延遲焦化焦炭塔物位測量與中子料位計的使用

國內(nèi)石油深加工的前因

石油是人類現(xiàn)代文明中最重要的一種資源，上小學(xué)時的教科書上就說石油是一個種不可再生的能源，只能供人類使用一百年，三十年后的教科書仍然寫著這石油只能供人類使用一百年。雖然偶對這個說法充滿質(zhì)疑，但偶也認為石油這種重要的能源被世界霸權(quán)者所控制，從而導(dǎo)致石油擁有的不均衡。

中國的體制與世界大多數(shù)國家不一樣，我們的最高目標(biāo)是推翻資本主義制度解放全人類，所以世界上眾多的資本主義國家對中國充滿了敵視，而石油資源的控制分配權(quán)恰恰掌握在這些資本主義國家手里，于是我們國家石油的來源受到嚴重的制約。

新中國成立的50多年里，我們的石油進口被資本主義國家嚴密封鎖。為了擺脫這種困境，幾十年里我們成功的走出了兩條路子：一條拼了命的在國內(nèi)找石油，先后發(fā)現(xiàn)了眾多的國內(nèi)大油田，帶動了中國地質(zhì)勘探的發(fā)展，積累發(fā)展了眾多的石油勘探經(jīng)驗。另一條就是下了血本的研究石油煉制工藝，最大程度的利用石油資源，尤其是重質(zhì)油的深加工研究，催化裂化、延遲焦化、重油重整等石油深加工裝置得到不斷地應(yīng)用。

雖然這一兩年來世界上的石油價格大幅度下降，但中國進口的原油仍然不容樂觀，除了中國傳統(tǒng)的三桶油擁有的原油進口權(quán)外，幾個僅有的民間石油進口權(quán)所進口的石油大都是西方國家不稀用高硫燃料油，這些進口油都是已經(jīng)經(jīng)過提煉下來的垃圾油，不但含硫高污染環(huán)境而且需要深加工才能利用。

延遲焦化的核心裝置

延遲焦化裝置是石油深加工的一種煉制工藝，對常減壓生產(chǎn)裝置的渣油進行快速加熱到裂解溫度，然后在焦炭塔中進行裂解縮合，產(chǎn)生汽油、柴油、液化氣等輕質(zhì)燃料，實現(xiàn)重質(zhì)油變輕質(zhì)油的目的，提高石油資源的利用率。延遲焦化生產(chǎn)裝置中最核心的部分是快速加熱爐和焦炭塔，因此這兩部分也是生產(chǎn)操作的重點，各種工藝參數(shù)的檢測和控制要求非常嚴格，其中就包括焦炭塔的物位檢測。

下圖為重質(zhì)油深加工的延遲焦化生產(chǎn)裝置實際圖

延遲焦化焦炭塔的結(jié)構(gòu)，如同我們生活中使用的高壓鍋，為方便說明焦炭塔的工藝流程，現(xiàn)用生活中的高壓鍋進行類比說明。

一、高壓鍋與焦炭塔的類比

高壓鍋是生活中的一個小型壓力容器，使用時間短頻率低，鍋內(nèi)加料（米、水），燃氣灶火頭的大小、蒸米飯的時間，以及米飯的盛倒，高壓鍋的洗涮，都是人工手動操作才能完成。雖然現(xiàn)在有自動化程度高的電飯煲壓力容器，但只是米飯的蒸熟過程實現(xiàn)了自動化，其余的工作仍然需要人工來完成。

焦炭塔是一個工業(yè)化的生產(chǎn)裝置，運行時間按年來計，為了保證生產(chǎn)的連續(xù)性，延遲焦化焦炭塔采用雙塔或多塔模式來生產(chǎn)，進料不斷，塔器循環(huán)使用，幾乎所有的工作都靠程序控制來自動完成。

延遲焦化焦炭塔的生產(chǎn)控制流程圖

二、焦炭塔生產(chǎn)流程及構(gòu)造

1、生焦——如同高壓鍋蒸米飯的過程，是焦炭塔使用過程。焦炭塔是一個特大號的高壓鍋，鍋內(nèi)深度達30多米，鍋內(nèi)直徑近十米，無法實現(xiàn)一次把料加滿的高壓鍋蒸米飯模式。因此設(shè)計為加熱與反應(yīng)分離的生產(chǎn)模式，原料在快速加熱爐內(nèi)加熱到反應(yīng)溫度，快速進入獨立的焦炭塔內(nèi)進行反應(yīng)縮合分離。焦炭塔底部接有原料進料管線，頂部接有油氣出口管線，。以此來實現(xiàn)焦炭塔的持續(xù)進料生產(chǎn)，運行時間一般為24小時。

  2、除焦——如同從高壓鍋向外盛米飯過程，是焦炭塔的除焦過程。 焦炭塔內(nèi)部的結(jié)焦高度達到控制高度后，焦炭塔切除生產(chǎn)，進行除焦作業(yè)。由于焦炭塔的體積過于龐大，無法使用生活中盛米飯的形式來除掉焦炭塔內(nèi)的焦炭，所以焦炭塔采用自動除焦模式，焦炭塔上下端開口，生產(chǎn)時通過頂蓋機和底蓋機來實現(xiàn)密封，除焦時頂蓋機開啟除焦水鉆從頂蓋處進入，底蓋機開啟，除掉的焦炭從底蓋處流出到除焦水池。

焦炭塔的上部結(jié)構(gòu)

3、安全開蓋——如同高壓鍋關(guān)火后的冷卻降壓過程，是焦炭塔進行安全清焦的前提。 焦炭塔除焦如同我們盛米飯一樣，安全是第一位，盛米飯首先要等到高壓鍋的安全閥回落后才能開啟鍋蓋，焦炭塔進行清焦要進行一些列的安全操作過程，甩油——把焦炭塔內(nèi)部的高溫易燃沒有反應(yīng)的渣油排除到安全的容器中；小吹氣——用少量的蒸汽把焦炭塔內(nèi)部的殘留的渣油清理掉；大吹氣——用大量的蒸汽把焦炭上殘存的油氣吹掉，水冷——通過大量的低溫的冷焦水淹沒焦層來實現(xiàn)焦炭塔內(nèi)焦炭的快速降溫，只有這一系列操作完成，焦炭塔內(nèi)部溫度達到安全溫度后，才能開啟頂蓋底蓋機進行水力除焦作業(yè)。

4、檢查密封——如同高壓鍋在使用之前檢查密封圈及安全閥的性能。焦炭塔除焦完成，要進行水洗及密封試壓測試，水洗如同洗涮高壓鍋一樣把焦炭塔洗刷干凈，密封試壓如同我們檢查高壓鍋的密封圈和安全閥一樣為的是保證焦炭塔下次的安全使用。

焦炭塔物位檢測的必要性

不同于高壓鍋蒸米飯的定量過程，焦炭塔生焦過程是一個連續(xù)的進料過程。除塔內(nèi)的氣相的油氣外，氣液共存的稀泡沫，近乎液體的濃泡沫，固體的焦炭隨著進料過程，其高度在不斷變化。因此在生焦過程需要對焦炭塔內(nèi)的三種物位進行檢測。焦炭塔在除焦過程中的冷焦階段同樣需要檢測冷焦水的高度。所以整個焦炭塔的循環(huán)使用過程中需要檢測四中不同的物位。

焦炭塔物位檢測的難點

1、焦炭塔在使用過程中要經(jīng)受頻繁的大幅度的溫度驟變，其生焦過程表面溫度可達500度，除焦過程經(jīng)過小吹氣、大吹氣、冷焦、除焦過程，其塔內(nèi)溫度出現(xiàn)大幅度的驟變從500度降到室溫，而且這種溫度驟變過程為48小時的周期變化，對于焦炭塔的器壁是一個嚴謹?shù)目简灒越固克钠鞅趥?cè)面嚴禁開孔引出接口。由此所有的檢測儀表都不能伸入到焦炭塔內(nèi)部。傳統(tǒng)的液位、物位檢測儀表無法使用。

2、焦炭塔由于要承受高溫驟變的特性，制造過程大部分使用30mm以上的不銹鋼或耐高溫層碳鋼，而且在生焦過程，焦炭塔內(nèi)固體焦層不斷增高，其傳統(tǒng)的外貼式物位計也無法使用。

沒有保溫的焦炭塔

1、焦炭塔是一個大型的高壓鍋，垂直高度可達30米以上，傳統(tǒng)的物位檢測儀表無法實現(xiàn)全量程的檢測。

2、焦炭塔需要檢測稀泡沫、濃泡沫、焦層以及冷焦水高度，其物位具有不同的性質(zhì)，傳統(tǒng)的物位儀表無法實現(xiàn)。

以上四點同時存在造成焦炭塔的物位檢測非常困難，傳統(tǒng)的物位儀表沒有一個能夠勝任，給焦炭塔的物位檢測儀表選型帶來困難，只能從其他方面尋找解決方案。

中子的特性

自從人類發(fā)現(xiàn)了放射性物質(zhì)，通過核裂變發(fā)現(xiàn)了很多新物質(zhì)，其中就有中子這個微觀粒子。在對中子的研究中發(fā)現(xiàn)，中子本身不帶電荷呈現(xiàn)電中性，在運動中不會受到電場力的影響，具有較強的穿透性，能夠穿透很厚的金屬物體。

根據(jù)中子能量的不同，中子分為快中子和慢中子，在自然核裂變過程中產(chǎn)生的中子是自由中子即快中子?？熘凶舆\動中與原子核的作用主要是發(fā)生彈性散射，當(dāng)快中子運動中碰到與其自身質(zhì)量相近的氫質(zhì)子時彈性散射損失的能量最多。如果物質(zhì)所含氫原子較多，快中子在運動中發(fā)生彈性散射的能量損失就會變大，快中子就會變成慢中子。慢中子在運動中遇到其他物質(zhì)原子核的主要作用形式是被吸收。

中子料位計

根據(jù)中子的特性，人類發(fā)明了中子料位計，應(yīng)用于物質(zhì)含氫量較多或變化明顯的物位檢測中。工作機理是通過一個快中子發(fā)生器，產(chǎn)生大量的快中子，穿過生產(chǎn)設(shè)備的金屬厚壁，進入生產(chǎn)裝置中，遇到含氫質(zhì)子較多的物質(zhì)，快中子在碰撞中變成慢中子，一部分反向穿過器壁被慢中子捕獲器（其物質(zhì)的原子核與慢中子發(fā)生作用）所吸收。

根據(jù)慢中子捕獲器所捕獲的慢中子數(shù)量，可以得出被測介質(zhì)含氫量的多少，以此分析出被測物質(zhì)。

中子料位計的實際結(jié)構(gòu)

中子料位計在焦化塔中的應(yīng)用

從上面對焦炭塔物位儀表選型分析中得知，生焦過程從上向下的物質(zhì)是油氣、稀泡沫、濃泡沫和石油焦；除焦過程中有夾雜油氣的水蒸氣和冷焦水層。

對不同過程物質(zhì)狀態(tài)進行分析可得：

1、油氣和水蒸氣狀態(tài)，由于是氣體與快中子碰撞的幾率很小，快中子變?yōu)槁凶拥臄?shù)量也非常少，因此中子料位計中慢中子捕獲器所捕獲的慢中子數(shù)量非常少，可以近似為零，可以認為焦炭塔沒有料位。 

2、稀泡沫狀態(tài)，焦炭塔在生焦過程中所產(chǎn)生的最上側(cè)的泡沫層可以認為是油氣和油的混合體，是以氣為主的氣包油的形式。由于有液體油的存在，與快中子碰撞的幾率變大，由于油是碳氫化合物，所以其快中子碰撞氫質(zhì)子的幾率變大，產(chǎn)生的慢中子的數(shù)量變多。料位計的慢中子捕獲器的捕獲的慢中子數(shù)量會有一個數(shù)值較大的明顯跳變過程。

中子料位計處理系統(tǒng)的畫面布局

3、濃泡沫狀態(tài)，焦炭塔生焦過程中接近焦層的一層濃泡，其主要形式是液體的重質(zhì)油夾雜熱裂解而產(chǎn)生的輕質(zhì)油氣，是以油為主的油包氣的形式。因此快中子與濃泡沫中氫質(zhì)子的碰撞頻率又有一個較大提高，由此產(chǎn)生的慢中子的數(shù)量又有一個較大幅度的跳變，慢中子捕獲器所捕獲的慢中子數(shù)量也出現(xiàn)一個明顯的跳變過程。

生焦過程的H含量的檢測圖，可以得出焦炭塔內(nèi)物料的變化狀況

4、石油焦?fàn)顟B(tài)，石油焦是重質(zhì)油在高溫裂解過程中縮合而成的生成物，主要以碳為主含有少量的熱裂解不完全的氫元素，以及石油焦空隙內(nèi)殘存的油氣。石油焦層與濃泡沫相比較最顯著地特點就是含氫量的大幅度減少。所以此時快中子變成慢中子的數(shù)量出現(xiàn)較大幅度的減少跳變，由此慢中子捕獲器內(nèi)的慢中子數(shù)量出現(xiàn)一個顯著的降低跳變過程。

5、冷焦水狀態(tài)，冷焦水是焦炭塔除焦過程的預(yù)處理部分，從先前的大吹氣過程到冷焦水進入，快中子變成慢中子的數(shù)量會有一個增加的跳變。通過這個慢中子數(shù)量變多的跳變可以得出冷焦水的高度。

一塔除焦一塔生焦過程，冷焦水注入過程的H含量的變化

中子料位計的缺陷

由上分析可知焦炭塔的五種料位變化都能夠反映到中子料位計的慢中子的數(shù)量變化上，從而能夠得到焦炭塔料位的變化，但這種檢測是通過慢中子數(shù)量的跳變而得出的料位界面變化，其物質(zhì)料位本身的真實高度卻無法實時檢測，所以中子料位計實質(zhì)上是一個料位開關(guān)，只能檢測中子料位計安裝點的料位突變情況，而無法得知焦炭塔內(nèi)各個料位的真實數(shù)值。

工業(yè)使用中為保證焦炭塔的安全運行，普遍采用一個焦炭塔安裝三臺中子料位計的模式，在焦炭塔的中上部呈上中下三點分布模式，來檢測焦炭塔的生焦過程，作為判斷焦炭塔切塔的依據(jù)。焦炭塔在生焦過程沒有到達中子料位計的安裝點前，稀泡沫、濃泡沫以及焦層的高度通過中子料位計系統(tǒng)軟件模擬生成，只能作為生產(chǎn)運行的參考值。

中子料位計在焦炭塔中的安裝位置

中子料位計的使用維護

中子料位計的核心部件是安裝在現(xiàn)場的中子發(fā)生器、慢中子捕獲器以及中子料位計的處理變送器，中子發(fā)生器普遍采用的是輻射性核物質(zhì)，由于核物質(zhì)的半衰期普遍在幾十年以上，所以中子料位計從源頭上能夠使用幾十年沒有問題。但由于中子料位計直接安裝在焦炭塔的外壁上其儀表上面的電路板長期經(jīng)受焦炭塔的高溫輻射，加速電路板的老化，造成中子料位計測量不準(zhǔn)甚至失靈，因此從實際使用中中子料位計是需要進行維護維修。

為了延長中子料位計的使用壽命，減少焦炭塔高溫輻射對中子料位計的影響，現(xiàn)場安裝前要盡可能的做好保溫防護。

中子料位計的中子源是放射性物質(zhì)，雖然其輻射能量級為三級，但長時間近距離操作會對人體產(chǎn)生致命傷害，因此中子料位計一旦放入中子源投入使用，嚴禁沒有防護措施的非專業(yè)人士靠近。中子料位計因為高溫影響產(chǎn)生電路板損壞也要讓從事專業(yè)維護的廠家技術(shù)人員來處理，先把中子源快速的取出放入鉛罐中，在對中子料位計進行維修，因此可以說現(xiàn)場的中子料位計使用人員無需進行維護維修作業(yè)。

中子料位計內(nèi)中子源的位置

中子料位計使用的規(guī)章制度

中子料位計的核心部件是中子源，其是放射性物質(zhì)，因此需要嚴格的管理。遺憾的是雖然中國人對于核電站的污染非常關(guān)注，但對放射性物質(zhì)的認知和重視程度遠遠不夠。新中國建立幾十年來核電站沒有發(fā)生一起泄漏事故對造成人員死亡，但卻因為放射性物質(zhì)的照射而死亡十多人。

雖然中國對放射性物質(zhì)早已經(jīng)建立了嚴格的管理法規(guī)，但執(zhí)行起來并不嚴格，造成大量的放射性物質(zhì)丟失，具政府相關(guān)部門統(tǒng)計，大約2000多枚放射源處于失控狀態(tài)，不知其確定的位置，。一個個的放射性源如同一個個的小型核彈，在長達幾十年甚至上百年的半衰期中始終處于輻射狀態(tài)，對周圍的人群產(chǎn)生致命的身體危害。

由于放射源的體積較小，大部分只有指甲蓋的大小，在對設(shè)備進行處理報廢過程中，放射源常常被忽視。有的當(dāng)做廢舊金屬進入煉鋼廠冶煉，摻雜在成品鋼材中造成放射性物質(zhì)嚴重擴散，有的被當(dāng)做廢棄物隨便丟棄，由于放射源本身體積較小做工精美而且具有耀眼的金屬光澤，常被人們當(dāng)做手工藝品而收藏，造成人員長期經(jīng)受輻射而治病甚至死亡。

隨著中國工業(yè)及醫(yī)療的發(fā)展，越來越多的放射性物質(zhì)得到使用，現(xiàn)在中國在用的放射源已經(jīng)有十多萬枚，如果在不執(zhí)行嚴格的管理，其后果非常嚴重。所以從新世紀(jì)開始，中國政府對放射源的使用加強了管理，制定了一些列的管理辦法，從制度上做到了放射源從搖籃到墳?zāi)沟母?。放射源的使用采用造冊備案制度，對于放射源丟失事件立案偵查，限期找到放射源，并處理相應(yīng)的管理人員，情節(jié)嚴重的處于刑事責(zé)任。

   使用中子料位計的用戶方，必須經(jīng)過政府備案，取得政府頒發(fā)的輻射儀表使用許可證才能使用，同時用戶方需設(shè)置專門輻射儀表使用人員，要到政府部門經(jīng)過嚴格的輻射防護培訓(xùn)考試持證上崗。使用輻射儀表的企業(yè)要對輻射儀表工作人員配發(fā)輻射劑量片并建立個人劑量檔案到七十五周歲或停止輻射工作三十年。

中子料位計使用人員需要佩戴計量片以此來測定受輻射的含量

現(xiàn)場安裝的輻射儀表在規(guī)定的范圍內(nèi)設(shè)立輻射防護欄并懸掛輻射標(biāo)志，禁止無輻射防護措施的人員進入危險區(qū)域?；谳椛鋬x表的危害考慮焦炭塔現(xiàn)場安裝的防爆電梯，在輻射儀表安裝的樓層都不設(shè)置停靠點，防止人員誤入輻射危險區(qū)域，造成人員輻射傷害。

由于中子源是輻射物質(zhì)，其半衰期在幾十年以上，因此廢棄的中子源及臨時性不用的中子源的儲存是一個難點。短時不用的中子源必須取出封存在專用的中子源鉛罐內(nèi)，設(shè)置專門的存儲房屋設(shè)立安全防護距離并懸掛輻射標(biāo)志。臨時性不用超過三個月的中子源與廢棄的中子源一樣必須儲存在鉛罐中交于專業(yè)的廢棄輻射物質(zhì)處理公司來處理。現(xiàn)在普遍的辦法是使用方與輻射儀表提供廠家簽訂回收合同，委托廠家進行回收處理，任何輻射源的變動都必須向政府相關(guān)部門辦理輻射儀表變更、注銷手續(xù)。

儲存中子源的鉛罐

總結(jié)

延遲焦化裝置中的焦炭塔特有的生產(chǎn)特性決定了，傳統(tǒng)的物位儀表無法勝任焦炭塔復(fù)雜的物位檢測，只有選用輻射儀表的中子料位計才能滿足測量要求。

中子料位計自有的特性決定了，其只能檢測具體點的物位變化，而不能實時的測量物位真實的高度，所以中子料位計是一個料位開關(guān)。要滿足焦炭塔的生產(chǎn)要求，每座焦炭塔至少需要設(shè)置三臺中子料位計，對于雙塔模式的焦炭塔生產(chǎn)工藝，需要至少六臺中子料位計。

中子料位計使用了放射性物質(zhì)產(chǎn)生快中子，因此中子料位計的使用必須嚴格的按照政府的輻射儀表管理規(guī)定，進行放射源的使用、儲存、變更及廢棄的手續(xù)。并設(shè)立專門的從事輻射儀表工作人員持證上崗，配發(fā)輻射劑量片建立個人劑量檔案，對于中子料位計安裝現(xiàn)場要設(shè)置輻射防護護欄懸掛輻射標(biāo)志，防止人員誤入造成輻射傷害。