大型焦炭塔的设计及其改进

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1、大型焦炭塔的设计及其改进（一）概述炼油装置大型化的关键是设备大型化。要实现延迟焦化装置大型化，首先要实现其核心设备焦炭塔的大型化。在延迟焦化装置中，单塔能力在50万吨/年时，其塔直径在8m以上。目前世界上最大焦炭塔在加拿大sumcor油砂加工厂，直径为12.2m，高30m。美国焦炭塔一般都在8m左右，Chevron公司的帕斯卡戈拉炼油厂的焦炭塔为美国最大的一个焦炭塔，直径为8.3m，高33.5m。上海石化股份有限公司于1999年新上的100万吨/年延迟焦化装置，原料为沙特原油的减渣，含硫量达4.6%。原设计方案为二炉四塔，焦炭塔规格为DN6400×21000（

2、mm）。97年9月经可行性研究审批后，设计方案改为一炉两塔，焦炭塔直径改为8400。直径加大后，其材料和结构也必须作相应的改进，为适应延迟焦化装置大型化的要求，我院和上海石化机械制造有限公司一起，在中国石化集团公司国产化办公室的支持下，进行了设计和制造技术的攻关。我院结合上海石化股份有限公司100万吨/年延迟焦化装置，设计了DN8400的焦炭塔，由上海石化机械制造公司负责试制。该装置于2000年2月20日一次投产成功，实现了“一炉两塔”的新流程。这是目前国内直径最大的焦炭塔，这一事实证明：国内现有技术能够设计、制造和安装这种特大型设备，可以实现焦炭塔大型化。D

3、N8400焦炭塔简图如图1。2001年，我院为上海高桥石化公司炼油厂140万吨／年设计了两台φ8800焦炭塔。（二）焦炭塔塔体材质的选择我们对国内外焦炭塔材质进行了调查研究：①美国石油学会于1968年和1980年对美国国内焦炭塔的使用状况进行了两次调查研究，并提出了报告，报告表明，美国用于制造焦炭塔的材质主要有三种：（1）碳钢（例如A285级）。（2）碳钼钢（例如A204C级）。（3）铬钼钢（例如A387B级）。用碳钢制造的焦炭塔已使用多年，其优点是制造容易，对于小直径的塔，价格便宜，投资省。缺点是耐热强度低，易变形，焊缝易开裂，维修费用高。用碳钼钢的优点是耐

4、热强度稍高，但制造较复杂，需要整体热处理。用铬钼钢，耐热强度更高，抗腐蚀性好，尽管制造也有一定难度，需要热处理等，但性能好、整体价格便宜。据美国石油学会1980年的考察报告表明，最老的焦炭塔是碳钢制的，在六十年代安装的主要是碳钼钢制的，在七十年代安装的主要是铬钼钢制的（含1%Mo和1¼%的Cr）见表1。表1由不同材料制造的焦炭塔的安装安装时间碳钢塔碳-钼钢塔铬钼钢塔1968年以前122441969年以后4414总计162818由此可见美国趋向于采用铬钼合金钢。API1980年报告同时也指出，生产石墨级焦炭比生产普通焦炭在焦炭塔壳体上热循环过程中产生的热应力将更

5、大，宜选用Cr-Mo钢。②日本爱知县炼油厂的焦炭塔DN6100，材质为0.5Mo+SUS405，设计温度450℃，是1971年11月份制造的。③Mobil公司1975年的设计准则规定：“焦炭塔内壁应是合金钢衬里的”，其材料为“碳钢或1铬-1/2钼钢复合有至少为0.1英寸厚的410S型钢”。④据AMOCO公司介绍，焦炭塔过去也用过碳钢，但寿命只有10年。现大部分已用Cr-Mo耐热钢了。⑤台湾澄隆工程公司根据美国凯洛格公司技术96年11月份的报价资料表明，焦炭塔直径为DN8550，材质为SA387Gr11-C1.2+SA240-410S，壁厚为18+3至40+3。

6、⑥凯洛格公司曾规定，原料含硫量<0.7%采用1Cr-0.5Mo钢。原料含硫量≥0.7%，采用1Cr-0.5Mo复合12Cr板。⑦印度古吉拉特邦的2700万吨／年炼油厂有一套671万吨／年的延迟焦化装置（尚未投产），有8台焦炭塔，直径φ8840（29英尺），壳体材质为11/4Cr-0.5Mof410S复合板，下部锥体材质为21/4Cr-1.0Mo。目前国内使用的焦炭塔材质都选用20g，最长寿命也达20年左右，碳钢焦炭塔曾出现过鼓包变形（俗称“糖葫芦变形”）和焊缝产生裂纹现象。经修补及专家研究评定后有的塔仍能使用，积累了很多碳钢焦炭塔的使用经验。焦炭塔选用碳钢的优

7、点是钢板货源充足，价格低，焊接方便且不需热处理，修补方便。但随着焦炭塔大型化，碳钢已明显不能适应其要求。因为碳钢钢板厚度已超出允许不热处理的范围，与其使用碳钢进行热处理，还不如用Cr-Mo钢更为经济，更为合理。对钢材性能分析表明：20g的最高使用温度为450℃，在焦炭塔的操作工况条件下，长期使用还是有可能产生石墨化现象的。产生石墨化的时间约几万小时。石墨化的结果将会导致钢材韧性、强度和塑性降低。不少碳钢制焦炭塔使用几年后出现严重变形和少量裂纹就是例证。而15CrMoR是耐热钢，其机械性能大大优于20g和20R，例如：475℃许用应力：15CrMoR（正火+回火

8、）为110MPa，而20R仅是41MP