大型焦炭塔的設(shè)計(jì)及其改進(jìn)

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1、大型焦炭塔的設(shè)計(jì)及其改進(jìn)（一）概述煉油裝置大型化的關(guān)鍵是設(shè)備大型化。要實(shí)現(xiàn)延遲焦化裝置大型化，首先要實(shí)現(xiàn)其核心設(shè)備焦炭塔的大型化。在延遲焦化裝置中，單塔能力在50萬(wàn)噸/年時(shí)，其塔直徑在8m以上。目前世界上最大焦炭塔在加拿大sumcor油砂加工廠，直徑為12.2m，高30m。美國(guó)焦炭塔一般都在8m左右，Chevron公司的帕斯卡戈拉煉油廠的焦炭塔為美國(guó)最大的一個(gè)焦炭塔，直徑為8.3m，高33.5m。上海石化股份有限公司于1999年新上的100萬(wàn)噸/年延遲焦化裝置，原料為沙特原油的減渣，含硫量達(dá)4.6%。原設(shè)計(jì)方案為二爐四塔，焦炭塔規(guī)格為DN6400×21000（

2、mm）。97年9月經(jīng)可行性研究審批后，設(shè)計(jì)方案改為一爐兩塔，焦炭塔直徑改為8400。直徑加大后，其材料和結(jié)構(gòu)也必須作相應(yīng)的改進(jìn)，為適應(yīng)延遲焦化裝置大型化的要求，我院和上海石化機(jī)械制造有限公司一起，在中國(guó)石化集團(tuán)公司國(guó)產(chǎn)化辦公室的支持下，進(jìn)行了設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的攻關(guān)。我院結(jié)合上海石化股份有限公司100萬(wàn)噸/年延遲焦化裝置，設(shè)計(jì)了DN8400的焦炭塔，由上海石化機(jī)械制造公司負(fù)責(zé)試制。該裝置于2000年2月20日一次投產(chǎn)成功，實(shí)現(xiàn)了“一爐兩塔”的新流程。這是目前國(guó)內(nèi)直徑最大的焦炭塔，這一事實(shí)證明：國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)能夠設(shè)計(jì)、制造和安裝這種特大型設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)焦炭塔大型化。D

3、N8400焦炭塔簡(jiǎn)圖如圖1。2001年，我院為上海高橋石化公司煉油廠140萬(wàn)噸／年設(shè)計(jì)了兩臺(tái)φ8800焦炭塔。（二）焦炭塔塔體材質(zhì)的選擇我們對(duì)國(guó)內(nèi)外焦炭塔材質(zhì)進(jìn)行了調(diào)查研究：①美國(guó)石油學(xué)會(huì)于1968年和1980年對(duì)美國(guó)國(guó)內(nèi)焦炭塔的使用狀況進(jìn)行了兩次調(diào)查研究，并提出了報(bào)告，報(bào)告表明，美國(guó)用于制造焦炭塔的材質(zhì)主要有三種：（1）碳鋼（例如A285級(jí)）。（2）碳鉬鋼（例如A204C級(jí)）。（3）鉻鉬鋼（例如A387B級(jí)）。用碳鋼制造的焦炭塔已使用多年，其優(yōu)點(diǎn)是制造容易，對(duì)于小直徑的塔，價(jià)格便宜，投資省。缺點(diǎn)是耐熱強(qiáng)度低，易變形，焊縫易開(kāi)裂，維修費(fèi)用高。用碳鉬鋼的優(yōu)點(diǎn)是耐

4、熱強(qiáng)度稍高，但制造較復(fù)雜，需要整體熱處理。用鉻鉬鋼，耐熱強(qiáng)度更高，抗腐蝕性好，盡管制造也有一定難度，需要熱處理等，但性能好、整體價(jià)格便宜。據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)1980年的考察報(bào)告表明，最老的焦炭塔是碳鋼制的，在六十年代安裝的主要是碳鉬鋼制的，在七十年代安裝的主要是鉻鉬鋼制的（含1%Mo和1?%的Cr）見(jiàn)表1。表1由不同材料制造的焦炭塔的安裝安裝時(shí)間碳鋼塔碳-鉬鋼塔鉻鉬鋼塔1968年以前122441969年以后4414總計(jì)162818由此可見(jiàn)美國(guó)趨向于采用鉻鉬合金鋼。API1980年報(bào)告同時(shí)也指出，生產(chǎn)石墨級(jí)焦炭比生產(chǎn)普通焦炭在焦炭塔殼體上熱循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力將更

5、大，宜選用Cr-Mo鋼。②日本愛(ài)知縣煉油廠的焦炭塔DN6100，材質(zhì)為0.5Mo+SUS405，設(shè)計(jì)溫度450℃，是1971年11月份制造的。③Mobil公司1975年的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則規(guī)定：“焦炭塔內(nèi)壁應(yīng)是合金鋼襯里的”，其材料為“碳鋼或1鉻-1/2鉬鋼復(fù)合有至少為0.1英寸厚的410S型鋼”。④據(jù)AMOCO公司介紹，焦炭塔過(guò)去也用過(guò)碳鋼，但壽命只有10年?，F(xiàn)大部分已用Cr-Mo耐熱鋼了。⑤臺(tái)灣澄隆工程公司根據(jù)美國(guó)凱洛格公司技術(shù)96年11月份的報(bào)價(jià)資料表明，焦炭塔直徑為DN8550，材質(zhì)為SA387Gr11-C1.2+SA240-410S，壁厚為18+3至40+3。

6、⑥凱洛格公司曾規(guī)定，原料含硫量<0.7%采用1Cr-0.5Mo鋼。原料含硫量≥0.7%，采用1Cr-0.5Mo復(fù)合12Cr板。⑦印度古吉拉特邦的2700萬(wàn)噸／年煉油廠有一套671萬(wàn)噸／年的延遲焦化裝置（尚未投產(chǎn)），有8臺(tái)焦炭塔，直徑φ8840（29英尺），殼體材質(zhì)為11/4Cr-0.5Mof410S復(fù)合板，下部錐體材質(zhì)為21/4Cr-1.0Mo。目前國(guó)內(nèi)使用的焦炭塔材質(zhì)都選用20g，最長(zhǎng)壽命也達(dá)20年左右，碳鋼焦炭塔曾出現(xiàn)過(guò)鼓包變形（俗稱“糖葫蘆變形”）和焊縫產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象。經(jīng)修補(bǔ)及專家研究評(píng)定后有的塔仍能使用，積累了很多碳鋼焦炭塔的使用經(jīng)驗(yàn)。焦炭塔選用碳鋼的優(yōu)

7、點(diǎn)是鋼板貨源充足，價(jià)格低，焊接方便且不需熱處理，修補(bǔ)方便。但隨著焦炭塔大型化，碳鋼已明顯不能適應(yīng)其要求。因?yàn)樘间撲摪搴穸纫殉鲈试S不熱處理的范圍，與其使用碳鋼進(jìn)行熱處理，還不如用Cr-Mo鋼更為經(jīng)濟(jì)，更為合理。對(duì)鋼材性能分析表明：20g的最高使用溫度為450℃，在焦炭塔的操作工況條件下，長(zhǎng)期使用還是有可能產(chǎn)生石墨化現(xiàn)象的。產(chǎn)生石墨化的時(shí)間約幾萬(wàn)小時(shí)。石墨化的結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致鋼材韌性、強(qiáng)度和塑性降低。不少碳鋼制焦炭塔使用幾年后出現(xiàn)嚴(yán)重變形和少量裂紋就是例證。而15CrMoR是耐熱鋼，其機(jī)械性能大大優(yōu)于20g和20R，例如：475℃許用應(yīng)力：15CrMoR（正火+回火

8、）為110MPa，而20R僅是41MP