高溫防結焦耐磨球閥在延遲焦化應用

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之前介紹煤化工減壓閥，現在介紹高溫防結焦耐磨球閥在延遲焦化應用為了追求更好的經濟效益，我國大型煉化裝置煉制原油的含硫、含酸比例在不斷上升。煉化裝置具有高溫、介質含有大量硬固體顆粒等復雜工況條件，傳統閥門無法適用。金屬硬密封耐磨球閥很好的解決了這一問題。我國大型煉油項目延遲焦化裝置中使用的高溫防結焦金屬硬密封耐磨球閥，主要采用進口的VELAN球閥。近年來部分進口金屬硬密封耐磨球閥已被國產閥門所取代。目前我國生產制造的金屬硬密封耐磨球閥的zui大公稱尺寸已達到DN800（NPS32），zui高公稱壓力已達到PN420（Class2500），zui高設計溫度達到600℃。在延遲焦化裝置中使用高溫防結焦耐磨球閥的必要性,高溫防結焦耐磨球閥的典型應用、技術難點和結構特點,以及防結焦耐磨球閥的高溫性能試驗。為了追求更好的經濟效益,我國大型煉化裝置煉制原油的含硫、含酸比例在不斷上升。煉化裝置具有高溫、介質含有大量硬固體顆粒等復雜工況條件,傳統閥門無法適用。金屬硬密封耐磨球閥很好的解決了這一問題。我國大型煉油項目延遲焦化裝置中使用的高溫防結焦金屬硬密封耐磨球閥,焦化一般指有機物質碳化變焦的過程。在煤的干餾中指高溫干餾。在石油加工中，焦化是渣油焦炭化的簡稱，是指重質油（如重油，減壓渣油，裂化渣油甚至土瀝青等）在500℃左右的高溫條件下進行深度的裂解和縮合反應，產生氣體、汽油、柴油、蠟油和石油焦的過程。焦化主要包括延遲焦化、釜式焦化、平爐焦化、流化焦化和靈活焦化等五種工藝過程。

1 高溫防結焦耐磨球閥在延遲焦化應用高溫防結焦耐磨球閥
焦化是使重質油品加熱裂解，聚合變成輕質油、中間餾分油和焦炭的加工過程。延遲焦化是一種石油二次加工技術，是以渣油（一般為減壓渣油）為原料、在高溫（500~550℃）下進行深度熱裂反應的一種加熱過程。減壓渣油在管式爐中加熱，采用高流速及高熱強度，使其在加熱爐中短時間內達到焦化反應所需的溫度，然后迅速進入焦炭塔，使焦化反應不在加熱爐而是延遲到焦炭塔中進行，故稱之為延遲焦化。延遲焦化裝置運行的主要矛盾為：使用的原料為重質油，重質油在高溫下容易結焦，但希望它在焦炭塔中結焦，而不希望它在加熱爐、焦炭塔餾出線和分餾塔底等處結焦。所以除了工藝采取諸如：在焦炭塔出口管線上打急冷油，在原料油進加熱爐輻射管之前注入蒸汽或軟化水等措施外，還應該防止管線上閥門的結焦。高溫防結焦耐磨球閥有效地解決了延遲焦化裝置中閥門使用過程要解決的三個突出問題：耐受500℃的高溫；防止高溫下的油氣結焦；消除焦粉對密封面的沖刷。
delayed coking 一種熱裂化工藝。其主要目的是將高殘碳的殘油轉化為輕質油。所用裝置可進行循環操作，即將重油的焦化餾出油中較重的餾分作為循環油，且在裝置中停留時間較長。延遲焦化是一種石油二次加工技術，是指以貧氫的重質油為原料，在高溫（約500℃）進行深度的熱裂化和縮合反應，生產富氣、粗汽油、柴油、蠟油和焦炭的技術。它是世界渣油深度加工的主要方法之一,處理能力占渣油處理能力的三分之一[1]  。
延遲焦化裝置

 1. 品名、型號規格、數量、價格.      

延遲焦化裝置所謂延遲是指將焦化油(原料油和循環油）經過加熱爐加熱迅速升溫至焦化反應溫度，在反應爐管內不生焦，而進入焦炭塔再進行焦化反應，故有延遲作用，稱為延遲焦化技術。一般都是一爐（加熱爐）二塔(焦化塔）或二爐四塔，加熱爐連續進料，焦化塔輪換操作，是一種半連續工藝過程。原料油（減壓渣油或其他重質油如脫油瀝青、澄清油甚至污油）經加熱到495～505℃進入焦炭塔，熱原料油在焦炭塔內進行焦化反應，生成的輕質產物從頂部出來進入分餾塔，分餾出富氣、粗汽油、柴油和重餾分油。重餾分油可以送去進一步加工（如作催化裂化、加氫裂化原料）也可以全部或部分循環回原料油系統。待焦炭陸續裝滿（留一定的空間）后，原料改進入另一焦炭塔，殘留在焦炭塔中的焦炭以水力除焦卸出。焦炭塔恢復空塔后再進熱原料。該過程焦炭的收率一般隨原料油康氏殘炭（CCR）的改變而變化，富氣產量一般10%（質量）左右（氣體產率%=7.8+0.144×CCR），其余因循環比不同而異，但柴/汽比大于1。
延遲焦化原料可以是重油、渣油、甚至是瀝青。延遲焦化產物分為氣體、汽油、柴油、蠟油和焦炭。對于國產渣油，其氣體收率為7.0～10%，粗汽油收率為8.2～16.0%，柴油收率為22.0～28.66%，蠟油收率為23.0～33.0%，焦炭收率為15.0～24.6%，外甩油為1～3.0%。焦化汽油和焦化柴油是延遲焦化的主要產品，但其質量較差。焦化汽油的辛烷值很低，一般為51～64（MON），柴油的十六烷值較高，一般為50～58。但兩種油品的烯烴含量高，硫、氮、氧等雜質含量高，安定性差，只能作半成品或中間產品，經過精制處理后，才能作為汽油和柴油的調和組分。焦化蠟油由于硫、氮化合物、膠質、殘炭等含量高，是二次加工的劣質蠟油，截至2014年通常摻煉到催化或加氫裂化作為原料。石油焦是延遲焦化過程的重要產品之一，根據質量不同可用做電極、冶金及燃料等。焦化氣體經脫硫處理后可作為制氫原料或送燃料管網做燃料使用。

1.1高溫防結焦耐磨球閥在延遲焦化裝置中的典型應用
延遲焦化典型的工藝流程有一爐兩塔、兩爐四塔等。焦炭塔是輪換使用的，即當一個塔內焦炭聚結到一定高度時，即進行切換，通過四通閥將進料切換進另一個塔。下面以一爐兩塔流程為例，介紹焦化高溫防結焦耐磨球閥在焦化裝置中的典型應用。圖1中加熱爐出口閥和一道甩油閥通常采用高溫防結焦耐磨球閥。圖2為已運至現場的高溫防結焦球閥的實物圖。圖3為高溫防結焦耐磨球閥在現場的應用。
（1）延遲焦化裝置中高溫防結焦耐磨球閥的工況條件
焦化裝置中高溫防結焦耐磨球閥的使用介質一般為含有焦粉的油品、減壓渣油和蒸汽，工作溫度在500℃左右，工作壓力為0.5MPa左右。在此工況條件下，閥門長期處于易結焦和高溫的工況條件下，就必須具備耐腐蝕、耐磨、耐沖刷、防結焦及快速切斷等功能。
（2）延遲焦化裝置中高溫防結焦耐磨球閥所用的閥門材料
經過焦化加熱爐后，介質中的環烷酸大部分會發生分解。因此，焦炭塔頂大油氣線以及焦化爐出口至焦炭塔管線的腐蝕機理主要為高溫硫腐蝕。所以在此高溫重油部位的管道材質推薦選用12Cr5Mo。閥體的材質不應低于球閥所在系統管道的材質，這就使得高溫防結焦耐磨球閥的閥體一般選為ASTMA217C12（鉻鉬鋼），球體一般選為ASTMA487Gr.CA6NM（鉻鎳鉬鋼）或其相似甚至性能更高的其他材質。延遲焦化與熱裂化相似，只是在短時間內加熱到焦化反應所需溫度，控制原料在爐管中基本上不發生裂化反應，而延緩到專設的焦炭塔中進行裂化反應，“延遲焦化”也正是因此得名。延遲焦化裝置主要由8個部分組成：
焦化部分

主要設備是加熱爐和焦炭塔。有一爐兩塔、兩爐四塔，也有與其它裝置直接聯合的。
分餾部分

主要設備是分餾塔，在延遲焦化中一般需添加消泡劑/抑焦劑/液收增加劑等化學品。
焦化氣體回收和脫硫

主要設備是吸收塔、解吸塔、穩定塔、再吸收塔等。
水力除焦部分

考慮到重殘油的碳氫比高，非常容易結焦的這一特點，將原料油快速加熱到比較高的溫度（480～500℃），使重殘油在管式加熱爐中，來不及發生反應就被送到一個中空的容器（稱焦炭塔），讓加熱的油品在其中進行裂化縮合反應，加熱和焦化不同時發生，故稱為延遲焦化。焦炭塔內裂解反應生成的415℃高溫油氣自焦炭塔頂逸出進入主分餾塔下段進料段，經過洗滌板（人字擋板）洗滌所攜帶的焦炭顆粒后，從蒸發段上升進入蠟油集油箱以上蒸餾分離，分餾出富氣、汽油、柴油和輕重蠟油餾分，而焦炭塔內縮合反應所生成焦炭留在焦炭塔內，當焦炭塔中結焦達一定程度后，就切換到另一個焦炭塔中繼續焦化成焦，原先的焦炭塔則進行清焦作業。通常一個焦化裝置中常常要用2～4個焦炭塔。清焦采用水力除焦法，先在焦層中央用鉆機打一個洞，從頂部一直打到底，然后自下而上通入壓力為12~30MPa的高壓水，利用水的沖擊力，把焦炭打下來，并由底部排出。

圖中：加熱爐出口閥的工作溫度在500℃，工作壓力為0.5MPa，持續工作時間8400h；一道甩油閥的工作溫度在500℃/450℃，工作壓力為0.6MPa/0.3MPa，若一個生產周期24h的話，一道甩油閥工作18h。
圖1 高溫防結焦耐磨球閥在延遲焦化中的典型應用
已運至現場的高溫防結焦球閥的實物圖
防結焦球閥在現場的安裝圖
1.2 延遲焦化裝置高溫防結焦耐磨球閥的介質工況特性及對閥門的要求
（1）介質中含有焦粉，容易在閥座、球體、閥軸等部位結焦、沾結，容易導致閥門卡死或密封失效。因此要求閥門對閥座、閥門中腔、閥門填料等部位進行有效防護，阻止結焦介質在閥門工作過程中進入閥內。
（2）閥座采用刮刀結構設計。刮刀式閥座具有自清潔功能，在閥門開關過程中，閥座對球面有刮刷動作，能有效減少球面污物進入密封副，保證密封可靠。
（3）閥門用于高溫工況，zui高工作溫度為500℃，由于閥門零部件的熱脹冷縮，容易導致閥門在高溫下的卡死而無法實現啟閉動作。閥門結構、尺寸設計和選材時要確保高溫工況正常工作，不發生卡死。
（4）閥門可靠性要求高，閥門的動作失效將導致整個系統的停車。
（5）閥座的密封等級要求為ANSIFCI70-2VI級。
1.3 高溫防結焦耐磨球閥的設計結構和制造特點
高溫防結焦耐磨球閥是在浮動球閥的基礎上予以結構設計的改進，以適應高溫、耐腐蝕、耐沖刷和易結焦的工況要求，提高閥門使用壽命。
高溫防結焦耐磨球閥在設計階段應采用計算機仿真技術，進行有限元分析和閥門在500℃時的溫度場分析，參照分析結果和實際經驗調整閥門結構和內件設計尺寸。
高溫防結焦球閥的結構示意圖和三維剖面圖如圖2和圖3所示，其結構特點歸納如下：

1-閥體；2-波紋管；3-閥前閥座；4-球體與閥桿；5-閥后閥座

圖2 高溫防結焦耐磨球閥

圖3 高溫防結焦耐磨球閥的三維剖面圖
（1）全通徑結構。球體通道直徑與管路直徑相同，流阻小，流通能力大，排渣方便。
（2）浮動球閥，閥后單向密封結構。進口端為高壓端，閥門在關閉狀態時，在介質壓力的作用下，球體產生一定的位移，緊壓在出口端的閥座密封面上，從而保證出口端的密封。
因閥門是單向密封結構，在現場安裝時，必須注意安裝方向正確。
（3）分體式球閥。防結焦球閥進口端的閥座為波紋管閥座，出口端為可在閥體嵌入槽中滑動的金屬閥座，閥體和閥座之間設置密封墊。
（4）波紋管的設置。因高溫防結焦耐磨球閥在高溫工況下運行時，球體、閥座等內件都會因熱膨而使尺寸增大，內件沿閥門通道軸向方向上的尺寸膨脹，是導致高溫下閥門啟閉卡死的主要原因。為防止在高溫情況下因球體等內件受熱膨脹而卡死，因此在閥前閥座背后設置波紋管，其波紋管詳圖如圖4所示。

1-波紋管；2-閥座
圖4 放大的波紋管與閥座的連接
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥波紋管通常采用Inconel625材料制作，采用電子束焊或氬弧焊與閥座和襯套相焊接。設計時應保證閥座密封中心小于波紋管中徑，這樣能使密封可靠。波紋管的彈性加載結構，能在正常關閉情況下確保球體密封面和閥座密封面間的緊密接觸，在高溫下能有效補償內件受熱膨脹，避免因高溫而導致的卡阻。

圖5 刮刀結構設計
（5）應用超音速噴涂密封面。針對焦粉沖刷工況，球體和閥座密封面采用超音速噴涂技術，通過噴涂不同的材料提高密封面硬度，以提高耐沖刷和耐磨損的使用壽命。
超音速噴涂技術提供了*噴涂工藝，而決定涂層硬度的關鍵是合理選擇涂層金屬材料。良好的涂層材料能使球體和密封面形成超硬密封，可以在很大程度上解決高溫下密封面耐磨性下降的缺陷。特別是在500℃高溫下還可以保持較高的硬度，不會被焦粉等顆粒介質劃傷，確保密封面可靠長久使用。
（6）精密加工。在保證密封面硬度的基礎上，球體及閥座密封面制造精度、表面粗糙度、球面與閥座密封圈吻合度是保證高溫防結焦球閥應用成功的關鍵。采用球面磨床磨削以及研磨機配對研磨是很好的工藝方法，能使球體與閥座密封面的幾何精度和表面粗糙度達到設計要求，實現高吻合度及可靠密封。
（7）球桿一體化結構。閥門采用球桿一體化結構，保證了球體與閥桿的同心度，球、桿整體剛度、強度大，工作可靠。
（8）閥座刮刀結構設計。刮刀式閥座具有自清潔功能，在閥門開關過程中，閥座對球面有刮刷動作，能有效減少球面污物進入密封副，保證密封可靠。刮刀結構詳圖如圖5所示。
閥座刮刀硬度比球面硬度稍低，當閥座刮刀的刃口刮削球體表面的結焦物時不會損壞球體密封面，閥門每次開啟或者關閉過程中能對球體密封面進行刮擦作用，防止固體顆粒進入閥座密封區域，而影響閥座的密封，有效提高閥座密封性能和使用壽命。
特別注意：閥座刮刀刃口一般為90°，加工中不能倒角，否則失去刮刀功能。
（9）蒸汽吹掃結構。由于焦化介質中含有極細的焦粉，容易在閥座、球體、閥軸等部位結焦、沾結，導致閥門卡死或密封失效。采用蒸汽吹掃對閥門的波紋管內外、閥門中腔、填料箱等部位進行吹掃保護，能有效地防止殘渣以及汽相焦粉等物料進入閥體空腔中，避免因焦粉累積而產生問題。在閥門處于工作狀態下，吹掃蒸汽壓力高于管道介質壓力，就可以起到保護和屏障作用。

延遲焦化是煉廠加工劣質重油*的手段之一，有深度加工來自廠內其他裝置的尾料、改善煉廠柴汽比、為乙烯工業及重整裝置提供原料等重要作用。在我國，延遲焦化的作用也非常重要，被喻為煉油業的“五朵金花”之一。但是在延遲焦化技術的發展過程中，也曾經因為環境污染等問題引起人們的頗多爭議。首先是冷焦水和切焦水的污染問題。在延遲焦化裝置除焦過程中，會產生大量含有硫化物、重油、焦粉和水等的冷焦水和切焦水。一些企業冷焦水處理采用露天逐級沉降，對裝置區的大氣污染仍較重，氣味較大；一些企業冷焦水和切焦水未能實現循環使用，給全廠的污水處理系統造成很大壓力。

隨著“自循環”等新型工藝的發展，冷焦水、切焦水污染的問題得到了解決。冷焦水和切焦水水質不同，長期實踐證明，把兩股水進行分流、分別處理的效果更好。處理后廢水不外排，形成各自的自循環系統。與此同時，水力除焦技術也在不斷發展。水力除焦一般以水力馬達驅動，可有效減少噪音和保證鉆桿的平穩性。水力除焦器鉆孔和切焦狀態可在焦炭塔內自動切換。自動頂蓋機和底蓋機的應用，可縮短除焦周期，提高除焦作業的安全性。部分焦化裝置采用密閉除焦，減少了污染。使用旋流分離器用于延遲焦化的水處理系統，脫除水中的固體和焦粉，可以減少切焦水泵、閥門及管線的磨損。

其次是惡臭氣體和粉塵的問題。改良后的工藝著眼于“封閉回收”。焦炭塔吹汽放空氣體的處理主要采用塔式油吸收接觸冷卻技術，即焦炭塔吹汽放空氣體密閉進入放空冷卻塔，引入蠟油降溫后進行分離處理，分離為不凝氣、污水和污油后，分別密閉回收或排放。放空冷卻塔放空氣體的治理歷經多次改進，終成目前的全密閉放空系統。采用封閉式吹汽放空排放技術不僅可以減少吹汽放空油氣和蒸汽對環境的污染，而且可以回收大量污油，提高裝置的經濟效益。

冷焦水隔油罐出口的惡臭治理的辦法有兩種：一種是在罐頂增設兩臺吸附罐，罐內填充吸附劑。吸附劑可根據放空氣體所含惡臭物質來選取，兩臺吸附罐交替使用。另一種方法是將冷焦熱水罐罐頂氣體引入水封罐，用水或稀堿溶液吸收氣體中的易溶于水或稀堿液的硫化氫或硫醇等惡臭氣體，通過水封罐凈化后的氣體排入大氣，這樣可降低惡臭氣體對周圍環境的污染。

然后是副產的尾渣問題。在原油的生產加工中，zui后剩余的油渣經焦化技術對其進一步減壓渣油、二次加工尾油等重質油高溫深度加工處理后留下的殘渣就是石油焦，其含碳量在80％以上。高硫焦做氣化原料時，硫分會轉變為硫化氫，在后續脫硫工段又會轉換為單質硫，不會排放到大氣中。同時，還可以把高硫焦的硫直接提取，得到低硫焦和硫黃，以彌補中國缺硫的狀況。石油焦中硫的含量決定了石油焦的zui終用途，由于大多數的石油焦都是高硫石油焦，所以在石油焦的利用上，通過燃燒回收熱量依然是主導方向。目前，國內高硫石油焦利用主要摻煤在循環流化床鍋爐及煤粉鍋爐進行燃燒，而煉廠內產出的石油焦直接進熱電鍋爐進行一體化處理為比較合理的利用途徑。

當前，循環流化床鍋爐（CFB）和焦氣化—熱電聯合循環工藝（IGCC）發展較快。大型循環流化床鍋爐技術日趨成熟，規模不斷提升，同時國產化程度不斷提高，使投資不斷下降，由于循環流化床技術在環保性、可靠性以及經濟性等方面表現良好，為高硫石油焦的利用奠定了基礎。國內如鎮海煉化、上海石化、齊魯石化、青島煉化等都采用了CFB運行方案，并取得較好效果。IGCC也已經在中國石化福建一體化項目中引進并投入商業運行，但由于投資大、運行周期與煉廠汽電平衡匹配等問題，目前該技術還未普遍化。

zui后是污油問題。延遲焦化裝置排出的污油較多，占加工量的1．5％～2．5％，其中絕大部分為焦炭塔凝析油放空污油。歐陽振宇告訴記者，在原料罐、焦化塔設置多處回煉口，對裝置產生的輕、重污油進行回煉，可減少裝置塔底污油量。而且延遲焦化裝置可處理其他裝置產生的輕重污油及污水處理場產生的污泥，減少煉油廠危險廢物的處理量。實現放空污油回煉后，柴油收率比回煉前增加0．8％。隨著這些問題的逐一解決，延遲焦化工藝被歷練成為渣油深加工的主要工藝之一。我國中國石化茂名、長嶺、金陵、揚子、上海等煉油廠都采用RHT＋DC的總流程配置方案說明，盡管RHT裝置可提高液體產品收率和硫的回收率，但其技術仍有局限性。不過，對于煉廠而言，延遲焦化裝置仍是*的重油加工裝置，是保證煉油廠在加工原油方面具有適當靈活性的必要手段。

2 高溫模擬實驗
由于焦化防結焦球閥是處于高溫且介質硬度較高、條件極其惡劣的工況，所以容易出現閥門在高溫下“抱死”無法啟閉，或密封面關不嚴不耐沖刷等問題。為確保閥門在實際工況條件下滿足使用要求，確保產品質量，所以要求對高溫防結焦耐磨球閥除了進行常規的殼體實驗，閥座密封試驗、開關扭矩試驗外還應進行高溫啟閉和高溫密封試驗。
值得注意的是，對閥門進行室溫下的閥座密封試驗合格，不能表示閥門處于高溫（或低溫）工況下使用時仍能達到閥座密封要求。對于防結焦球閥，其在高溫下發生密封泄漏時，夾雜焦粉等固體顆粒的氣象或液相介質會對閥座、球體表面產生十分劇烈的沖蝕，導致閥門密封失效。
（1）高溫啟閉動作和高溫閥座密封試驗
閥門連接試壓盲板、試壓管路、測量熱電偶，采用電爐或履帶加熱器方式對防結焦球閥進行加熱。熱電偶檢測通道內閥座和球體表面溫度，當達到500℃時，進行閥門高溫啟閉試驗，同時進行閥座氣密封試驗。
（2）高溫吹掃試驗
依次檢測波紋管內側、波紋管外側、閥體中腔、填料箱吹掃系統是否順暢，先把要檢測的吹掃系統的氣源打開，其余吹掃系統的氣源不要打開，然后進行閥門的開啟動作，觀察閥體中腔吹掃系統是否順暢。
3 結論
由于能同時滿足高溫、耐磨、耐腐蝕、防結焦和開關方便等要求，金屬硬密封防結焦球閥在延遲焦化裝置中獲得了廣泛的應用，促進了球閥技術的快速發展。了解延遲焦化裝置運行的工況參數和要求，掌握金屬硬密封防結焦球閥結構、制造、檢驗特點，對生產制造能滿足使用要求的防結焦球閥具有重要意義。目前國內的一些閥門制造企業生產的高溫防結焦耐磨球閥已經可以逐步替代進口的同類產品，這將有效降低煉化企業的采購成本，推進我國煉化事業的發展。與本文相關的產品有： 石油化工夾套保溫彎頭