王蘭娟，張文鐘，肖家治

（1.中國石油大學重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580；2.勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司）

焦炭塔是延遲焦化裝置的核心設備，也是煉油廠所有壓力容器中使用環(huán)境最差的設備之一。關于焦炭塔內的焦層結構，波霍金柯［1］對側向和軸向進料方式下焦炭在焦炭塔內的形成及物料流動情況進行了研究；美國Great Lakes Carbon公司通過對針狀焦樣品和由焦炭塔底部切下的焦炭塊的研究，提出“焦炭塔里樹樣結構”的孔道分枝理論［2－4］；國內普遍認為焦炭由塔壁向中心延伸，在中心形成進料通道［5］，作者曾運用控制容積法對中間孔道焦層模型進行了數(shù)值計算［6］。本課題主要考察不同放熱模式對焦層放熱速率及冷焦水汽化量的影響，為焦化裝置大型化和縮短生焦周期提供技術支撐。

1 中間孔道焦層模型結構

根據(jù)國內外文獻對生焦機理的解釋及現(xiàn)場調研分析，焦炭塔內的焦層結構如圖1所示，可概括為：①塔內存在中間孔道和分支孔道，中間孔道是冷焦水和汽化蒸汽上升的主要通道。②冷焦水和汽化蒸汽沿中間孔道上升過程中，少量水和蒸汽也會進入分支孔道。③焦層內的焦炭為多孔熔融狀物質，孔內存在殘余油氣。

中間孔道焦層模型結構見圖2，焦層中間孔道直徑d參考現(xiàn)場經(jīng)驗值。當焦炭塔直徑為5.6m時，d為300～400mm；當塔徑為9.4m時，d為500～600mm。本課題忽略冷焦水在焦層微孔內部的汽化，并假定給水冷焦之前殘余油氣已被蒸汽全部帶走。

圖1 焦層基本結構

圖2 中間孔道焦層模型結構

2 中間孔道焦層模型的求解

2.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分有很多種，本課題采用均勻網(wǎng)格。網(wǎng)格大小和時間步長的選擇對計算結果的影響較大。從結果精度和計算時間兩方面綜合考慮，確定了含焦焦炭塔溫度場計算程序合理的網(wǎng)格參數(shù)，即徑向劃分188個網(wǎng)格，軸向劃分50個網(wǎng)格，時間步長1min。

2.2 初始條件

考慮到焦層內側受到吹汽階段過熱蒸汽3h的沖刷，取內側軸向初始溫度等于吹汽階段過熱蒸汽溫度。

考慮到焦層外側緊貼焦炭塔壁且導熱良好，取外側初始溫度與吹汽過程結束時塔壁溫度相等且軸向線性分布。

初始時刻焦層徑向溫度場采用穩(wěn)態(tài)導熱分布。

2.3 焦層物性參數(shù)

焦層物性參數(shù)主要包括焦炭的導熱系數(shù)λ、比熱容cp及密度ρ。這3個參數(shù)均沒有相關的實驗數(shù)據(jù)，也沒有文獻報道，只能參考煙煤煉焦得到的焦炭物性［7－8］，即導熱系數(shù)取1.33W／（m·℃），比熱容取1.136×103J／（kg·℃），密度取850kg／m3。

2.4 結構及操作參數(shù)

某煉油廠焦炭塔結構參數(shù)見表1，焦炭塔安裝下、中、上3個塔壁熱電偶，給水冷焦過程中塔壁降溫曲線見圖3。本課題重點研究CE段，包括小給水全過程和大給水過程，共2h。CE段下部和中部熱電偶降溫迅速，源于冷焦水溫度低、并伴有汽化過程；冷焦水先與下部熱電偶區(qū)域接觸，換熱后再與中部熱電偶區(qū)域接觸，因此下部熱電偶溫度低于中部熱電偶溫度；CE段上部熱電偶降溫不明顯，源于該位置主要與汽化蒸汽換熱，傳熱效果差。

表1 某煉油廠焦炭塔結構參數(shù) m

放空操作時，自焦炭塔頂部放空的蒸汽和油氣進放空塔，與頂循環(huán)油接觸冷卻，大部分油氣和少量蒸汽冷卻至塔底，待液面到一定高度時甩油出裝置；少量油氣和大部分蒸汽從塔頂出來，經(jīng)空冷器、水冷器冷卻到油水分離器分層，上層為污油，下層為含硫污水。根據(jù)該煉油廠液位控制的污水流量DCS圖，現(xiàn)場采集了5個典型周期放空系統(tǒng)污水流量。結果表明，污水流量最大點主要集中在小給水階段初期0～0.5h，給水階段冷凝水流量范圍4～15t／h，最大流量范圍7～15t／h。

圖3 降溫階段時間分配示意

焦炭塔放空過程中小給水、大給水階段的冷焦水汽化量及對應的現(xiàn)場操作給水量對比見表2。由表2可見：小給水階段冷焦水汽化量是5～15t／h，小于現(xiàn)場給水量（20～60t／h）；大給水階段冷焦水汽化量是4～15t／h，明顯小于現(xiàn)場給水量（200～300t／h），說明冷焦水整個過程并沒有完全汽化。即使在焦層溫度較高的給水初期也沒有完全汽化，這為后面給水冷焦過程的模型結果分析提供了參考數(shù)據(jù)。在大給水時間3～5h或塔頂溢流水出口溫度達到100℃以下時，停泵進入泡焦階段。在除焦前1.5h打開塔頂揮發(fā)線上的呼吸閥向沉降池放水。

表2 放空過程現(xiàn)場給水量與汽化蒸汽量對比

2.5 邊界條件

邊界條件說明熱體邊界上導熱過程的特點，反映與周圍環(huán)境相互作用的條件。常見的邊界條件分為3類［9］：①第一類邊界條件：規(guī)定邊界上的溫度值。②第二類邊界條件：規(guī)定邊界上的熱流密度值。③第3類邊界條件：規(guī)定邊界上物體與周圍流體間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k和周圍流體的溫度tf。

不同的放熱模式對應不同的邊界條件，本課題考察了中間孔道焦層模型的3種放熱模式：壁溫給定模式、絕熱模式和沸騰給熱模式。

2.5.1 壁溫給定模式的邊界條件 ①內邊界取第一類邊界條件，等于與塔頂壓力對應的冷焦水汽化溫度；②上邊界取第一類邊界條件，等于與塔頂壓力對應的冷焦水汽化溫度；③外邊界取第一類邊界條件，等于現(xiàn)場焦炭塔塔壁熱電偶溫度；④下邊界取絕熱邊界。

2.5.2 絕熱模式的邊界條件 ①內邊界取第一類邊界條件，等于與塔頂壓力對應的冷焦水汽化溫度；②上邊界取第一類邊界條件，等于與塔頂壓力對應的冷焦水汽化溫度；③外邊界取絕熱邊界；④下邊界取絕熱邊界。

2.5.3 沸騰給熱模式的邊界條件 ①內邊界和上邊界都是取第三類邊界條件，計算時對流傳熱系數(shù)取2500～25000W／（m2·℃）［10］，流體主體溫度取塔頂壓力對應的飽和水溫度［11］；②外邊界取第一類邊界條件，等于現(xiàn)場塔壁熱電偶溫度且線性分布；③下邊界取絕熱邊界。

3 冷焦水汽化量計算結果分析

以Visual Basic為平臺，編制了中間孔道焦層模型含焦焦炭塔溫度場計算程序。主要包括網(wǎng)格劃分、初值給定、計算及輸出結果四部分。運用控制容積法對中間孔道焦層模型的3種放熱模式進行數(shù)值計算和分析，得到不同時刻不同部位焦層溫度場，將所有小微元降溫放熱量疊加得到焦層整體放熱速率Q整體。在相同的初始條件和物性參數(shù)下，3種放熱模式下的不同時刻焦層整體放熱速率計算結果見圖4。同時，根據(jù)焦層降溫放熱量等于冷焦水吸熱汽化量的事實，得到3種放熱模式下的冷焦水汽化量，作為現(xiàn)場冷凝水流量的對比參數(shù)。不同時刻冷焦水汽化量計算結果見圖5。

3種放熱模式中，焦層整體放熱速率存在相同的規(guī)律，即隨著給水時間的增加，焦層整體放熱速率呈減小趨勢，且開始時減小很快，后來減小緩慢。壁溫給定模式的冷焦水汽化量為1.42～12.17t／h，絕熱模式為0.12～0.44t／h，沸騰給熱模式為1.39～11.98t／h。與現(xiàn)場冷凝水實際產生量（4～15t／h）相比，絕熱模式的結果則相差太大，說明中間孔道焦層模型中絕熱外邊界的假設不合理。壁溫給定模式和沸騰給熱模式的汽化量最大值出現(xiàn)在計算初始時刻，也就是給水開始后的10min，符合現(xiàn)場冷凝水產生量最大點主要集中在給水開始后的0～0.5h的規(guī)律。

圖4 3種放熱模式下的焦層整體放熱速率

圖5 3種放熱模式下的冷焦水汽化量

4 結 論

假定焦炭塔成型焦層為中間孔道結構，根據(jù)焦層降溫放熱量等于冷焦水汽化吸熱量，對中間孔道焦層模型的壁溫給定、絕熱和沸騰給熱3種放熱模式進行數(shù)值計算和分析的結果表明：由壁溫給定模式和沸騰給熱模式計算所得冷焦水汽化速率接近現(xiàn)場實際值；絕熱模式的計算結果與現(xiàn)場實際值存在較大的偏差。

［1］波霍金柯H T.石油焦生產［M］.李成林，譯.北京：中國石化出版社，1992：67－79

［2］Ellis P J，Paul C A.Delayed coking fundamentals［C］.AIChE Spring National Meeting.New Orleans，1998：67－68

［3］Ellis P J，Hardin E E.How petroleum delayed coke forms in a drum［J］.Light Metals，1993：509－515

［4］Hardin E E，Ellis P J.Pilot delayed coker［J］.Light Metals，1992：609－615

［5］李出和.焦炭塔工藝設計應考慮的幾個問題［C］／／中國石化延遲焦化技術交流暨第二屆焦化年會報告論文集.北京：中國石化股份有限公司焦化情報站《煉油技術與工程》編輯部，2006：261－263

［6］王蘭娟，張文鐘，肖家治.焦炭塔給水冷焦過程的研究［C］／／第二屆中國能源科學家論壇論文集.徐州：中國能源協(xié)會，2010：1306－1310

［7］王成明.焦炭的物理性質［EB／OL］.http：／／baike.baidu.com／view／465250.htm，2009－05－03／2009－05－12

［8］張欣欣，司俊龍，王荻楠.焦炭局部換熱系數(shù)與導熱反問題的研究［J］.燃料與化工，2004，35（6）：9－10

［9］陶文銓.數(shù)值傳熱學［M］.2版.西安：西安交通大學出版社，2001：90－99

［10］楊世銘.傳熱學［M］.2版.北京：高等教育出版社，1987：6－7

［11］陳孫藝.焦炭塔防變形設計的數(shù)值分析方法及應用［J］.石油機械，2003，31（10）：30－31