用于煉油工藝爐的形成氧化鋁的雙金屬管以及其制造和使用方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于在煉油工藝爐中、更特別在爐輻射段爐管中輸送烴原料的雙金屬管，其包含：i）由不銹鋼形成的外管層，該不銹鋼包含基于不銹鋼總重量的15.0至26.0重量％的鉻；ii）由形成氧化鋁的合金塊形成的內(nèi)管層，該合金塊包含5.0至10.0重量％的Al、20.0重量％至25.0重量％的Cr、少于0.4重量％的Si和至少35.0重量％的Fe以及余量的Ni，其中所述內(nèi)管層是通過在外管層的內(nèi)表面上等離子體粉末焊接所述形成氧化鋁的合金塊而形成的；和iii）在內(nèi)管層表面上形成的氧化物層，其中所述氧化物層基本由氧化鋁、氧化鉻、二氧化硅、莫來石、尖晶石或其混合物構成。本發(fā)明還提供了制造和使用該雙金屬管的方法。
【專利說明】用于煉油工藝爐的形成氧化鋁的雙金屬管以及其制造和使用方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明提供了雙金屬管的組成、制造方法和使用方法，所述雙金屬管用于在煉油工藝爐中、更特別在爐輻射段爐管中輸送烴原料，以減輕腐蝕、結焦和結垢。
【背景技術】
[0002]在典型煉油法中，作為煉油法的第一步驟，通過經(jīng)過脫鹽單元而從儲存的重質(zhì)原油中清除污染物(例如砂、鹽和水)。然后通過使脫鹽原油經(jīng)過一系列熱交換器，加熱清潔的原油原料。然后使該原油經(jīng)過爐，其將原油加熱至較高溫度。該爐可以是以油、天然氣或煉廠燃料氣體為燃料的爐或電燃爐，將油加熱，油被注入常壓蒸餾塔。極端高溫使原油物理分裂成燃燒氣體(爐燃料氣體)和其它氣態(tài)輕餾分、液體產(chǎn)物和常壓渣油餾分。
[0003]大量的重渣油含量是重油的特征。常壓渣油必須經(jīng)過進一步精煉。在常壓塔后，渣油在另一系列熱交換器和之后的另一爐中進一步加熱，并被送往真空蒸餾塔，在此從渣油中提取輕質(zhì)減壓瓦斯油和重質(zhì)減壓瓦斯油。留在真空塔底附近的剩余焦油液(減壓渣油)可以(i)作為浙青回收，或(ii)施以進一步加工，例如煉焦。在各種煉焦法中，將渣油加熱至850-1000° F (454-538°C)的高溫，以由渣油中的芳香核熱裂解出輕沸產(chǎn)物并從塔頂餾出，留下固體焦炭。
[0004]延遲焦化法是最廣泛商業(yè)實施的焦化法之一。通過流經(jīng)爐中的長管將渣油加熱至焦化溫度，然后使其在流入高圓柱形絕緣筒底部后在這種升高的溫度下反應。將揮發(fā)性產(chǎn)物移至分餾塔，焦炭積聚在該筒中。來自分餾塔的重質(zhì)液體產(chǎn)物再循環(huán)回爐中。當該筒裝滿焦炭時，將進料切換至第二筒。通過用高壓水從中心向下鉆孔并也用高壓水切斷其余部分，從該筒中采出焦炭以使該筒準備用于下一焦炭積聚周期。
[0005]在Fluid Coking?中，將渣油噴到容器(即反應器)中的焦炭粒子的熱流化床上。將揮發(fā)性產(chǎn)物移至分餾塔，同時從該容器底部除去焦炭粒子并轉(zhuǎn)移到另一容器(即燃燒器)中，在此用空氣部分燃燒焦炭以向該方法供熱。然后使焦炭再循環(huán)回反應器。由于這種方法產(chǎn)生的焦炭比加熱該方法所需的多得多，從該方法中取出流體焦。
[0006]在FLEXIC0KING?中，將第三容器(即氣化器)添加到流化焦化法中。在氣化器中，在凈還原條件下用蒸汽和空氣氣化焦炭以產(chǎn)生含有氫氣、一氧化碳、氮氣和硫化氫的低BTU氣體。使用吸附除去硫化氫。剩余低BTU氣體在煉油廠內(nèi)和/或在附近的發(fā)電廠中作為清潔燃料燃燒。
[0007]減粘裂化是低轉(zhuǎn)化熱法，最初用于降低用于重質(zhì)燃料油用途的渣油粘度。當前其通常使用超過最低重質(zhì)燃料油規(guī)格并剛好轉(zhuǎn)化到獲得15-30%的運輸沸程液體的渣油，并仍具有符合重質(zhì)燃料油規(guī)格的重質(zhì)產(chǎn)物。由于這種方法無法容許結焦，要求其在可能限制轉(zhuǎn)化的焦炭誘導期內(nèi)而非在重質(zhì)燃料油規(guī)格內(nèi)。減粘裂化反應器可能類似于延遲焦化裝置，帶有爐管，然后是均熱爐筒。但是，該筒的體積小得多，以限制整個液體產(chǎn)物流經(jīng)時的停留時間。或者，整個減粘裂化爐可以是盤繞在爐內(nèi)的長管。干擾導致焦炭形成并積聚在減粘裂化爐壁上，這要求定期除焦。
[0008]煉油工藝爐廣泛用于加熱各種業(yè)務中的烴原料，例如常壓塔的原油進料、從常壓塔送入真空塔的原油渣油等。最嚴苛的業(yè)務可能是延遲焦化裝置的進料的加熱。盡管焦炭沉積在任何煉油工藝爐中都構成問題，但由于所用高溫和焦化器進料的殘留性質(zhì)，具有在經(jīng)過焦化器預熱爐和真空塔爐的輻射管的內(nèi)壁上形成焦炭沉積物的顯著趨勢。
[0009]不論何種業(yè)務，焦炭沉積物的形成都是不合意的。焦炭沉積物由于扼流而造成管中提高的壓力和由于焦炭沉積物的隔熱作用而造成較高的管壁溫度。較高壓力和較高溫度都造成管的過早破壞。此外，通常必須定期使該管停工并通過在高溫下用經(jīng)過該管的空氣或另一氧化劑氧化以燒除沉積的焦炭來除去焦炭沉積物。這種定期燒除導致劇烈的熱循環(huán)，這也降低該管的壽命。
[0010]焦化管式爐是延遲焦化法的核心。加熱器提供該方法中的所有熱。通常，每個爐有2至4程。管水平安裝在側面上并用合金吊架固定就位。多個燃燒器沿著管對面的輻射壁底部并垂直向上燃燒。高爐是有利的，因為頂棚管較不可能被火焰沖擊和由于輻射和對流過熱。通常只有加熱器的輻射段用于加熱延遲焦化裝置用的油。在一些煉油廠利用焦化加熱器的上對流段預熱要送往分餾塔或用于其它用途(例如蒸汽發(fā)生)的油。
[0011]許多煉油工藝單元中所用的火焰加熱器中的輻射段管會在管表面的內(nèi)部和/或外部上發(fā)生結垢。當該加熱器燃油時，發(fā)生管外結垢。在油燃燒過程中，形成含有碳、硫和燃料油中存在的金屬的固體顆粒物。這種顆粒物隨時間經(jīng)過收集在管外表面上。加熱原油和常壓渣油的火焰加熱器通常發(fā)生最高程度的內(nèi)部結垢。對于這些流體，由于(i)流體中存在固體、(ii)形成高分子量化合物的熱裂解和(iii)原位腐蝕產(chǎn)物而發(fā)生結垢。所有這些材料以粘在管壁上并形成“焦炭”告終。比原油輕的液體也會形成內(nèi)部沉積物。例如，力口熱液體石腦油的火焰加熱器會由于腐蝕產(chǎn)物和/或形成粘到管壁上的長鏈分子的聚合反應而發(fā)生管內(nèi)結垢。管內(nèi)結垢通常對加熱器運行和熱效率具有大的影響。
[0012]這些積層/污垢/焦炭沉積物會導致輻射管金屬溫度(TMT)提高。隨著在加熱器管內(nèi)形成焦炭，形成金屬與“較冷的”工藝流之間的隔熱屏障，以致TMT提高。如果不加干預地發(fā)生結焦，可能由于高TMT而造成管破裂(由于降低的金屬強度)。為避免這一點，具有內(nèi)部焦炭沉積物的加熱器可以以降低的速率(因此降低的效率和生產(chǎn)率)運行以致不超過管上的冶金學約束和避免管破裂。積垢工作中的加熱器被設計成容許在潔凈管條件以上的指定TMT提高。當達到該界限時，必須采取措施除去污垢。這通常意味著必須關閉加熱器以供清潔。內(nèi)部結垢的第二個效應是提高的壓降，這限制容量和吞吐量。積垢工作中的加熱器也被設計成容許指定的壓降提高。在大多數(shù)情況下，在壓降界限前達到TMT界限。當在加熱器管中形成焦炭時，其隔絕管內(nèi)部，這導致管外部上的溫度升高。在良好的操作實踐下，焦化爐在需要管除焦之前可運行18個月。根據(jù)管冶金學，當外皮熱電偶上的溫度達到1250° F (677°C)時，該爐必須蒸汽剝落和/或蒸汽-空氣除焦或冷卻并通過水力或機械清管清潔。
[0013]在正常使用過程中，由于長時間暴露在重質(zhì)原油、渣油和其它石油餾分流中，火焰加熱器管的內(nèi)表面經(jīng)受滲碳、硫化、環(huán)烷酸腐蝕和其它形式的高溫腐蝕。滲碳是高溫降解的一種形式，其在碳從環(huán)境擴散到金屬中時發(fā)生，在通常超過1000° F(538°C)的溫度下通常在基質(zhì)中和沿晶粒邊界形成碳化物。滲碳材料經(jīng)受硬度提高和通常韌度的顯著降低，由于提高的碳化物體積而變脆至表現(xiàn)出內(nèi)部蠕變損傷的程度。含有反應性硫的原油和烴餾分在500° F (260°C)以上對碳和低/中合金鋼有腐蝕性并造成硫蝕，這形成硫化鐵。所形成的這種硫化物垢通常被稱作硫化物誘發(fā)結垢。含有環(huán)烷酸組分的那些在400° F (204°C)以上對碳和低/中合金鋼有腐蝕性并從火焰加熱器管的表面直接除去金屬?；鹧婕訜崞鞴艿膬?nèi)表面上的腐蝕造成不均勻表面，其由于石油流中存在的各種粒子可能本身附著到該粗糙表面上而增強結垢。還提出，腐蝕表面還可能提供“更容易”沉積污垢的表面。
[0014]煉油工藝爐的輻射段爐管具有入口管段和出口管段。多個基本直的水平管段布置在至少兩個垂直框中。這些垂直框平行并水平間隔開。在垂直框中在直管框的任一端安置多個彎管掃回彎頭。各彎頭連接其相鄰垂直框中的一對直管段。回彎頭在水平與垂直之間傾斜，由回彎頭連接的那對直管段之一比另一個高。從入口管段經(jīng)由直管段和回彎頭的交錯系列至出口管段提供管程流體流路。該爐管有利地包括第一和第二垂直直管框和相反的回彎頭框，其中除最上和最下管段和回彎頭外，這些直管段和回彎頭與上方和下方的相鄰段和彎頭均勻間隔。相鄰管框任一端的回彎頭可反向傾斜以提供大致水平螺旋流型。該爐管有利地具有第一和第二巢狀程，其中第一和第二程的流體流路各自包含在各所述垂直框中的一系列交錯直管段，其中第一和第二框中的第一程的直管段分別與第二和第一框中的第二程的直管段相反地水平間隔。各垂直管框中的第一和第二程直管段可以從上到下相互間隔交錯。
[0015]煉油工藝爐中、更特別是真空塔爐中的多個基本直的水平輻射段爐管由低鉻鋼(例如T9和T5)制成，以提高耐蝕性、蠕變強度和斷裂韌性?；蛘撸瑹捰凸に嚑t中、更特別是真空塔爐和延遲焦化爐中的多個基本直的水平輻射段爐管由不銹鋼(如鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、沉淀硬化(PH)不銹鋼和雙相不銹鋼)制成，以進一步提高耐蝕性、蠕變強度和斷裂韌性。由于煉油工藝爐傾向于處理以高TRG (總活性硫)和高TAN (總酸值)為特征的更有挑戰(zhàn)性的原油，因此必須使用由不銹鋼制成的爐管。煉油工藝爐中所用的輻射段爐管的典型組成顯示在表I中。
[0016]表1.煉油工藝爐中的輻射段爐管的典型組成
[0017]
【權利要求】
1.用于通過煉油工藝爐的輻射段爐管輸送烴原料的雙金屬管，其包含:i)由不銹鋼形成的外管層，該不銹鋼包含基于不銹鋼總重量的15.0至26.0重量％的鉻；ii)由形成氧化鋁的合金塊形成的內(nèi)管層，該合金塊包含5.0至10.0重量％的Al、20.0重量％至25.0重量％的Cr、少于0.4重量％的Si和至少35.0重量％的Fe以及余量的Ni，其中所述內(nèi)管層是通過在外管層的內(nèi)表面上等離子體粉末焊接所述形成氧化鋁的合金塊而形成的；和iii)在所述內(nèi)管層表面上形成的氧化物層，其中所述氧化物層包含氧化鋁、氧化鉻、二氧化硅、莫來石、尖晶石或其組合。
2.權利要求1的雙金屬管，其中所述外管層是選自347SS不銹鋼和316SS不銹鋼的不銹鋼。
3.前述權利要求任一項的雙金屬管，其中所述內(nèi)管層進一步包含少于0.01重量％的碳。
4.前述權利要求任一項的雙金屬管，其中所述內(nèi)管層進一步包含0.1重量％至2.0重量％的選自Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb、Pd、Pt、Cu、Ag、Au及其組合的至少一種元素。
5.前述權利要求任一項的雙金屬管，其中所述內(nèi)管層進一步包含0.1重量％至2.0重量％的至少一種選自Re、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag、Au及其組合的元素。
6.前述權利要求任一項的雙金屬管,其中所述內(nèi)管層進一步包含0.01重量％至2.0重量％的至少一種選自Sc、La、Y、Ce及其組合的元素。
7.前述權利要求任一項的雙金屬管，其中所述內(nèi)管層進一步包含0.01重量％至2.0重量％的選自Al、S1、Sc、La、Y、Ce及其組合的至少一種元素的氧化物粒子?！?br> 8.前述權利要求任一項的雙金屬管,其中所述內(nèi)管層進一步包含0.01重量％至4.0重量％的至少一種選自Mn、T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W及其組合的元素。
9.前述權利要求任一項的雙金屬管,其中所述內(nèi)管層進一步包含0.1重量％至30.0重量％的至少一種選自Ni3Al、NiAl、σ相及其組合的金屬間沉淀物。
10.前述權利要求任一項的雙金屬管，其中所述內(nèi)管層進一步包含0.01重量％至5.0重量％的至少一種選自氧化物、碳化物、氮化物、碳氮化物及其組合的夾雜物。
11.制造用于通過煉油工藝爐的輻射段爐管輸送烴原料的雙金屬管的方法，其包括下述步驟:i)提供外管層，其中所述外管層由不銹鋼形成，該不銹鋼包含基于不銹鋼總重量的15.0至26.0重量％的鉻；ii)在外管層的內(nèi)表面上等離子體粉末焊接內(nèi)管層，其中所述內(nèi)管層由形成氧化鋁的合金塊形成，該合金塊包含5.0至10.0重量％的Al、20.0重量％至25.0重量％的Cr、少于0.4重量％的Si和至少35.0重量％的Fe及余量的Ni ;和iii)在所述內(nèi)管層表面上形成氧化物層，其中所述氧化物層包含氧化鋁、氧化鉻、二氧化硅、莫來石、尖晶石或其組合。
12.權利要求11的方法，其中在形成氧化鋁的合金塊的使用過程中在暴露在石油化工或煉油工藝單元中的烴工藝流中時在內(nèi)管層表面上原位形成所述氧化物層。
13.權利要求11的方法，其中在使用前通過使雙金屬管材料暴露在受控低氧分壓環(huán)境中而在內(nèi)管層表面上形成所述氧化物層。
14.權利要求13的方法，其中所述受控低氧分壓環(huán)境選自煉油廠蒸汽、石油化工廠蒸汽、氣態(tài)H2O = H2混合物和氣態(tài)C02:C0混合物。
15.權利要求13或14的方法，其中所述受控低氧分壓環(huán)境進一步包含選自CH4、NH3、N2、02、He、Ar、烴及其組合的一種或多種其它氣體。
16.權利要求13、14或15的方法，其中受控低氧分壓環(huán)境的溫度為500°C至1200°C，且其中受控低氧分壓環(huán)境暴露時間為I小時至500小時。
17.權利要求11至16任一項的方法，進一步包括通過選自后退火、回火、激光熔融及其組合的方法將內(nèi)管層致密化。
18.權利要求11至17任一項的方法，進一步包括通過選自機械拋光、電拋光、研磨及其組合的方法降低內(nèi)管層的表面粗糙度。
19.減輕通過煉油工藝爐的輻射段爐管輸送烴原料造成的腐蝕、結焦和/或結垢的方法，其包括:提供用于煉油工藝爐的輻射段爐管的雙金屬管，其中所述雙金屬管包含:i)由不銹鋼形成的外管層，該不銹鋼包含基于不銹鋼總重量的15.0至26.0重量％的鉻；ii)由形成氧化鋁的合金塊形成的內(nèi)管層，該合金塊包含5.0至10.0重量％的Al、20.0重量％至`25.0重量％的Cr、少于0.4重量％的Si和至少35.0重量％的Fe以及余量的Ni，其中所述內(nèi)管層是通過在外管層的內(nèi)表面上等離子體粉末焊接所述形`成氧化鋁的合金塊而形成的；和iii)在所述內(nèi)管層表面上形成的氧化物層，其中所述氧化物層包含氧化鋁、氧化鉻、二氧化硅、莫來石、尖晶石或其組合。`
【文檔編號】F27B5/14GK103857971SQ201280050027
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年4月13日 優(yōu)先權日:2011年10月12日
【發(fā)明者】全昌旻, D·S·多伊徹, V·A·麥克雷, J·E·菲德, B·A·賴希 申請人:埃克森美孚研究工程公司