專利名稱：一種在線監控燒除焦碳過程的方法
技術領域：
本發明涉及一種在線監測和控制的方法。
背景技術：
在烴類熱裂解生產乙烯、丙烯等烯烴的過程中，不可避免地會在裂解爐管及其急冷鍋爐等工藝部位形成焦碳，焦碳沉積在裂解爐管內壁及急冷鍋爐換熱管內壁上，不僅阻礙了裂解爐管及急冷鍋爐中物流的熱傳遞，使爐管壓力降增加，而且會堵塞管道，影響裂解爐的正常操作，因此工廠必須定期對裂解爐及急冷鍋爐等配套設備進行除碳處理。以燃燒方式除碳稱為“燒焦”，燒焦過程控制得好壞，直接影響到裂解爐的使用效率及工廠的整體經濟效益。
目前，國內乙烯廠大都使用國外知名廠商市售的清焦軟件包，如《BASF法》等，進行乙烯裂解爐管與急冷鍋爐的清焦。這種燒焦技術使清焦過程能夠在線(即設備不需解體)完成。在燒焦程序的控制下，分階段自動調整燒焦條件，在預定的時間內使焦碳清除干凈。市售軟件有一定的使用彈性，但是由于我國裂解原料市場的多樣性及供給的不穩定性，裂解爐管和急冷鍋爐的結焦狀況呈多樣化，使得采用同一牌號的燒焦軟件控制燒焦操作時有些不適宜，如不必要的時間拖長、耗費能源及材料，使爐管的熱負擔加重而縮短使用壽命；而結焦狀況較惡劣的裂解爐管和急冷鍋爐所結的焦碳因燒焦條件不充分得不到徹底清除，從而累及到新一輪的生產周期運行中。
目前，生產廠家通過間斷檢測和分析燒焦尾氣中CO、CO2濃度來判斷燒焦進行程度，當CO、CO2濃度低于自定的指標時，結束燒焦操作。現有的常規燒焦檢測分析，是在流程的遠端、冷卻后的集合管出口處，采集燒焦尾氣，用氣相色譜儀分析尾氣中的CO、CO2含量。常規的色譜儀對個樣的分析時間至少20～30分鐘/樣，信息反饋需1小時以上，無法及時、準確掌握裂解爐內的燒焦動態。因此，尋找一種能在線化地檢測燒焦過程的方法、從而實現實時監測在線燒焦過程，及時、準確地掌握燒焦動態，并通過聯機反饋監測信息到主控端對燒焦進程進行合理調控具有重要意義。
《第8屆乙烯生產商年會》(1996年，P467～P473)中報道了一種利用聲學發射信號監測裂解爐燒焦過程的方法，不僅所用儀器復雜，不易在現場安裝和操作，而且無法直接獲得裂解爐管內的結焦狀況，目前難以推廣使用。
《研究披露》(2000年5月433期，P803～P804)中介紹了一種利用分光計及氣相色譜儀監測裂解爐燒焦過程的方法，所用儀器多、不易攜帶，在線化使用困難，因此難以快速推廣使用。
目前國內外乙烯廠對裂解爐燒焦操作，尚未見有成功進行在線監控的報導。如果不能對清焦過程進行有效的調控，實現徹底清焦，則乙烯廠裂解爐的效率就得不到最佳發揮，從而影響整個乙烯廠的綜合效益。
因此，需要提供一種切實可行的在線監測、調控燒焦過程的方法，通過監測數據對燒焦過程進行自動調控，避免燒焦操作的盲目性，實現燒焦操作的最優化。
發明內容
本發明的目的是提供一種非常有效的對燒焦過程進行在線監測調控的方法，尤其是對裂解爐燒焦，具體地說，對裂解爐各組管和各急冷鍋爐系統燒焦進行監測調控的方法。
本發明的在線監測調控燒焦過程的方法包括在裂解爐和/或急冷鍋爐出口管的出口處開有一內徑為10～15mm的物流導出孔，從該孔接入導出管，燒焦尾氣由導出管引入冷卻器、氣體流量計和在線監測設備，其中所述的在線監測設備包括氣體凈化設備、紅外分析儀和數據處理器。
優選從急冷鍋爐導出的燒焦尾氣經導出管進入冷卻器，然后分兩路，一路進入氣體流量計，另一路通過氣體凈化設備進入紅外分析儀；由紅外分析儀排出的氣體經氣體流量計排空。
其中所述的導出孔位于急冷鍋爐出口管450～600℃處時，可監測、調控裂解爐管和急冷鍋爐兩部分的燒焦過程；位于裂解爐出口管700～800℃處時，只監測、調控裂解爐管的燒焦過程。
所述的導出孔開在每組爐管的出口或每組急冷鍋爐的出口，使用本發明的方法，可以同時獲取不同組爐管和不同急冷鍋爐的燒焦動態。
由于裂解爐管和急冷鍋爐出口管溫度較高，從此處直接采樣，在技術上存在一定的困難。因此，應注意使與導出孔相連的內徑為10～15mm的采氣管與爐管及急冷鍋爐出口管主管線物料方向水平交叉，應避免采氣管的垂直向上的走向。另外，采氣管的引出處配有向爐管內反吹的蒸汽管線，用以保護此采氣管的長期通暢和采氣管口的清理。采氣管通過流量調節閥與冷卻器相連，采氣管與冷卻器的接口連有法蘭，采氣管與法蘭之間應為直管段。用于監控不同組爐管和/或不同急冷鍋爐的燒焦動態時，與每組爐管的采氣管相連的冷卻器可選用列管式蒸汽-水冷卻器，與每組急冷鍋爐的采氣管相連的冷卻器可選用盤管式水冷卻器。
所述的由導出管導出的燒焦尾氣經流量調節閥引入冷卻器，冷卻至溫度低于35℃后分兩路，一路進入氣體流量計，氣體流速為10～50L/min，優選為10～30L/min；另一路通過氣體凈化設備進入紅外分析儀，氣體流速為1.0～2.0L/min，優選為1.5～2.0L/min。
所述的氣體流量計、紅外分析儀和數據處理器均帶有與電子控制系統銜接的標準數字信號輸出接口。
其中所述的氣體流量計用來計量采出所測燒焦尾氣的體積流量。所用的流量計可以是多種型號的干式、濕式并帶有標準信號輸出接口的氣體流量計，優選為濕式流量計。
其中所述的紅外分析儀是將市售的通用型單組分氣體檢測儀，經改造成為具有CO、CO2專用通道、雙檢測室的紅外分析儀。
其中所述的數據處理器可以使用計算機或記錄儀，也可以同時使用計算機和記錄儀。本發明所用的計算機可以是常規的臺式電腦，也可以是筆記本電腦；所用的記錄儀可以是一臺多通道記錄儀，記錄密度可設置成1次/秒，用來記錄燒焦過程中的氣體流量、溫度、壓力、CO及CO2濃度，并通過程序計算軟件得到燒除的焦量，可直接輸出焦碳燒除過程的各參數如CO、CO2濃度等連續的記錄曲線。
所述的數據處理器與紅外分析儀和氣體流量計相連，記錄各項瞬時測量結果，并將記錄數據按擬定的程序計算出瞬時狀況下的焦碳燒除結果，通過與控制燒焦程序的主控機聯網，可以以人機對話或監測結果與控制程序自動調節的方式，調節燒焦控制條件如溫度、空氣量、蒸汽量等，改變瞬時狀態的燒焦發展趨勢。手控或自動調節程序使燒焦操作控制在下述范圍是安全而經濟的。
1)當CO≥4％(體積％)、CO2≤3％(體積％)時，燒焦蒸汽量不變，空氣量可增加設定量的5％～10％(wt％)，同時將燒焦溫度降低5℃；2)當CO+CO2≤2％(體積％)時，燒焦空氣量可增加設定量的5％(wt％)，同時蒸汽量減少5％(wt％)；3)當CO+CO2≤1％(體積％)時，燒焦空氣量可增加設定量的10％～15％(wt％)，蒸汽量減少15％(wt％)，同時將燒焦溫度提高10℃。
裂解爐的結焦量通過檢測到的CO、CO2濃度、燒焦尾氣總量及相關溫度、壓力參數計算得到。
其中所述的氣體凈化系統包括過濾器、干燥器和脫硫器。所用的過濾器為直管填充式，內充分子篩或陶瓷纖維；干燥器為列管式，裝填用CO2飽和過的無水氯化鈣作為干燥劑；脫硫器為直管填充床，可用常規的脫硫劑如MgO、ZnO制粒。
本發明的方法中所述的在線監控系統帶有公共接口，可以根據任一個燒焦裝置的整體或局部的需要及時對接。由于本發明的方法所用設備、儀器均為小型便攜式，因此，可根據所需的不同場合即刻組裝投入使用。
本發明的在線監控燒焦過程的方法可應用于以下所述的幾種反應器如1)任何需要以空氣、蒸汽燒焦形式清除反應器內所結焦碳的烴類裂解、裂化裝置；2)烴類任何類型(單管和分支管)的管式裂解反應器；3)各種規模的烴類裂解實驗裝置；4)各種加熱后產生焦碳需清焦的反應器。
本發明的方法不僅能監測和調節裂解爐整體的燒焦步驟，也可調節同臺爐內不同組管和急冷鍋爐的分組燒焦動態，既可以保證結焦嚴重的部位避免發生過度氧化而燒穿管材，又能減少結焦較輕部位的能源消耗，使整體爐管所結焦碳既清除得徹底又省時，降能耗，省材料，提高管材設備的壽命。
采用本發明所提供的方法，連續工作時間不少于72小時，完全能夠滿足較長燒焦程序的需要，保證燒焦過程的在線實時監測。根據在線監測結果，可及時調節燒焦程序步驟及燒焦控制條件，達到控制燒焦進程的目的，避免燒焦操作的盲目性。
本發明的方法具有以下的有益效果1、本方法所用設備、儀器均為便攜式，安裝簡單，易于自動化操作；2、使用本方法比常規的非在線個樣檢測更能及時、直觀地觀察到燒焦進展；3、使用本方法可掌握結焦設備內的結焦狀況，可以科學地指導生產；4、使用本方法可以細化、觀察并掌握不同組裂解爐管和不同組急冷鍋爐的燒焦動態，以此調控燒焦過程，使乙烯廠裂解裝置的燒焦程序細化為單組管、單組急冷鍋爐的單體部位控制，優化總體燒焦效果，提高裂解裝置的開工效率；5、使用本方法可最大限度降低燃料、燒焦蒸汽及空氣的用量，有利于生產成本的進一步降低。
圖1 本發明的方法的流程示意圖。
圖2 SRT-IV型工業裂解爐石腦油結焦燒焦曲線。
圖3 SRT-IV型工業裂解爐輕柴油結焦燒焦曲線。
圖4 SL-1型工業裂解爐燒焦曲線。
具體實施例方式
以下的實施例具體說明采用本發明的方法對裂解爐的燒焦過程進行在線監控的有益效果。
以下實施例采用本發明的方法對燒焦過程進行在線監控。
實施例1～實施例3所使用的儀器、設備如下紅外分析儀為MODEL 9000型兩臺(線性度≤±2％F.S)；記錄儀為EN880無紙記錄儀(8通道、誤差±0.15％)；氣體流量計為BSD 2型濕式氣體流量計(公稱流量2m3/h、誤差±1.5％)；數據處理器為COMPAQ筆記本電腦(奔騰II處理器)。
實施例1裂解原料為石腦油B，餾程45～180℃，比重D15.60.7044g/ml，硫含量136PPM。裝置為6萬噸/年乙烯SRT-IV型工業裂解爐，有A、B、C三大組排管并聯有三個急冷鍋爐，裂解爐管的入口溫度為520℃、出口溫度為820℃，其中B大組裂解爐管中添加了一定量的防焦劑，運行45天后進入程序燒焦階段，使用BASF法控制燒焦過程，進行在線燒焦，全程序需要72小時，其中爐管部分占42.5小時。采用本發明的方法，在與裂解爐相連的每組急冷鍋爐出口管上開一內徑為12mm的導出孔，采氣管通過流量調節閥與盤管式水冷卻器相連，采氣管與冷卻器的接口連有法蘭，采氣管與法蘭之間應為直管段。通過流量調節閥調節采氣速度在20～30L/min，調節紅外儀的進氣速度為1.5～2.0L/min，并與燒焦程序同時啟動，每組爐管和急冷鍋爐的燒焦尾氣中CO、CO2濃度變化曲線顯示并記錄于計算機，獲得燒焦控制曲線LBn-ac和LBn-b(見附圖2)，同時將動態信息反饋至燒焦程序控制端，根據燒焦曲線變化趨勢，調節燒焦控制條件。從附圖2的燒焦曲線可以看出，經過18小時燒焦操作，爐管所結焦碳已基本燒盡，可提前進入急冷鍋爐的燒焦程序，節省時間20小時以上。
實施例2采用與實施例1完全相同的工業裝置(6萬噸/年乙烯SRT-IV型工業裂解爐)。
裂解原料為重質輕柴油B，餾程230～465℃，比重D15.60.8400g/ml，硫含量370PPM，爐管入口溫度490℃，出口溫度790℃，運行43天后進入燒焦階段，按照實施例1的測焦方法，獲得燒焦控制曲線LBa-ac和LBa-b(見附圖3)。結果表明，經過12.5小時燒焦操作即可進入下一段燒焦程序，節省時間約30小時。
實施例3裂解原料為加氫尾油C，餾程260～535℃，比重D15.60.8258g/ml，硫含量＜10ppm，裝置為10萬噸/年乙烯SL-1型工業裂解爐，有a、b、c、d、e、f六組急冷鍋爐，爐管的入口溫度為570℃，出口溫度800℃。運行35天后進入燒焦階段，該裝置采用《BASF》53小時燒焦程序。按照實施例1的測焦做法，在a、e兩組急冷鍋爐的出口管上開一內徑為13mm的導出孔，按本發明的方法與在線監測設備相連，用采氣調節閥調節采氣速度在20～30L/min，調節紅外儀的進氣速度為1.5～2.0L/min，并與燒焦程序同時啟動。全過程的燒焦控制曲線LCv-a和LCv-e如附圖4所示。曲線LCv-e比曲線LCv-a的數值高，峰值下降緩慢，說明該組管結焦嚴重，故采用延長e組管該階段的燒焦控制時間的措施，同時降低了a組管的供氣量，以免燒焦過激。800分鐘后e組管的燒焦狀態與a組管趨于一致，完全燒凈的總體燒焦時間比程序要求時間延長了約3小時。
實施例4～實施例9是本發明方法在模擬裂解爐上的應用實例，所使用的儀器、設備如下紅外分析儀為SQ 2000A型(線性度≤±1.5％F.S)；記錄儀為EN880無紙記錄儀(8通道、誤差±0.15％)；氣體流量計為BSD-2型濕式氣體流量計(公稱流量2m3/h、誤差±1.5％)；數據處理器為DELL臺式電腦(奔騰IV處理器)。
實施例4～實施例9為不同裂解條件及不同燒焦操作條件對燒焦過程的影響，說明了燒焦過程的可控性，結果匯總于表1。
表1模擬裂解爐實施例
實施例4以石腦油A為原料，餾程45～175℃，比重D15.60.7260g/ml，硫含量170PPM，模擬SRT-III型裂解爐，裂解溫度840℃、停留時間0.37秒。采用本發明的方法在模擬裂解爐出口管上開一內徑為10mm的導出孔，當裝置運行到燒焦階段時，從導出孔接入冷卻器、氣體流量計和在線監測裝置，通入O2濃度為0.5％～1.0％的燒焦氣，控制燒焦溫度為800℃，用采氣調節閥調節采氣速度在10L/min，調節紅外儀的進氣速度為1.5L/min，記錄終端與裂解試驗程序控制機連接。燒焦結束后，由計算機輸出該裂解試驗的結焦速率及安全燒焦控制曲線，CO、CO2濃度在1.6％以下，所需燒焦時間為3.5小時。
實施例5與實施例4相同的試驗裝置及試驗原料，改變燒焦溫度為820℃，其他操作條件不變，在線燒焦所需時間為3.0小時。
實施例6與實施例4相同的試驗裝置、試驗原料和相同的操作條件，調節燒焦供氧量為實施例4的110％，使燒焦尾氣CO、CO2濃度上限為2.0％，所需在線燒焦時間為2.5小時。
實施例7與實施例4相同的試驗裝置，改變裂解原料為輕柴油A，其餾程為209～370℃，比重D15.60.8138g/ml，硫含量330PPM，裂解溫度為800℃、停留時間為0.36秒。控制燒焦溫度為810℃，按照實施例4的方法，獲得結焦速率和結焦控制曲線。燒焦尾氣中CO、CO2濃度在5.0％以下，所需燒焦時間為1.75小時。
實施例8與實施例7相同的試驗裝置及試驗原料，改變燒焦溫度為800℃，其他操作條件不變，在線燒焦所需時間為2.0小時。
實施例9與實施例7相同的試驗裝置、裂解原料和相同的操作條件，調節燒焦供氧量為實施例7的40％，使燒焦尾氣CO、CO2濃度上限為2.5％，所需在線燒焦時間為3.0小時。
權利要求
1.一種在線監控燒除焦碳過程的方法，其特征在于，該方法包括在裂解爐和/或急冷鍋爐出口管的出口處開有一內徑為10～15mm的物流導出孔，從該孔接入導出管，燒焦尾氣由導出管引入冷卻器、氣體流量計和在線監測設備，其中所述的在線監測設備包括氣體凈化設備、紅外分析儀和數據處理器。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，燒焦尾氣經流量調節閥引入冷卻器，冷卻至溫度低于35℃后，分兩路分別進入氣體流量計和在線監測設備，其中進入氣體流量計的氣體流速為10～50L/min，進入紅外分析儀的氣體流速為1.0～2.0L/min。
3.按照權利要求2所述的方法，其特征在于，進入氣體流量計的氣體流速為10～30L/min，進入紅外分析儀的氣體流速為1.5～2.0L/min。
4.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的氣體凈化設備由過濾器、干燥器和脫硫器組成。
5.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的數據處理器可選自計算機和/或記錄儀。
6.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述的氣體流量計、紅外分析儀和數據處理器均帶有與電子控制系統銜接的信號輸出接口。
7.按照權利要求6所述的方法，其特征在于，所述的紅外分析儀和氣體流量計分別與數據處理器相連。
全文摘要
本發明提供了一種在線監控燒焦過程的方法。該方法包括在裂解爐和/或急冷鍋爐出口管的出口處開有一內徑為10～15mm的物流導出孔，從該孔接入導出管，燒焦尾氣由導出管引入冷卻器、氣體流量計和在線監測設備，其中所述的在線監測設備包括氣體凈化設備、紅外分析儀和數據處理器。該方法簡單易行、便于操作，可以滿足不同乙烯工廠的需要。通過在線監測獲得的信息，不僅可掌握裂解爐管及急冷鍋爐內的結焦狀況，而且可降低燒焦氣用量，為乙烯廠節能降耗創造條件，實現燒焦操作的最優化。
文檔編號C10G9/00GK1580192SQ0314986
公開日2005年2月16日 申請日期2003年7月30日 優先權日2003年7月30日
發明者付曉陽, 茅文星, 王紅霞, 王國清, 司宇辰, 王永春 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司北京化工研究院