焦炭塔中间孔道模型放热模式考察

王兰娟，张文钟，肖家治

（1.中国石油大学重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580；2.胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司）

焦炭塔是延迟焦化装置的核心设备，也是炼油厂所有压力容器中使用环境最差的设备之一。关于焦炭塔内的焦层结构，波霍金柯［1］对侧向和轴向进料方式下焦炭在焦炭塔内的形成及物料流动情况进行了研究；美国Great Lakes Carbon公司通过对针状焦样品和由焦炭塔底部切下的焦炭块的研究，提出“焦炭塔里树样结构”的孔道分枝理论［2－4］；国内普遍认为焦炭由塔壁向中心延伸，在中心形成进料通道［5］，作者曾运用控制容积法对中间孔道焦层模型进行了数值计算［6］。本课题主要考察不同放热模式对焦层放热速率及冷焦水汽化量的影响，为焦化装置大型化和缩短生焦周期提供技术支撑。

1 中间孔道焦层模型结构

根据国内外文献对生焦机理的解释及现场调研分析，焦炭塔内的焦层结构如图1所示，可概括为：①塔内存在中间孔道和分支孔道，中间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间孔道上升过程中，少量水和蒸汽也会进入分支孔道。③焦层内的焦炭为多孔熔融状物质，孔内存在残余油气。

中间孔道焦层模型结构见图2，焦层中间孔道直径d参考现场经验值。当焦炭塔直径为5.6m时，d为300～400mm；当塔径为9.4m时，d为500～600mm。本课题忽略冷焦水在焦层微孔内部的汽化，并假定给水冷焦之前残余油气已被蒸汽全部带走。

图1 焦层基本结构

图2 中间孔道焦层模型结构

2 中间孔道焦层模型的求解

2.1 网格划分

网格的划分有很多种，本课题采用均匀网格。网格大小和时间步长的选择对计算结果的影响较大。从结果精度和计算时间两方面综合考虑，确定了含焦焦炭塔温度场计算程序合理的网格参数，即径向划分188个网格，轴向划分50个网格，时间步长1min。

2.2 初始条件

考虑到焦层内侧受到吹汽阶段过热蒸汽3h的冲刷，取内侧轴向初始温度等于吹汽阶段过热蒸汽温度。

考虑到焦层外侧紧贴焦炭塔壁且导热良好，取外侧初始温度与吹汽过程结束时塔壁温度相等且轴向线性分布。

初始时刻焦层径向温度场采用稳态导热分布。

2.3 焦层物性参数

焦层物性参数主要包括焦炭的导热系数λ、比热容cp及密度ρ。这3个参数均没有相关的实验数据，也没有文献报道，只能参考烟煤炼焦得到的焦炭物性［7－8］，即导热系数取1.33W／（m·℃），比热容取1.136×103J／（kg·℃），密度取850kg／m3。

2.4 结构及操作参数

某炼油厂焦炭塔结构参数见表1，焦炭塔安装下、中、上3个塔壁热电偶，给水冷焦过程中塔壁降温曲线见图3。本课题重点研究CE段，包括小给水全过程和大给水过程，共2h。CE段下部和中部热电偶降温迅速，源于冷焦水温度低、并伴有汽化过程；冷焦水先与下部热电偶区域接触，换热后再与中部热电偶区域接触，因此下部热电偶温度低于中部热电偶温度；CE段上部热电偶降温不明显，源于该位置主要与汽化蒸汽换热，传热效果差。

表1 某炼油厂焦炭塔结构参数 m

放空操作时，自焦炭塔顶部放空的蒸汽和油气进放空塔，与顶循环油接触冷却，大部分油气和少量蒸汽冷却至塔底，待液面到一定高度时甩油出装置；少量油气和大部分蒸汽从塔顶出来，经空冷器、水冷器冷却到油水分离器分层，上层为污油，下层为含硫污水。根据该炼油厂液位控制的污水流量DCS图，现场采集了5个典型周期放空系统污水流量。结果表明，污水流量最大点主要集中在小给水阶段初期0～0.5h，给水阶段冷凝水流量范围4～15t／h，最大流量范围7～15t／h。

图3 降温阶段时间分配示意

焦炭塔放空过程中小给水、大给水阶段的冷焦水汽化量及对应的现场操作给水量对比见表2。由表2可见：小给水阶段冷焦水汽化量是5～15t／h，小于现场给水量（20～60t／h）；大给水阶段冷焦水汽化量是4～15t／h，明显小于现场给水量（200～300t／h），说明冷焦水整个过程并没有完全汽化。即使在焦层温度较高的给水初期也没有完全汽化，这为后面给水冷焦过程的模型结果分析提供了参考数据。在大给水时间3～5h或塔顶溢流水出口温度达到100℃以下时，停泵进入泡焦阶段。在除焦前1.5h打开塔顶挥发线上的呼吸阀向沉降池放水。

表2 放空过程现场给水量与汽化蒸汽量对比

2.5 边界条件

边界条件说明热体边界上导热过程的特点，反映与周围环境相互作用的条件。常见的边界条件分为3类［9］：①第一类边界条件：规定边界上的温度值。②第二类边界条件：规定边界上的热流密度值。③第3类边界条件：规定边界上物体与周围流体间的表面传热系数k和周围流体的温度tf。

不同的放热模式对应不同的边界条件，本课题考察了中间孔道焦层模型的3种放热模式：壁温给定模式、绝热模式和沸腾给热模式。

2.5.1 壁温给定模式的边界条件 ①内边界取第一类边界条件，等于与塔顶压力对应的冷焦水汽化温度；②上边界取第一类边界条件，等于与塔顶压力对应的冷焦水汽化温度；③外边界取第一类边界条件，等于现场焦炭塔塔壁热电偶温度；④下边界取绝热边界。

2.5.2 绝热模式的边界条件 ①内边界取第一类边界条件，等于与塔顶压力对应的冷焦水汽化温度；②上边界取第一类边界条件，等于与塔顶压力对应的冷焦水汽化温度；③外边界取绝热边界；④下边界取绝热边界。

2.5.3 沸腾给热模式的边界条件 ①内边界和上边界都是取第三类边界条件，计算时对流传热系数取2500～25000W／（m2·℃）［10］，流体主体温度取塔顶压力对应的饱和水温度［11］；②外边界取第一类边界条件，等于现场塔壁热电偶温度且线性分布；③下边界取绝热边界。

3 冷焦水汽化量计算结果分析

以Visual Basic为平台，编制了中间孔道焦层模型含焦焦炭塔温度场计算程序。主要包括网格划分、初值给定、计算及输出结果四部分。运用控制容积法对中间孔道焦层模型的3种放热模式进行数值计算和分析，得到不同时刻不同部位焦层温度场，将所有小微元降温放热量叠加得到焦层整体放热速率Q整体。在相同的初始条件和物性参数下，3种放热模式下的不同时刻焦层整体放热速率计算结果见图4。同时，根据焦层降温放热量等于冷焦水吸热汽化量的事实，得到3种放热模式下的冷焦水汽化量，作为现场冷凝水流量的对比参数。不同时刻冷焦水汽化量计算结果见图5。

3种放热模式中，焦层整体放热速率存在相同的规律，即随着给水时间的增加，焦层整体放热速率呈减小趋势，且开始时减小很快，后来减小缓慢。壁温给定模式的冷焦水汽化量为1.42～12.17t／h，绝热模式为0.12～0.44t／h，沸腾给热模式为1.39～11.98t／h。与现场冷凝水实际产生量（4～15t／h）相比，绝热模式的结果则相差太大，说明中间孔道焦层模型中绝热外边界的假设不合理。壁温给定模式和沸腾给热模式的汽化量最大值出现在计算初始时刻，也就是给水开始后的10min，符合现场冷凝水产生量最大点主要集中在给水开始后的0～0.5h的规律。

图4 3种放热模式下的焦层整体放热速率

图5 3种放热模式下的冷焦水汽化量

4 结 论

假定焦炭塔成型焦层为中间孔道结构，根据焦层降温放热量等于冷焦水汽化吸热量，对中间孔道焦层模型的壁温给定、绝热和沸腾给热3种放热模式进行数值计算和分析的结果表明：由壁温给定模式和沸腾给热模式计算所得冷焦水汽化速率接近现场实际值；绝热模式的计算结果与现场实际值存在较大的偏差。

［1］波霍金柯H T.石油焦生产［M］.李成林，译.北京：中国石化出版社，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.焦炭塔工艺设计应考虑的几个问题［C］／／中国石化延迟焦化技术交流暨第二届焦化年会报告论文集.北京：中国石化股份有限公司焦化情报站《炼油技术与工程》编辑部，2006：261－263

［6］王兰娟，张文钟，肖家治.焦炭塔给水冷焦过程的研究［C］／／第二届中国能源科学家论坛论文集.徐州：中国能源协会，2010：1306－1310

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

［8］张欣欣，司俊龙，王荻楠.焦炭局部换热系数与导热反问题的研究［J］.燃料与化工，2004，35（6）：9－10

［9］陶文铨.数值传热学［M］.2版.西安：西安交通大学出版社，2001：90－99

［10］杨世铭.传热学［M］.2版.北京：高等教育出版社，1987：6－7

［11］陈孙艺.焦炭塔防变形设计的数值分析方法及应用［J］.石油机械，2003，31（10）：30－31