专利名称：一种在线监控烧除焦碳过程的方法
技术领域：
本发明涉及一种在线监测和控制的方法。
背景技术：
在烃类热裂解生产乙烯、丙烯等烯烃的过程中，不可避免地会在裂解炉管及其急冷锅炉等工艺部位形成焦碳，焦碳沉积在裂解炉管内壁及急冷锅炉换热管内壁上，不仅阻碍了裂解炉管及急冷锅炉中物流的热传递，使炉管压力降增加，而且会堵塞管道，影响裂解炉的正常操作，因此工厂必须定期对裂解炉及急冷锅炉等配套设备进行除碳处理。以燃烧方式除碳称为“烧焦”，烧焦过程控制得好坏，直接影响到裂解炉的使用效率及工厂的整体经济效益。
目前，国内乙烯厂大都使用国外知名厂商市售的清焦软件包，如《BASF法》等，进行乙烯裂解炉管与急冷锅炉的清焦。这种烧焦技术使清焦过程能够在线(即设备不需解体)完成。在烧焦程序的控制下，分阶段自动调整烧焦条件，在预定的时间内使焦碳清除干净。市售软件有一定的使用弹性，但是由于我国裂解原料市场的多样性及供给的不稳定性，裂解炉管和急冷锅炉的结焦状况呈多样化，使得采用同一牌号的烧焦软件控制烧焦操作时有些不适宜，如不必要的时间拖长、耗费能源及材料，使炉管的热负担加重而缩短使用寿命；而结焦状况较恶劣的裂解炉管和急冷锅炉所结的焦碳因烧焦条件不充分得不到彻底清除，从而累及到新一轮的生产周期运行中。
目前，生产厂家通过间断检测和分析烧焦尾气中CO、CO2浓度来判断烧焦进行程度，当CO、CO2浓度低于自定的指标时，结束烧焦操作。现有的常规烧焦检测分析，是在流程的远端、冷却后的集合管出口处，采集烧焦尾气，用气相色谱仪分析尾气中的CO、CO2含量。常规的色谱仪对个样的分析时间至少20～30分钟/样，信息反馈需1小时以上，无法及时、准确掌握裂解炉内的烧焦动态。因此，寻找一种能在线化地检测烧焦过程的方法、从而实现实时监测在线烧焦过程，及时、准确地掌握烧焦动态，并通过联机反馈监测信息到主控端对烧焦进程进行合理调控具有重要意义。
《第8届乙烯生产商年会》(1996年，P467～P473)中报道了一种利用声学发射信号监测裂解炉烧焦过程的方法，不仅所用仪器复杂，不易在现场安装和操作，而且无法直接获得裂解炉管内的结焦状况，目前难以推广使用。
《研究披露》(2000年5月433期，P803～P804)中介绍了一种利用分光计及气相色谱仪监测裂解炉烧焦过程的方法，所用仪器多、不易携带，在线化使用困难，因此难以快速推广使用。
目前国内外乙烯厂对裂解炉烧焦操作，尚未见有成功进行在线监控的报导。如果不能对清焦过程进行有效的调控，实现彻底清焦，则乙烯厂裂解炉的效率就得不到最佳发挥，从而影响整个乙烯厂的综合效益。
因此，需要提供一种切实可行的在线监测、调控烧焦过程的方法，通过监测数据对烧焦过程进行自动调控，避免烧焦操作的盲目性，实现烧焦操作的最优化。
发明内容
本发明的目的是提供一种非常有效的对烧焦过程进行在线监测调控的方法，尤其是对裂解炉烧焦，具体地说，对裂解炉各组管和各急冷锅炉系统烧焦进行监测调控的方法。
本发明的在线监测调控烧焦过程的方法包括在裂解炉和/或急冷锅炉出口管的出口处开有一内径为10～15mm的物流导出孔，从该孔接入导出管，烧焦尾气由导出管引入冷却器、气体流量计和在线监测设备，其中所述的在线监测设备包括气体净化设备、红外分析仪和数据处理器。
优选从急冷锅炉导出的烧焦尾气经导出管进入冷却器，然后分两路，一路进入气体流量计，另一路通过气体净化设备进入红外分析仪；由红外分析仪排出的气体经气体流量计排空。
其中所述的导出孔位于急冷锅炉出口管450～600℃处时，可监测、调控裂解炉管和急冷锅炉两部分的烧焦过程；位于裂解炉出口管700～800℃处时，只监测、调控裂解炉管的烧焦过程。
所述的导出孔开在每组炉管的出口或每组急冷锅炉的出口，使用本发明的方法，可以同时获取不同组炉管和不同急冷锅炉的烧焦动态。
由于裂解炉管和急冷锅炉出口管温度较高，从此处直接采样，在技术上存在一定的困难。因此，应注意使与导出孔相连的内径为10～15mm的采气管与炉管及急冷锅炉出口管主管线物料方向水平交叉，应避免采气管的垂直向上的走向。另外，采气管的引出处配有向炉管内反吹的蒸汽管线，用以保护此采气管的长期通畅和采气管口的清理。采气管通过流量调节阀与冷却器相连，采气管与冷却器的接口连有法兰，采气管与法兰之间应为直管段。用于监控不同组炉管和/或不同急冷锅炉的烧焦动态时，与每组炉管的采气管相连的冷却器可选用列管式蒸汽-水冷却器，与每组急冷锅炉的采气管相连的冷却器可选用盘管式水冷却器。
所述的由导出管导出的烧焦尾气经流量调节阀引入冷却器，冷却至温度低于35℃后分两路，一路进入气体流量计，气体流速为10～50L/min，优选为10～30L/min；另一路通过气体净化设备进入红外分析仪，气体流速为1.0～2.0L/min，优选为1.5～2.0L/min。
所述的气体流量计、红外分析仪和数据处理器均带有与电子控制系统衔接的标准数字信号输出接口。
其中所述的气体流量计用来计量采出所测烧焦尾气的体积流量。所用的流量计可以是多种型号的干式、湿式并带有标准信号输出接口的气体流量计，优选为湿式流量计。
其中所述的红外分析仪是将市售的通用型单组分气体检测仪，经改造成为具有CO、CO2专用通道、双检测室的红外分析仪。
其中所述的数据处理器可以使用计算机或记录仪，也可以同时使用计算机和记录仪。本发明所用的计算机可以是常规的台式电脑，也可以是笔记本电脑；所用的记录仪可以是一台多通道记录仪，记录密度可设置成1次/秒，用来记录烧焦过程中的气体流量、温度、压力、CO及CO2浓度，并通过程序计算软件得到烧除的焦量，可直接输出焦碳烧除过程的各参数如CO、CO2浓度等连续的记录曲线。
所述的数据处理器与红外分析仪和气体流量计相连，记录各项瞬时测量结果，并将记录数据按拟定的程序计算出瞬时状况下的焦碳烧除结果，通过与控制烧焦程序的主控机联网，可以以人机对话或监测结果与控制程序自动调节的方式，调节烧焦控制条件如温度、空气量、蒸汽量等，改变瞬时状态的烧焦发展趋势。手控或自动调节程序使烧焦操作控制在下述范围是安全而经济的。
1)当CO≥4％(体积％)、CO2≤3％(体积％)时，烧焦蒸汽量不变，空气量可增加设定量的5％～10％(wt％)，同时将烧焦温度降低5℃；2)当CO+CO2≤2％(体积％)时，烧焦空气量可增加设定量的5％(wt％)，同时蒸汽量减少5％(wt％)；3)当CO+CO2≤1％(体积％)时，烧焦空气量可增加设定量的10％～15％(wt％)，蒸汽量减少15％(wt％)，同时将烧焦温度提高10℃。
裂解炉的结焦量通过检测到的CO、CO2浓度、烧焦尾气总量及相关温度、压力参数计算得到。
其中所述的气体净化系统包括过滤器、干燥器和脱硫器。所用的过滤器为直管填充式，内充分子筛或陶瓷纤维；干燥器为列管式，装填用CO2饱和过的无水氯化钙作为干燥剂；脱硫器为直管填充床，可用常规的脱硫剂如MgO、ZnO制粒。
本发明的方法中所述的在线监控系统带有公共接口，可以根据任一个烧焦装置的整体或局部的需要及时对接。由于本发明的方法所用设备、仪器均为小型便携式，因此，可根据所需的不同场合即刻组装投入使用。
本发明的在线监控烧焦过程的方法可应用于以下所述的几种反应器如1)任何需要以空气、蒸汽烧焦形式清除反应器内所结焦碳的烃类裂解、裂化装置；2)烃类任何类型(单管和分支管)的管式裂解反应器；3)各种规模的烃类裂解实验装置；4)各种加热后产生焦碳需清焦的反应器。
本发明的方法不仅能监测和调节裂解炉整体的烧焦步骤，也可调节同台炉内不同组管和急冷锅炉的分组烧焦动态，既可以保证结焦严重的部位避免发生过度氧化而烧穿管材，又能减少结焦较轻部位的能源消耗，使整体炉管所结焦碳既清除得彻底又省时，降能耗，省材料，提高管材设备的寿命。
采用本发明所提供的方法，连续工作时间不少于72小时，完全能够满足较长烧焦程序的需要，保证烧焦过程的在线实时监测。根据在线监测结果，可及时调节烧焦程序步骤及烧焦控制条件，达到控制烧焦进程的目的，避免烧焦操作的盲目性。
本发明的方法具有以下的有益效果1、本方法所用设备、仪器均为便携式，安装简单，易于自动化操作；2、使用本方法比常规的非在线个样检测更能及时、直观地观察到烧焦进展；3、使用本方法可掌握结焦设备内的结焦状况，可以科学地指导生产；4、使用本方法可以细化、观察并掌握不同组裂解炉管和不同组急冷锅炉的烧焦动态，以此调控烧焦过程，使乙烯厂裂解装置的烧焦程序细化为单组管、单组急冷锅炉的单体部位控制，优化总体烧焦效果，提高裂解装置的开工效率；5、使用本方法可最大限度降低燃料、烧焦蒸汽及空气的用量，有利于生产成本的进一步降低。
图1 本发明的方法的流程示意图。
图2 SRT-IV型工业裂解炉石脑油结焦烧焦曲线。
图3 SRT-IV型工业裂解炉轻柴油结焦烧焦曲线。
图4 SL-1型工业裂解炉烧焦曲线。
具体实施例方式
以下的实施例具体说明采用本发明的方法对裂解炉的烧焦过程进行在线监控的有益效果。
以下实施例采用本发明的方法对烧焦过程进行在线监控。
实施例1～实施例3所使用的仪器、设备如下红外分析仪为MODEL 9000型两台(线性度≤±2％F.S)；记录仪为EN880无纸记录仪(8通道、误差±0.15％)；气体流量计为BSD 2型湿式气体流量计(公称流量2m3/h、误差±1.5％)；数据处理器为COMPAQ笔记本电脑(奔腾II处理器)。
实施例1裂解原料为石脑油B，馏程45～180℃，比重D15.60.7044g/ml，硫含量136PPM。装置为6万吨/年乙烯SRT-IV型工业裂解炉，有A、B、C三大组排管并联有三个急冷锅炉，裂解炉管的入口温度为520℃、出口温度为820℃，其中B大组裂解炉管中添加了一定量的防焦剂，运行45天后进入程序烧焦阶段，使用BASF法控制烧焦过程，进行在线烧焦，全程序需要72小时，其中炉管部分占42.5小时。采用本发明的方法，在与裂解炉相连的每组急冷锅炉出口管上开一内径为12mm的导出孔，采气管通过流量调节阀与盘管式水冷却器相连，采气管与冷却器的接口连有法兰，采气管与法兰之间应为直管段。通过流量调节阀调节采气速度在20～30L/min，调节红外仪的进气速度为1.5～2.0L/min，并与烧焦程序同时启动，每组炉管和急冷锅炉的烧焦尾气中CO、CO2浓度变化曲线显示并记录于计算机，获得烧焦控制曲线LBn-ac和LBn-b(见附图2)，同时将动态信息反馈至烧焦程序控制端，根据烧焦曲线变化趋势，调节烧焦控制条件。从附图2的烧焦曲线可以看出，经过18小时烧焦操作，炉管所结焦碳已基本烧尽，可提前进入急冷锅炉的烧焦程序，节省时间20小时以上。
实施例2采用与实施例1完全相同的工业装置(6万吨/年乙烯SRT-IV型工业裂解炉)。
裂解原料为重质轻柴油B，馏程230～465℃，比重D15.60.8400g/ml，硫含量370PPM，炉管入口温度490℃，出口温度790℃，运行43天后进入烧焦阶段，按照实施例1的测焦方法，获得烧焦控制曲线LBa-ac和LBa-b(见附图3)。结果表明，经过12.5小时烧焦操作即可进入下一段烧焦程序，节省时间约30小时。
实施例3裂解原料为加氢尾油C，馏程260～535℃，比重D15.60.8258g/ml，硫含量＜10ppm，装置为10万吨/年乙烯SL-1型工业裂解炉，有a、b、c、d、e、f六组急冷锅炉，炉管的入口温度为570℃，出口温度800℃。运行35天后进入烧焦阶段，该装置采用《BASF》53小时烧焦程序。按照实施例1的测焦做法，在a、e两组急冷锅炉的出口管上开一内径为13mm的导出孔，按本发明的方法与在线监测设备相连，用采气调节阀调节采气速度在20～30L/min，调节红外仪的进气速度为1.5～2.0L/min，并与烧焦程序同时启动。全过程的烧焦控制曲线LCv-a和LCv-e如附图4所示。曲线LCv-e比曲线LCv-a的数值高，峰值下降缓慢，说明该组管结焦严重，故采用延长e组管该阶段的烧焦控制时间的措施，同时降低了a组管的供气量，以免烧焦过激。800分钟后e组管的烧焦状态与a组管趋于一致，完全烧净的总体烧焦时间比程序要求时间延长了约3小时。
实施例4～实施例9是本发明方法在模拟裂解炉上的应用实例，所使用的仪器、设备如下红外分析仪为SQ 2000A型(线性度≤±1.5％F.S)；记录仪为EN880无纸记录仪(8通道、误差±0.15％)；气体流量计为BSD-2型湿式气体流量计(公称流量2m3/h、误差±1.5％)；数据处理器为DELL台式电脑(奔腾IV处理器)。
实施例4～实施例9为不同裂解条件及不同烧焦操作条件对烧焦过程的影响，说明了烧焦过程的可控性，结果汇总于表1。
表1模拟裂解炉实施例
实施例4以石脑油A为原料，馏程45～175℃，比重D15.60.7260g/ml，硫含量170PPM，模拟SRT-III型裂解炉，裂解温度840℃、停留时间0.37秒。采用本发明的方法在模拟裂解炉出口管上开一内径为10mm的导出孔，当装置运行到烧焦阶段时，从导出孔接入冷却器、气体流量计和在线监测装置，通入O2浓度为0.5％～1.0％的烧焦气，控制烧焦温度为800℃，用采气调节阀调节采气速度在10L/min，调节红外仪的进气速度为1.5L/min，记录终端与裂解试验程序控制机连接。烧焦结束后，由计算机输出该裂解试验的结焦速率及安全烧焦控制曲线，CO、CO2浓度在1.6％以下，所需烧焦时间为3.5小时。
实施例5与实施例4相同的试验装置及试验原料，改变烧焦温度为820℃，其他操作条件不变，在线烧焦所需时间为3.0小时。
实施例6与实施例4相同的试验装置、试验原料和相同的操作条件，调节烧焦供氧量为实施例4的110％，使烧焦尾气CO、CO2浓度上限为2.0％，所需在线烧焦时间为2.5小时。
实施例7与实施例4相同的试验装置，改变裂解原料为轻柴油A，其馏程为209～370℃，比重D15.60.8138g/ml，硫含量330PPM，裂解温度为800℃、停留时间为0.36秒。控制烧焦温度为810℃，按照实施例4的方法，获得结焦速率和结焦控制曲线。烧焦尾气中CO、CO2浓度在5.0％以下，所需烧焦时间为1.75小时。
实施例8与实施例7相同的试验装置及试验原料，改变烧焦温度为800℃，其他操作条件不变，在线烧焦所需时间为2.0小时。
实施例9与实施例7相同的试验装置、裂解原料和相同的操作条件，调节烧焦供氧量为实施例7的40％，使烧焦尾气CO、CO2浓度上限为2.5％，所需在线烧焦时间为3.0小时。
权利要求
1.一种在线监控烧除焦碳过程的方法，其特征在于，该方法包括在裂解炉和/或急冷锅炉出口管的出口处开有一内径为10～15mm的物流导出孔，从该孔接入导出管，烧焦尾气由导出管引入冷却器、气体流量计和在线监测设备，其中所述的在线监测设备包括气体净化设备、红外分析仪和数据处理器。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，烧焦尾气经流量调节阀引入冷却器，冷却至温度低于35℃后，分两路分别进入气体流量计和在线监测设备，其中进入气体流量计的气体流速为10～50L/min，进入红外分析仪的气体流速为1.0～2.0L/min。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，进入气体流量计的气体流速为10～30L/min，进入红外分析仪的气体流速为1.5～2.0L/min。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的气体净化设备由过滤器、干燥器和脱硫器组成。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的数据处理器可选自计算机和/或记录仪。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述的气体流量计、红外分析仪和数据处理器均带有与电子控制系统衔接的信号输出接口。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的红外分析仪和气体流量计分别与数据处理器相连。
全文摘要
本发明提供了一种在线监控烧焦过程的方法。该方法包括在裂解炉和/或急冷锅炉出口管的出口处开有一内径为10～15mm的物流导出孔，从该孔接入导出管，烧焦尾气由导出管引入冷却器、气体流量计和在线监测设备，其中所述的在线监测设备包括气体净化设备、红外分析仪和数据处理器。该方法简单易行、便于操作，可以满足不同乙烯工厂的需要。通过在线监测获得的信息，不仅可掌握裂解炉管及急冷锅炉内的结焦状况，而且可降低烧焦气用量，为乙烯厂节能降耗创造条件，实现烧焦操作的最优化。
文档编号C10G9/00GK1580192SQ0314986
公开日2005年2月16日 申请日期2003年7月30日 优先权日2003年7月30日
发明者付晓阳, 茅文星, 王红霞, 王国清, 司宇辰, 王永春 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院