费用低、对原料要求不高的特点，一直是我国重油轻质化的主要手段，
2、我国现有延迟焦化装置 2 9套 ,总能力超过20.65 Mt/ a，占世界第二位。提高液体收率是提高延迟焦化工艺比较经济效益的最有效手段。按中石化2001年延迟焦化实际加工量（12.36Mt）计，即使将焦炭产率降低1个百分点，即可增加 12.36万吨轻质油品/年，比较经济效益将在1亿元/年以上。 本文由中石化17套延迟焦化装置焦炭产率、焦炭挥发分及焦化原料康氏残炭等4年生产统计数据，通过引入焦炭产率系数、生焦反应焦化炉给热及生焦反应给热比概念，借助于管内外过程模拟技术及7套现场操作实测数据，对工业装置焦炭产率的差异进行了理论分析，提出在确保焦化炉管不发生严重结焦的条件下，操作上同时优化焦化炉注
3、气及炉出口温度以提高焦化炉生焦反应给热量，进而达到提高延迟焦化工艺液收的目的。并给出了特例炉在典型处理量条件下的焦化炉注气及炉出口温度具体设定值。2. 现场操作数据统计及分析 图-1 为中石化系统17套延迟焦化装置焦炭产率统计结果1 ，焦炭产率最低为16.47%，最高达31.19% ，基于处理能力的加权平均值为25.33%。一般认为，焦炭产率与渣油残炭有线性关系，定义 ： （1）中石化系统17套延迟焦化装置焦炭产率系数计算结果参见图-2 ，最大值为2.6，最小值为0.67，平均值为1.76，高于国外1.21.4的先进水平2且不同装置不同年份焦炭产率系数变化较大。 图-3为不同装置石油焦挥发份数
4、据，最大值为15.8%，最小值为5.2%，平均值为9.56%，图-4为不同装置炉出口温度设定值，图-5为不同装置注气比（注汽量与减压渣油量之比）设定值，影响焦炭产率的因素可归为物性、结构及操作条件三类，不同装置的焦炭产率差异是否与现场操作的控制差异所引起？ 3. 生焦反应焦化炉给热与生焦反应给热比概念重油分子在高温下会自发地产生自由基，自由基再以不同的方式参与反应：一方面发生裂化（吸热）反应，大分子裂化成小分子；另一方面原料分子缩合（放热）成更大的大分子，从热效应的角度，热转化反应是个吸热过程。图6是将反应时间设置在1小时，不同反应温度下特例重油热转化反应主要产品收率的实验数据，表明将焦炭塔内
5、泡沫层温度控制在460上下是必要的，有资料表明2焦化温度每升高5.6，瓦斯油收率可增加1.1%。炉出口温度与焦炭塔内生焦反应吸热量共同决定了焦炭塔内泡沫层温度：炉出口温度越高，焦炭塔内生焦反应吸热量越小，焦炭塔内泡沫层温度越高。为了进一步降低焦炭产率, 仅以控制炉出口温度作为提高焦炭塔内泡沫层温度的手段是不够的, 本文通过生焦反应焦化炉给热概念，提出适当提高焦化炉炉出口热转化深度（炉出口由热裂解反应所产生的裂解气及小于510的馏份量与辐射进料量之比），降低焦炭塔内生焦反应吸热量的操作方案。焦炭塔内重油热化反应所需要的热量全部来自于焦化炉。每kg辐射进料在焦化炉管中的吸热量Q可用下式表示： (2
6、)Hi、Ho分别为辐射进料在进出口处的焓值，kJ/kg；实验表明,重油热化反应温度超过400即有明显的裂化反应产生，反应温度超过430以后反应十分剧烈，鉴于各个生产企业辐射进料的温度不同，为了便于比较，定义单位质量焦化进料从430升至设定炉出口温度所需要的热量为生焦反应焦化炉给热，用QCoking表示: （3）式中QT,QE,QR分别为管内介质升温、汽化及反应所用热量，kJ/kg ；H430为管内介质温度为430截面上的焓值，kJ/kg 。进一步定义： （4）为生焦反应给热比，以比较不同工况焦化炉提供给焦炭塔内生焦反应的热量，式中，QCoking,Q0Coking分别为任意工况及基准工况生焦反
7、应焦化炉给热。显然，生焦反应焦化炉给热反映了焦化炉提供给焦化原料生焦反应热量的大小，生焦反应给热比越大，焦炭塔内生焦反应所导致的温降就越低，石油焦产率或石油焦中的挥发分将越低。 生焦反应焦化炉给热与炉出口温度及气化率有关，由于重油热裂化是一个吸热反应，生焦反应焦化炉给热还与炉出口热转化深度有关，必须通过管内流动及反应过程模拟，得到介质的升温曲线及停留时间才能得到炉出口热转化深度，下文通过几个典型焦化炉的现场物性、结构及操作实测数据，利用过程模拟技术3，考察生焦反应焦化炉给热对装置焦炭产率的影响。4. 典型算例及分析 几个典型在役单面辐射焦化炉操作工况下炉出口温度、注气条件实测数据统计结果参见表
8、-1，焦化炉生焦反应给热、生焦反应给热及描述炉管结焦的介质在管内的停留时间、炉出口热转化率及气化率、炉管表面平均热强度等工艺参数也一并列入表-1。 采用同种原料的炉DMCL和炉SMCL生焦反应给热比及焦炭产率系数 参见表-1，表明焦炭产率系数与生焦反应焦化炉给热有关。几个典型算例由现场操作实测统计数据计算得到的生焦反应焦化炉给热与装置焦炭产率系数统计结果参见图-7，说明提高生焦反应焦化炉给热有利于降低装置焦炭产率系数。 确保燃料量不变，将炉SMCL现场操作设定注汽量降低1半，介质在管内的总停留时间为49.25s，其中430以上耗时26.69s、炉出口热转化率6.359%(m%)，关键工艺参数仍
9、在合理范围之内3，此时介质出口温度仅需要495.6，提供给焦炭塔焦化反应的热量与炉出口温度设定为500时相同，现场操作结果也说明同时控制注气比和出口温度对降低焦炭产率有利。 参见表-2，炉DMSJZ 炉出口温度为496，现场操作中注气比为1.66%，介质430耗时为28.08s，生焦反应焦化炉给热量为341.87 kJ.kg-1，为了提高生焦反应焦化炉给热量，维持原操作注气比不变，将特例炉DMSJZ炉出口温度提高至焦化炉出口温度经验值上限（505），生焦反应焦化炉给热比可升高至1.221,此时从介质在430以上耗时、炉出口热转化率、平均热强度等影响炉管结焦关键工艺参数计算结果看，仍能维持正常操
10、作。采用同时改变注气比和炉出口温度的优化操作方案，将特例炉注气比降至0.5%，炉出口温度降低5，设定到一般控制温度（500），此时生焦反应焦化炉给热比可升高至1.30，高于仅调整炉出口温度的操作方案，需要说明的是此时介质炉出口热转化率偏高，由于炉管长度较短，生焦反应焦化炉给热仍低于典型算例中的最好水平。5. 结论 低注气比操作有利于提高生焦反应焦化炉给热，采用同时调整注气比和炉出口温度优化操作方案优于仅调整炉出口温度的方案。6. 建议1按常规经验操作，炉DMSJZ生焦反应焦化炉给热较低，可以通过优化现场操作进一步提高液体收率。2采用同时调整注气比和炉出口温度优化操作方案时，应注意炉出口热转化率
11、及炉管表面平均热强度的变化，以确保焦化炉管不发生严重结焦为前提。为确保操作成功，应对原料结焦倾向进行详细评价，判断每一个模拟工况是否会导致炉管严重结焦，并随时监控炉管结焦现状预测结焦趋势。3鉴于焦化炉是整个装置的核心设备，建议在两炉4塔装置上首先对一炉实施优化操作方案，并对工业装置监测数据进行实时详细分析。主要参考文献：1 中石化总公司炼油事业部：生产装置汇编（内部资料）2 延迟焦化装置技术标定程序，北京，中国石化出版社，19913 xiao Jiazhi etc,PROCESS SIMULATION FOR A TUBULAR COKING HEATER PETROLEUM SCIENCE
12、AND TECHNOLOGY18 (3&4),319-333(2000) 图-6 不同温度下重油反应1小时后主要产品分布 表-1 典型焦化炉操作工况分析炉 型单 面 辐 射双面辐射代 号DMCLDMSJZDMZHDMAQDMCZSMJSSMCLSMCL单程辐射炉管长/m600504600660630426.8426.8426.8430介质行程/m390.00300.00382.50367.50318.75333.43297.5297.5炉出口温度/505496496.2492.9495.5498.87500495.6单程辐射量/ t.h-137.3339.7443.2039.0042.9930
13、.1936.636.6炉管表面平均热强度/kW.m-230.8131.7328.3724.9429.8222.54133.92933.929管内介质停留时间/s71.2966.1977.3990.7374.0234.8136.3549.25430介质行程耗时/s34.0528.0836.4135.7227.821.9219.7426.69介质炉出口汽化分率/m%34.3629.0629.9027.7746.6843.02428.29327.25炉出口热转化率/ m%12.4085.7939.2278.1206.0165.1685.3956.359注气条件点数11111333单程流量/t.h-1
14、0.80.5290.60.550.8450.580.70.35注气/减渣,%2.441.661.881.532.381.930.964注气/辐射进料,%2.141.331.391.411.971.921.690.846生焦反应焦化炉给热/kJ.kg-1458.49341.87358.60337.41317.46355.89309.41309.41生焦反应给热比1.3411.0001.0490.9870.9291.0410.9050.905焦炭产率系数11.3991.651.5911.6351.4931.51.651.65表-2 炉DMSJZ同时改变炉出口温度及注气比后的关键工艺参数工况原操作操
15、作注气比不变注气比1%注气比0.5%炉出口温度500炉出口温度505燃料量不变炉出口温度500炉出口温度500注气条件单程流量/kg.h-1529529529317.94317.94159注气/减渣,%1.661.661.66110.5注气/辐射进料,%1.331.331.330.80.80.4炉出口温度/496500505493.7500500燃料量/ Nm3/h203821762370203822732396430介质行程/m300309.00324.00309.00327.00342.00炉管表面平均热强度/kW.m-231.72533.38735.66431.70334.54835.997管内介质停留时间/s66.1966.2166.2682.0382.05107.75430介质行程耗时/s28.0829.2231.2836.3139.2254.15介质炉出口汽化分率/m%29.06130.01331.527.86329.8728.949炉出口热转化率/ m%5.7936.9618.7417.1079.31712.155生焦反应焦化炉给热/kJ.kg-1341.87370.54417.41353.87408.09444.71生焦反应给热比11.0841.2211.0351.1941.30
