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                   高温防结焦耐磨球阀在延迟焦化应用

                        上海申弘阀门有限公司

之前介绍煤化工减压阀，现在介绍高温防结焦耐磨球阀在延迟焦化应用为了追求更好的经济效益，我国大型炼化装置炼制原油的含硫、含酸比例在不断上升。炼化装置具有高温、介质含有大量硬固体颗粒等复杂工况条件，传统阀门无法适用。金属硬密封耐磨球阀很好的解决了这一问题。我国大型炼油项目延迟焦化装置中使用的高温防结焦金属硬密封耐磨球阀，主要采用进口的VELAN球阀。近年来部分进口金属硬密封耐磨球阀已被国产阀门所取代。目前我国生产制造的金属硬密封耐磨球阀的zui大公称尺寸已达到DN800（NPS32），zui高公称压力已达到PN420（Class2500），zui高设计温度达到600℃。在延迟焦化装置中使用高温防结焦耐磨球阀的必要性,高温防结焦耐磨球阀的典型应用、技术难点和结构特点,以及防结焦耐磨球阀的高温性能试验。为了追求更好的经济效益,我国大型炼化装置炼制原油的含硫、含酸比例在不断上升。炼化装置具有高温、介质含有大量硬固体颗粒等复杂工况条件,传统阀门无法适用。金属硬密封耐磨球阀很好的解决了这一问题。我国大型炼油项目延迟焦化装置中使用的高温防结焦金属硬密封耐磨球阀,焦化一般指有机物质碳化变焦的过程。在煤的干馏中指高温干馏。在石油加工中，焦化是渣油焦炭化的简称，是指重质油（如重油，减压渣油，裂化渣油甚至土沥青等）在500℃左右的高温条件下进行深度的裂解和缩合反应，产生气体、汽油、柴油、蜡油和石油焦的过程。焦化主要包括延迟焦化、釜式焦化、平炉焦化、流化焦化和灵活焦化等五种工艺过程。

1 高温防结焦耐磨球阀在延迟焦化应用高温防结焦耐磨球阀
焦化是使重质油品加热裂解，聚合变成轻质油、中间馏分油和焦炭的加工过程。延迟焦化是一种石油二次加工技术，是以渣油（一般为减压渣油）为原料、在高温（500~550℃）下进行深度热裂反应的一种加热过程。减压渣油在管式炉中加热，采用高流速及高热强度，使其在加热炉中短时间内达到焦化反应所需的温度，然后迅速进入焦炭塔，使焦化反应不在加热炉而是延迟到焦炭塔中进行，故称之为延迟焦化。延迟焦化装置运行的主要矛盾为：使用的原料为重质油，重质油在高温下容易结焦，但希望它在焦炭塔中结焦，而不希望它在加热炉、焦炭塔馏出线和分馏塔底等处结焦。所以除了工艺采取诸如：在焦炭塔出口管线上打急冷油，在原料油进加热炉辐射管之前注入蒸汽或软化水等措施外，还应该防止管线上阀门的结焦。高温防结焦耐磨球阀有效地解决了延迟焦化装置中阀门使用过程要解决的三个突出问题：耐受500℃的高温；防止高温下的油气结焦；消除焦粉对密封面的冲刷。
delayed coking 一种热裂化工艺。其主要目的是将高残碳的残油转化为轻质油。所用装置可进行循环操作，即将重油的焦化馏出油中较重的馏分作为循环油，且在装置中停留时间较长。延迟焦化是一种石油二次加工技术，是指以贫氢的重质油为原料，在高温（约500℃）进行深度的热裂化和缩合反应，生产富气、粗汽油、柴油、蜡油和焦炭的技术。它是世界渣油深度加工的主要方法之一,处理能力占渣油处理能力的三分之一[1]  。
延迟焦化装置

 1. 品名、型号规格、数量、价格.      

延迟焦化装置所谓延迟是指将焦化油(原料油和循环油）经过加热炉加热迅速升温至焦化反应温度，在反应炉管内不生焦，而进入焦炭塔再进行焦化反应，故有延迟作用，称为延迟焦化技术。一般都是一炉（加热炉）二塔(焦化塔）或二炉四塔，加热炉连续进料，焦化塔轮换操作，是一种半连续工艺过程。原料油（减压渣油或其他重质油如脱油沥青、澄清油甚至污油）经加热到495～505℃进入焦炭塔，热原料油在焦炭塔内进行焦化反应，生成的轻质产物从顶部出来进入分馏塔，分馏出富气、粗汽油、柴油和重馏分油。重馏分油可以送去进一步加工（如作催化裂化、加氢裂化原料）也可以全部或部分循环回原料油系统。待焦炭陆续装满（留一定的空间）后，原料改进入另一焦炭塔，残留在焦炭塔中的焦炭以水力除焦卸出。焦炭塔恢复空塔后再进热原料。该过程焦炭的收率一般随原料油康氏残炭（CCR）的改变而变化，富气产量一般10%（质量）左右（气体产率%=7.8+0.144×CCR），其余因循环比不同而异，但柴/汽比大于1。
延迟焦化原料可以是重油、渣油、甚至是沥青。延迟焦化产物分为气体、汽油、柴油、蜡油和焦炭。对于国产渣油，其气体收率为7.0～10%，粗汽油收率为8.2～16.0%，柴油收率为22.0～28.66%，蜡油收率为23.0～33.0%，焦炭收率为15.0～24.6%，外甩油为1～3.0%。焦化汽油和焦化柴油是延迟焦化的主要产品，但其质量较差。焦化汽油的辛烷值很低，一般为51～64（MON），柴油的十六烷值较高，一般为50～58。但两种油品的烯烃含量高，硫、氮、氧等杂质含量高，安定性差，只能作半成品或中间产品，经过精制处理后，才能作为汽油和柴油的调和组分。焦化蜡油由于硫、氮化合物、胶质、残炭等含量高，是二次加工的劣质蜡油，截至2014年通常掺炼到催化或加氢裂化作为原料。石油焦是延迟焦化过程的重要产品之一，根据质量不同可用做电极、冶金及燃料等。焦化气体经脱硫处理后可作为制氢原料或送燃料管网做燃料使用。

1.1高温防结焦耐磨球阀在延迟焦化装置中的典型应用
延迟焦化典型的工艺流程有一炉两塔、两炉四塔等。焦炭塔是轮换使用的，即当一个塔内焦炭聚结到一定高度时，即进行切换，通过四通阀将进料切换进另一个塔。下面以一炉两塔流程为例，介绍焦化高温防结焦耐磨球阀在焦化装置中的典型应用。图1中加热炉出口阀和一道甩油阀通常采用高温防结焦耐磨球阀。图2为已运至现场的高温防结焦球阀的实物图。图3为高温防结焦耐磨球阀在现场的应用。
（1）延迟焦化装置中高温防结焦耐磨球阀的工况条件
焦化装置中高温防结焦耐磨球阀的使用介质一般为含有焦粉的油品、减压渣油和蒸汽，工作温度在500℃左右，工作压力为0.5MPa左右。在此工况条件下，阀门长期处于易结焦和高温的工况条件下，就必须具备耐腐蚀、耐磨、耐冲刷、防结焦及快速切断等功能。
（2）延迟焦化装置中高温防结焦耐磨球阀所用的阀门材料
经过焦化加热炉后，介质中的环烷酸大部分会发生分解。因此，焦炭塔顶大油气线以及焦化炉出口至焦炭塔管线的腐蚀机理主要为高温硫腐蚀。所以在此高温重油部位的管道材质推荐选用12Cr5Mo。阀体的材质不应低于球阀所在系统管道的材质，这就使得高温防结焦耐磨球阀的阀体一般选为ASTMA217C12（铬钼钢），球体一般选为ASTMA487Gr.CA6NM（铬镍钼钢）或其相似甚至性能更高的其他材质。延迟焦化与热裂化相似，只是在短时间内加热到焦化反应所需温度，控制原料在炉管中基本上不发生裂化反应，而延缓到专设的焦炭塔中进行裂化反应，“延迟焦化”也正是因此得名。延迟焦化装置主要由8个部分组成：
焦化部分

主要设备是加热炉和焦炭塔。有一炉两塔、两炉四塔，也有与其它装置直接联合的。
分馏部分

主要设备是分馏塔，在延迟焦化中一般需添加消泡剂/抑焦剂/液收增加剂等化学品。
焦化气体回收和脱硫

主要设备是吸收塔、解吸塔、稳定塔、再吸收塔等。
水力除焦部分

考虑到重残油的碳氢比高，非常容易结焦的这一特点，将原料油快速加热到比较高的温度（480～500℃），使重残油在管式加热炉中，来不及发生反应就被送到一个中空的容器（称焦炭塔），让加热的油品在其中进行裂化缩合反应，加热和焦化不同时发生，故称为延迟焦化。焦炭塔内裂解反应生成的415℃高温油气自焦炭塔顶逸出进入主分馏塔下段进料段，经过洗涤板（人字挡板）洗涤所携带的焦炭颗粒后，从蒸发段上升进入蜡油集油箱以上蒸馏分离，分馏出富气、汽油、柴油和轻重蜡油馏分，而焦炭塔内缩合反应所生成焦炭留在焦炭塔内，当焦炭塔中结焦达一定程度后，就切换到另一个焦炭塔中继续焦化成焦，原先的焦炭塔则进行清焦作业。通常一个焦化装置中常常要用2～4个焦炭塔。清焦采用水力除焦法，先在焦层中央用钻机打一个洞，从顶部一直打到底，然后自下而上通入压力为12~30MPa的高压水，利用水的冲击力，把焦炭打下来，并由底部排出。

图中：加热炉出口阀的工作温度在500℃，工作压力为0.5MPa，持续工作时间8400h；一道甩油阀的工作温度在500℃/450℃，工作压力为0.6MPa/0.3MPa，若一个生产周期24h的话，一道甩油阀工作18h。
图1 高温防结焦耐磨球阀在延迟焦化中的典型应用
已运至现场的高温防结焦球阀的实物图
防结焦球阀在现场的安装图
1.2 延迟焦化装置高温防结焦耐磨球阀的介质工况特性及对阀门的要求
（1）介质中含有焦粉，容易在阀座、球体、阀轴等部位结焦、沾结，容易导致阀门卡死或密封失效。因此要求阀门对阀座、阀门中腔、阀门填料等部位进行有效防护，阻止结焦介质在阀门工作过程中进入阀内。
（2）阀座采用刮刀结构设计。刮刀式阀座具有自清洁功能，在阀门开关过程中，阀座对球面有刮刷动作，能有效减少球面污物进入密封副，保证密封可靠。
（3）阀门用于高温工况，zui高工作温度为500℃，由于阀门零部件的热胀冷缩，容易导致阀门在高温下的卡死而无法实现启闭动作。阀门结构、尺寸设计和选材时要确保高温工况正常工作，不发生卡死。
（4）阀门可靠性要求高，阀门的动作失效将导致整个系统的停车。
（5）阀座的密封等级要求为ANSIFCI70-2VI级。
1.3 高温防结焦耐磨球阀的设计结构和制造特点
高温防结焦耐磨球阀是在浮动球阀的基础上予以结构设计的改进，以适应高温、耐腐蚀、耐冲刷和易结焦的工况要求，提高阀门使用寿命。
高温防结焦耐磨球阀在设计阶段应采用计算机仿真技术，进行有限元分析和阀门在500℃时的温度场分析，参照分析结果和实际经验调整阀门结构和内件设计尺寸。
高温防结焦球阀的结构示意图和三维剖面图如图2和图3所示，其结构特点归纳如下：

1-阀体；2-波纹管；3-阀前阀座；4-球体与阀杆；5-阀后阀座

图2 高温防结焦耐磨球阀

图3 高温防结焦耐磨球阀的三维剖面图
（1）全通径结构。球体通道直径与管路直径相同，流阻小，流通能力大，排渣方便。
（2）浮动球阀，阀后单向密封结构。进口端为高压端，阀门在关闭状态时，在介质压力的作用下，球体产生一定的位移，紧压在出口端的阀座密封面上，从而保证出口端的密封。
因阀门是单向密封结构，在现场安装时，必须注意安装方向正确。
（3）分体式球阀。防结焦球阀进口端的阀座为波纹管阀座，出口端为可在阀体嵌入槽中滑动的金属阀座，阀体和阀座之间设置密封垫。
（4）波纹管的设置。因高温防结焦耐磨球阀在高温工况下运行时，球体、阀座等内件都会因热膨而使尺寸增大，内件沿阀门通道轴向方向上的尺寸膨胀，是导致高温下阀门启闭卡死的主要原因。为防止在高温情况下因球体等内件受热膨胀而卡死，因此在阀前阀座背后设置波纹管，其波纹管详图如图4所示。

1-波纹管；2-阀座
图4 放大的波纹管与阀座的连接
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀波纹管通常采用Inconel625材料制作，采用电子束焊或氩弧焊与阀座和衬套相焊接。设计时应保证阀座密封中心小于波纹管中径，这样能使密封可靠。波纹管的弹性加载结构，能在正常关闭情况下确保球体密封面和阀座密封面间的紧密接触，在高温下能有效补偿内件受热膨胀，避免因高温而导致的卡阻。

图5 刮刀结构设计
（5）应用超音速喷涂密封面。针对焦粉冲刷工况，球体和阀座密封面采用超音速喷涂技术，通过喷涂不同的材料提高密封面硬度，以提高耐冲刷和耐磨损的使用寿命。
超音速喷涂技术提供了*喷涂工艺，而决定涂层硬度的关键是合理选择涂层金属材料。良好的涂层材料能使球体和密封面形成超硬密封，可以在很大程度上解决高温下密封面耐磨性下降的缺陷。特别是在500℃高温下还可以保持较高的硬度，不会被焦粉等颗粒介质划伤，确保密封面可靠长久使用。
（6）精密加工。在保证密封面硬度的基础上，球体及阀座密封面制造精度、表面粗糙度、球面与阀座密封圈吻合度是保证高温防结焦球阀应用成功的关键。采用球面磨床磨削以及研磨机配对研磨是很好的工艺方法，能使球体与阀座密封面的几何精度和表面粗糙度达到设计要求，实现高吻合度及可靠密封。
（7）球杆一体化结构。阀门采用球杆一体化结构，保证了球体与阀杆的同心度，球、杆整体刚度、强度大，工作可靠。
（8）阀座刮刀结构设计。刮刀式阀座具有自清洁功能，在阀门开关过程中，阀座对球面有刮刷动作，能有效减少球面污物进入密封副，保证密封可靠。刮刀结构详图如图5所示。
阀座刮刀硬度比球面硬度稍低，当阀座刮刀的刃口刮削球体表面的结焦物时不会损坏球体密封面，阀门每次开启或者关闭过程中能对球体密封面进行刮擦作用，防止固体颗粒进入阀座密封区域，而影响阀座的密封，有效提高阀座密封性能和使用寿命。
特别注意：阀座刮刀刃口一般为90°，加工中不能倒角，否则失去刮刀功能。
（9）蒸汽吹扫结构。由于焦化介质中含有极细的焦粉，容易在阀座、球体、阀轴等部位结焦、沾结，导致阀门卡死或密封失效。采用蒸汽吹扫对阀门的波纹管内外、阀门中腔、填料箱等部位进行吹扫保护，能有效地防止残渣以及汽相焦粉等物料进入阀体空腔中，避免因焦粉累积而产生问题。在阀门处于工作状态下，吹扫蒸汽压力高于管道介质压力，就可以起到保护和屏障作用。

延迟焦化是炼厂加工劣质重油*的手段之一，有深度加工来自厂内其他装置的尾料、改善炼厂柴汽比、为乙烯工业及重整装置提供原料等重要作用。在我国，延迟焦化的作用也非常重要，被喻为炼油业的“五朵金花”之一。但是在延迟焦化技术的发展过程中，也曾经因为环境污染等问题引起人们的颇多争议。首先是冷焦水和切焦水的污染问题。在延迟焦化装置除焦过程中，会产生大量含有硫化物、重油、焦粉和水等的冷焦水和切焦水。一些企业冷焦水处理采用露天逐级沉降，对装置区的大气污染仍较重，气味较大；一些企业冷焦水和切焦水未能实现循环使用，给全厂的污水处理系统造成很大压力。

随着“自循环”等新型工艺的发展，冷焦水、切焦水污染的问题得到了解决。冷焦水和切焦水水质不同，长期实践证明，把两股水进行分流、分别处理的效果更好。处理后废水不外排，形成各自的自循环系统。与此同时，水力除焦技术也在不断发展。水力除焦一般以水力马达驱动，可有效减少噪音和保证钻杆的平稳性。水力除焦器钻孔和切焦状态可在焦炭塔内自动切换。自动顶盖机和底盖机的应用，可缩短除焦周期，提高除焦作业的安全性。部分焦化装置采用密闭除焦，减少了污染。使用旋流分离器用于延迟焦化的水处理系统，脱除水中的固体和焦粉，可以减少切焦水泵、阀门及管线的磨损。

其次是恶臭气体和粉尘的问题。改良后的工艺着眼于“封闭回收”。焦炭塔吹汽放空气体的处理主要采用塔式油吸收接触冷却技术，即焦炭塔吹汽放空气体密闭进入放空冷却塔，引入蜡油降温后进行分离处理，分离为不凝气、污水和污油后，分别密闭回收或排放。放空冷却塔放空气体的治理历经多次改进，终成目前的全密闭放空系统。采用封闭式吹汽放空排放技术不仅可以减少吹汽放空油气和蒸汽对环境的污染，而且可以回收大量污油，提高装置的经济效益。

冷焦水隔油罐出口的恶臭治理的办法有两种：一种是在罐顶增设两台吸附罐，罐内填充吸附剂。吸附剂可根据放空气体所含恶臭物质来选取，两台吸附罐交替使用。另一种方法是将冷焦热水罐罐顶气体引入水封罐，用水或稀碱溶液吸收气体中的易溶于水或稀碱液的硫化氢或硫醇等恶臭气体，通过水封罐净化后的气体排入大气，这样可降低恶臭气体对周围环境的污染。

然后是副产的尾渣问题。在原油的生产加工中，zui后剩余的油渣经焦化技术对其进一步减压渣油、二次加工尾油等重质油高温深度加工处理后留下的残渣就是石油焦，其含碳量在80％以上。高硫焦做气化原料时，硫分会转变为硫化氢，在后续脱硫工段又会转换为单质硫，不会排放到大气中。同时，还可以把高硫焦的硫直接提取，得到低硫焦和硫黄，以弥补中国缺硫的状况。石油焦中硫的含量决定了石油焦的zui终用途，由于大多数的石油焦都是高硫石油焦，所以在石油焦的利用上，通过燃烧回收热量依然是主导方向。目前，国内高硫石油焦利用主要掺煤在循环流化床锅炉及煤粉锅炉进行燃烧，而炼厂内产出的石油焦直接进热电锅炉进行一体化处理为比较合理的利用途径。

当前，循环流化床锅炉（CFB）和焦气化—热电联合循环工艺（IGCC）发展较快。大型循环流化床锅炉技术日趋成熟，规模不断提升，同时国产化程度不断提高，使投资不断下降，由于循环流化床技术在环保性、可靠性以及经济性等方面表现良好，为高硫石油焦的利用奠定了基础。国内如镇海炼化、上海石化、齐鲁石化、青岛炼化等都采用了CFB运行方案，并取得较好效果。IGCC也已经在中国石化福建一体化项目中引进并投入商业运行，但由于投资大、运行周期与炼厂汽电平衡匹配等问题，目前该技术还未普遍化。

zui后是污油问题。延迟焦化装置排出的污油较多，占加工量的1．5％～2．5％，其中绝大部分为焦炭塔凝析油放空污油。欧阳振宇告诉记者，在原料罐、焦化塔设置多处回炼口，对装置产生的轻、重污油进行回炼，可减少装置塔底污油量。而且延迟焦化装置可处理其他装置产生的轻重污油及污水处理场产生的污泥，减少炼油厂危险废物的处理量。实现放空污油回炼后，柴油收率比回炼前增加0．8％。随着这些问题的逐一解决，延迟焦化工艺被历练成为渣油深加工的主要工艺之一。我国中国石化茂名、长岭、金陵、扬子、上海等炼油厂都采用RHT＋DC的总流程配置方案说明，尽管RHT装置可提高液体产品收率和硫的回收率，但其技术仍有局限性。不过，对于炼厂而言，延迟焦化装置仍是*的重油加工装置，是保证炼油厂在加工原油方面具有适当灵活性的必要手段。

2 高温模拟实验
由于焦化防结焦球阀是处于高温且介质硬度较高、条件极其恶劣的工况，所以容易出现阀门在高温下“抱死”无法启闭，或密封面关不严不耐冲刷等问题。为确保阀门在实际工况条件下满足使用要求，确保产品质量，所以要求对高温防结焦耐磨球阀除了进行常规的壳体实验，阀座密封试验、开关扭矩试验外还应进行高温启闭和高温密封试验。
值得注意的是，对阀门进行室温下的阀座密封试验合格，不能表示阀门处于高温（或低温）工况下使用时仍能达到阀座密封要求。对于防结焦球阀，其在高温下发生密封泄漏时，夹杂焦粉等固体颗粒的气象或液相介质会对阀座、球体表面产生十分剧烈的冲蚀，导致阀门密封失效。
（1）高温启闭动作和高温阀座密封试验
阀门连接试压盲板、试压管路、测量热电偶，采用电炉或履带加热器方式对防结焦球阀进行加热。热电偶检测通道内阀座和球体表面温度，当达到500℃时，进行阀门高温启闭试验，同时进行阀座气密封试验。
（2）高温吹扫试验
依次检测波纹管内侧、波纹管外侧、阀体中腔、填料箱吹扫系统是否顺畅，先把要检测的吹扫系统的气源打开，其余吹扫系统的气源不要打开，然后进行阀门的开启动作，观察阀体中腔吹扫系统是否顺畅。
3 结论
由于能同时满足高温、耐磨、耐腐蚀、防结焦和开关方便等要求，金属硬密封防结焦球阀在延迟焦化装置中获得了广泛的应用，促进了球阀技术的快速发展。了解延迟焦化装置运行的工况参数和要求，掌握金属硬密封防结焦球阀结构、制造、检验特点，对生产制造能满足使用要求的防结焦球阀具有重要意义。目前国内的一些阀门制造企业生产的高温防结焦耐磨球阀已经可以逐步替代进口的同类产品，这将有效降低炼化企业的采购成本，推进我国炼化事业的发展。与本文相关的产品有： 石油化工夹套保温弯头