常减压装置减压炉管结焦与在线清焦技术研究

一、引言

在石油炼制过程中，常减压蒸馏是原油加工的第一道核心工序，主要作用是将原油按照沸点差异分离为汽油、煤油、柴油、蜡油及渣油等不同馏分，为后续二次加工装置（如催化裂化、加氢裂化等）提供原料。减压炉作为常减压装置的 “心脏”，其功能是将常压塔底的重油（常压渣油）加热至 380–420^∘C ，使其在减压条件下汽化，进而在减压塔内实现轻质馏分与重质馏分的分离。

在减压炉长期运行过程中，炉管内壁易形成焦炭沉积，即 “结焦现象”。相关数据显示，炉管结焦厚度每增加 1mm ，炉管热效率会下降 5%-8% ，装置能耗上升 3%-5% ；当结焦严重时，炉管局部温度可超过设计上限 100.150^∘C ，不仅会缩短炉管使用寿命，还可能引发炉管破裂、火灾等安全事故。因此，深入研究减压炉管结焦的成因，开发高效、安全的在线清焦技术，对于保障常减压装置的稳定运行、降低能耗、提高经济效益具有重要意义。

二、减压炉管结焦成因分析

减压炉管结焦是一个复杂的物理化学过程，涉及原料热裂解、缩合反应、焦炭沉积等多个环节，其成因主要可归结为原料性质、操作条件、炉管结构与材质三个方面。

2.1 原料性质

原料性质是影响减压炉管结焦的基础因素。常压渣油作为减压炉的进料，其组成复杂，含有大量的胶质、沥青质、硫化物、氮化物及金属杂质（如镍、钒等），这些成分是结焦的主要 “前驱体”。

胶质与沥青质含量：胶质和沥青质属于大分子稠环化合物，具有较高的热稳定性，但在高温条件下（超过 380^∘C ）易发生缩合反应，形成焦炭前驱体，并逐渐沉积在炉管内壁。研究表明，当原料中胶质 + 沥青质含量超过 25% 时，炉管结焦速率会显著加快，结焦周期缩短 30% 以上。

金属杂质含量：原料中的镍、钒等金属杂质在高温下会转化为金属氧化物或硫化物，这些物质不仅会催化胶质、沥青质的缩合反应，还会附着在炉管内壁形成 “催化剂床层”，进一步促进焦炭的生成与沉积。例如，镍含量每增加 1μg/g ，结焦速率可提高 5%-10% 。

残炭值：残炭值是衡量原料热稳定性的重要指标，代表原料在高温下经热裂解和缩合反应后剩余的焦炭质量分数。残炭值越高，原料在炉管内形成焦炭的潜力越大。一般而言，当原料残炭值超过 5% 时，需采取额外的防结焦措施，否则炉管结焦风险会大幅增加。

2.2 操作条件

操作条件是影响减压炉管结焦的关键因素，不当的操作参数会直接加速结焦过程，主要包括加热温度、进料流速、炉管表面热强度及负压度等。

加热温度：温度是结焦反应的核心驱动因素。减压炉管内的原料在高温下会发生热裂解反应，生成小分子烃类和焦炭前驱体；当温度超过 420℃时，热裂解反应加剧，同时缩合反应速率显著高于裂解反应速率，导致焦炭大量生成。此外，炉管内存在的 “热点”（局部温度过高区域）会成为结焦的起始点，热点温度每升高 10% ，结焦速率可提高 15%-20% 。

进料流速：进料流速决定了原料在炉管内的停留时间和对炉管内壁的冲刷作用。流速过低时，原料在炉管内停留时间过长，热裂解和缩合反应充分，焦炭易沉积；同时，低流速无法形成有效的 “冲刷膜”，难以将已生成的焦炭前驱体带走，进一步加剧结焦。一般认为，减压炉管内原料的流速应控制在 1.8-2.5m/s ，低于 1.5m/s 时结焦风险会显著上升。

负压度：减压炉及减压塔的负压度直接影响原料的汽化率。负压度过低时，原料的汽化率下降，液相原料在炉管内的比例增加，液相原料与炉管内壁的接触时间延长，易发生液相结焦；同时，负压度过低还会导致炉管内的轻组分无法及时排出，加剧二次裂解反应，生成更多焦炭。

2.3 炉管结构与材质

炉管的结构设计与材质选择也会对结焦过程产生影响。

炉管结构：传统的减压炉管多采用直管或 U 型管结构，在炉管弯头、变径处易形成 “死区”，原料在这些区域的流速降低、停留时间延长，成为结焦的高发部位。此外，炉管内壁的粗糙度也会影响结焦：内壁越粗糙，焦炭越容易附着，且难以脱落。

炉管材质：目前减压炉管常用的材质为 Cr5Mo、Cr9Mo 等合金钢管，这些材质具有较好的耐高温和耐腐蚀性能，但在长期高温运行过程中，材质会发生氧化、渗碳等现象，导致内壁形成氧化皮或碳化物层，这些层状物不仅会降低传热效率，还会为焦炭的沉积提供 “载体”，加速结焦过程。

三、减压炉管结焦的危害

减压炉管结焦会对常减压装置的运行安全性、经济性及产品质量产生多方面的负面影响，具体主要体现在以下四个方面。

3.1 降低传热效率，增加能耗

焦炭的导热系数极低（约为 0.1-0.3W/(m⋅K) ），仅为炉管材质（Cr5Mo 的导热系数约为 30W/(m⋅K) ）的 1/100-1/300 。当炉管内壁形成焦炭层后，传热阻力大幅增加，为维持原料的出口温度，需提高燃料的消耗量。根据工业数据统计，当炉管结焦厚度达到 2mm 时，燃料消耗会增加 8% -12% ；若结焦厚度超过 5mm ，燃料消耗甚至会增加 20% 以上，每年给炼油厂带来数百万元的额外能耗成本。

3.2 缩短装置运行周期，增加检修成本

炉管结焦会导致炉管局部温度升高，当温度超过材质的许用温度时，炉管会发生蠕变、变形，甚至出现裂纹或破裂，迫使装置提前停工检修。正常情况下，常减压装置的运行周期为 3-4 年，而受结焦影响，部分装置的运行周期缩短至 1-2 年，甚至更短。

3.3 影响产品质量

炉管结焦会导致原料在炉管内的加热不均匀，部分原料因停留时间过长而发生过度裂解，生成更多的小分子烯烃和焦炭，这些物质会进入减压塔，导致减压侧线产品（如减压蜡油）的干点升高、粘度增大，质量下降。同时，焦炭颗粒若脱落进入后续系统，还会堵塞换热器、塔盘等设备，进一步影响装置的分离效果，降低产品合格率。

3.4 引发安全事故

当炉管结焦严重时，焦炭层会堵塞炉管，导致管内压力急剧升高，若无法及时泄压，可能引发炉管破裂；此外，炉管局部过热会导致材质强度下降，在高温高压作用下易发生炉管爆裂，泄漏的热油遇空气后可能引发火灾或爆炸事故，严重威胁操作人员的生命安全和装置的安全运行。

四、减压炉管结焦的预防措施与在线清焦技术优化建议

优化原料预处理：对常压渣油进行预处理，降低胶质、沥青质及金属杂质含量。例如，采用溶剂脱沥青工艺去除原料中的大部分沥青质和金属杂质，使原料残炭值降低至 3% 以下；或通过加氢精制工艺，将原料中的硫化物、氮化物及金属杂质转化为易脱除的物质，从根本上减少结焦前驱体。

改进炉管结构与材质：采用新型炉管结构，如螺旋管、内插物炉管（如静态混合器、扰流子），这些结构可增强原料的湍流程度，减少 “死区”，提高传热效率，降低结焦风险；同时，选用耐高温、抗渗碳、抗氧化性能更好的