國(guó)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(shí)的教科書上就說石油是一個(gè)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(duì)這個(gè)說法充滿質(zhì)疑，但偶也認(rèn)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(guó)的體制與世界大多數(shù)國(guó)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(guó)家對(duì)中國(guó)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(guó)家手里，于是我們國(guó)家石油的來源受到嚴(yán)重的制約。

新中國(guó)成立的50多年里，我們的石油進(jìn)口被資本主義國(guó)家嚴(yán)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(guó)內(nèi)找石油，先后發(fā)現(xiàn)了眾多的國(guó)內(nèi)大油田，帶動(dòng)了中國(guó)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(yàn)。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(jià)格大幅度下降，但中國(guó)進(jìn)口的原油仍然不容樂觀，除了中國(guó)傳統(tǒng)的三桶油擁有的原油進(jìn)口權(quán)外，幾個(gè)僅有的民間石油進(jìn)口權(quán)所進(jìn)口的石油大都是西方國(guó)家不稀用高硫燃料油，這些進(jìn)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(duì)常減壓生產(chǎn)裝置的渣油進(jìn)行快速加熱到裂解溫度，然后在焦炭塔中進(jìn)行裂解縮合，產(chǎn)生汽油、柴油、液化氣等輕質(zhì)燃料，實(shí)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(diǎn)，各種工藝參數(shù)的檢測(cè)和控制要求非常嚴(yán)格，其中就包括焦炭塔的物位檢測(cè)。

下圖為重質(zhì)油深加工的延遲焦化生產(chǎn)裝置實(shí)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(jìn)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(gè)小型壓力容器，使用時(shí)間短頻率低，鍋內(nèi)加料（米、水），燃?xì)庠罨痤^的大小、蒸米飯的時(shí)間，以及米飯的盛倒，高壓鍋的洗涮，都是人工手動(dòng)操作才能完成。雖然現(xiàn)在有自動(dòng)化程度高的電飯煲壓力容器，但只是米飯的蒸熟過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，其余的工作仍然需要人工來完成。

焦炭塔是一個(gè)工業(yè)化的生產(chǎn)裝置，運(yùn)行時(shí)間按年來計(jì)，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(jìn)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(dòng)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(gè)特大號(hào)的高壓鍋，鍋內(nèi)深度達(dá)30多米，鍋內(nèi)直徑近十米，無法實(shí)現(xiàn)一次把料加滿的高壓鍋蒸米飯模式。因此設(shè)計(jì)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(jìn)入獨(dú)立的焦炭塔內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)縮合分離。焦炭塔底部接有原料進(jìn)料管線，頂部接有油氣出口管線，。以此來實(shí)現(xiàn)焦炭塔的持續(xù)進(jìn)料生產(chǎn)，運(yùn)行時(shí)間一般為24小時(shí)。

  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(dá)到控制高度后，焦炭塔切除生產(chǎn)，進(jìn)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(dòng)除焦模式，焦炭塔上下端開口，生產(chǎn)時(shí)通過頂蓋機(jī)和底蓋機(jī)來實(shí)現(xiàn)密封，除焦時(shí)頂蓋機(jī)開啟除焦水鉆從頂蓋處進(jìn)入，底蓋機(jī)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(jìn)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(jìn)行清焦要進(jìn)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(shí)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(dá)到安全溫度后，才能開啟頂蓋底蓋機(jī)進(jìn)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(jìn)行水洗及密封試壓測(cè)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(cè)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(gè)連續(xù)的進(jìn)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(jìn)料過程，其高度在不斷變化。因此在生焦過程需要對(duì)焦炭塔內(nèi)的三種物位進(jìn)行檢測(cè)。焦炭塔在除焦過程中的冷焦階段同樣需要檢測(cè)冷焦水的高度。所以整個(gè)焦炭塔的循環(huán)使用過程中需要檢測(cè)四中不同的物位。

焦炭塔物位檢測(cè)的難點(diǎn)

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(dá)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(shí)的周期變化，對(duì)于焦炭塔的器壁是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目简?yàn)，所以焦炭塔的器壁側(cè)面嚴(yán)禁開孔引出接口。由此所有的檢測(cè)儀表都不能伸入到焦炭塔內(nèi)部。傳統(tǒng)的液位、物位檢測(cè)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(jì)也無法使用。

沒有保溫的焦炭塔

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

2、焦炭塔需要檢測(cè)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(shí)現(xiàn)。

以上四點(diǎn)同時(shí)存在造成焦炭塔的物位檢測(cè)非常困難，傳統(tǒng)的物位儀表沒有一個(gè)能夠勝任，給焦炭塔的物位檢測(cè)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(gè)微觀粒子。在對(duì)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(yùn)動(dòng)中不會(huì)受到電場(chǎng)力的影響，具有較強(qiáng)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\(yùn)動(dòng)中與原子核的作用主要是發(fā)生彈性散射，當(dāng)快中子運(yùn)動(dòng)中碰到與其自身質(zhì)量相近的氫質(zhì)子時(shí)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(yùn)動(dòng)中發(fā)生彈性散射的能量損失就會(huì)變大，快中子就會(huì)變成慢中子。慢中子在運(yùn)動(dòng)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(jì)

根據(jù)中子的特性，人類發(fā)明了中子料位計(jì)，應(yīng)用于物質(zhì)含氫量較多或變化明顯的物位檢測(cè)中。工作機(jī)理是通過一個(gè)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(jìn)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(cè)介質(zhì)含氫量的多少，以此分析出被測(cè)物質(zhì)。

中子料位計(jì)的實(shí)際結(jié)構(gòu)

中子料位計(jì)在焦化塔中的應(yīng)用

從上面對(duì)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(duì)不同過程物質(zhì)狀態(tài)進(jìn)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(jì)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(rèn)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(rèn)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?xì)浠衔?，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(jì)的慢中子捕獲器的捕獲的慢中子數(shù)量會(huì)有一個(gè)數(shù)值較大的明顯跳變過程。

中子料位計(jì)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(gè)較大提高，由此產(chǎn)生的慢中子的數(shù)量又有一個(gè)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(gè)明顯的跳變過程。

生焦過程的H含量的檢測(cè)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(diǎn)就是含氫量的大幅度減少。所以此時(shí)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(gè)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(jìn)入，快中子變成慢中子的數(shù)量會(huì)有一個(gè)增加的跳變。通過這個(gè)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(jì)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(jì)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(cè)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(shí)高度卻無法實(shí)時(shí)檢測(cè)，所以中子料位計(jì)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)料位開關(guān)，只能檢測(cè)中子料位計(jì)安裝點(diǎn)的料位突變情況，而無法得知焦炭塔內(nèi)各個(gè)料位的真實(shí)數(shù)值。

工業(yè)使用中為保證焦炭塔的安全運(yùn)行，普遍采用一個(gè)焦炭塔安裝三臺(tái)中子料位計(jì)的模式，在焦炭塔的中上部呈上中下三點(diǎn)分布模式，來檢測(cè)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(dá)中子料位計(jì)的安裝點(diǎn)前，稀泡沫、濃泡沫以及焦層的高度通過中子料位計(jì)系統(tǒng)軟件模擬生成，只能作為生產(chǎn)運(yùn)行的參考值。

中子料位計(jì)在焦炭塔中的安裝位置

中子料位計(jì)的使用維護(hù)

中子料位計(jì)的核心部件是安裝在現(xiàn)場(chǎng)的中子發(fā)生器、慢中子捕獲器以及中子料位計(jì)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(jì)從源頭上能夠使用幾十年沒有問題。但由于中子料位計(jì)直接安裝在焦炭塔的外壁上其儀表上面的電路板長(zhǎng)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(jì)測(cè)量不準(zhǔn)甚至失靈，因此從實(shí)際使用中中子料位計(jì)是需要進(jìn)行維護(hù)維修。

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

中子料位計(jì)的中子源是放射性物質(zhì)，雖然其輻射能量級(jí)為三級(jí)，但長(zhǎng)時(shí)間近距離操作會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生致命傷害，因此中子料位計(jì)一旦放入中子源投入使用，嚴(yán)禁沒有防護(hù)措施的非專業(yè)人士靠近。中子料位計(jì)因?yàn)楦邷赜绊懏a(chǎn)生電路板損壞也要讓從事專業(yè)維護(hù)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(duì)中子料位計(jì)進(jìn)行維修，因此可以說現(xiàn)場(chǎng)的中子料位計(jì)使用人員無需進(jìn)行維護(hù)維修作業(yè)。

中子料位計(jì)內(nèi)中子源的位置

中子料位計(jì)使用的規(guī)章制度

中子料位計(jì)的核心部件是中子源，其是放射性物質(zhì)，因此需要嚴(yán)格的管理。遺憾的是雖然中國(guó)人對(duì)于核電站的污染非常關(guān)注，但對(duì)放射性物質(zhì)的認(rèn)知和重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。新中國(guó)建立幾十年來核電站沒有發(fā)生一起泄漏事故對(duì)造成人員死亡，但卻因?yàn)榉派湫晕镔|(zhì)的照射而死亡十多人。

雖然中國(guó)對(duì)放射性物質(zhì)早已經(jīng)建立了嚴(yán)格的管理法規(guī)，但執(zhí)行起來并不嚴(yán)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(jì)，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(gè)個(gè)的放射性源如同一個(gè)個(gè)的小型核彈，在長(zhǎng)達(dá)幾十年甚至上百年的半衰期中始終處于輻射狀態(tài)，對(duì)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(duì)設(shè)備進(jìn)行處理報(bào)廢過程中，放射源常常被忽視。有的當(dāng)做廢舊金屬進(jìn)入煉鋼廠冶煉，摻雜在成品鋼材中造成放射性物質(zhì)嚴(yán)重?cái)U(kuò)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(zhǎng)期經(jīng)受輻射而治病甚至死亡。

隨著中國(guó)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(guó)在用的放射源已經(jīng)有十多萬枚，如果在不執(zhí)行嚴(yán)格的管理，其后果非常嚴(yán)重。所以從新世紀(jì)開始，中國(guó)政府對(duì)放射源的使用加強(qiáng)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櫋７派湓吹氖褂貌捎迷靸?cè)備案制度，對(duì)于放射源丟失事件立案?jìng)刹?，限期找到放射源，并處理相?yīng)的管理人員，情節(jié)嚴(yán)重的處于刑事責(zé)任。

   使用中子料位計(jì)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(shí)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(yán)格的輻射防護(hù)培訓(xùn)考試持證上崗。使用輻射儀表的企業(yè)要對(duì)輻射儀表工作人員配發(fā)輻射劑量片并建立個(gè)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(jì)使用人員需要佩戴計(jì)量片以此來測(cè)定受輻射的含量

現(xiàn)場(chǎng)安裝的輻射儀表在規(guī)定的范圍內(nèi)設(shè)立輻射防護(hù)欄并懸掛輻射標(biāo)志，禁止無輻射防護(hù)措施的人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域?；谳椛鋬x表的危害考慮焦炭塔現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，防止人員誤入輻射危險(xiǎn)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(shí)性不用的中子源的儲(chǔ)存是一個(gè)難點(diǎn)。短時(shí)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(chǔ)房屋設(shè)立安全防護(hù)距離并懸掛輻射標(biāo)志。臨時(shí)性不用超過三個(gè)月的中子源與廢棄的中子源一樣必須儲(chǔ)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(jìn)行回收處理，任何輻射源的變動(dòng)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(chǔ)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(cè)，只有選用輻射儀表的中子料位計(jì)才能滿足測(cè)量要求。

中子料位計(jì)自有的特性決定了，其只能檢測(cè)具體點(diǎn)的物位變化，而不能實(shí)時(shí)的測(cè)量物位真實(shí)的高度，所以中子料位計(jì)是一個(gè)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(tái)中子料位計(jì)，對(duì)于雙塔模式的焦炭塔生產(chǎn)工藝，需要至少六臺(tái)中子料位計(jì)。

中子料位計(jì)使用了放射性物質(zhì)產(chǎn)生快中子，因此中子料位計(jì)的使用必須嚴(yán)格的按照政府的輻射儀表管理規(guī)定，進(jìn)行放射源的使用、儲(chǔ)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(gè)人劑量檔案，對(duì)于中子料位計(jì)安裝現(xiàn)場(chǎng)要設(shè)置輻射防護(hù)護(hù)欄懸掛輻射標(biāo)志，防止人員誤入造成輻射傷害。