延迟焦化焦炭塔物位测量与中子料位计的使用

国内石油深加工的前因

石油是人类现代文明中最重要的一种资源，上小学时的教科书上就说石油是一个种不可再生的能源，只能供人类使用一百年，三十年后的教科书仍然写着这石油只能供人类使用一百年。虽然偶对这个说法充满质疑，但偶也认为石油这种重要的能源被世界霸权者所控制，从而导致石油拥有的不均衡。

中国的体制与世界大多数国家不一样，我们的最高目标是推翻资本主义制度解放全人类，所以世界上众多的资本主义国家对中国充满了敌视，而石油资源的控制分配权恰恰掌握在这些资本主义国家手里，于是我们国家石油的来源受到严重的制约。

新中国成立的50多年里，我们的石油进口被资本主义国家严密封锁。为了摆脱这种困境，几十年里我们成功的走出了两条路子：一条拼了命的在国内找石油，先后发现了众多的国内大油田，带动了中国地质勘探的发展，积累发展了众多的石油勘探经验。另一条就是下了血本的研究石油炼制工艺，最大程度的利用石油资源，尤其是重质油的深加工研究，催化裂化、延迟焦化、重油重整等石油深加工装置得到不断地应用。

虽然这一两年来世界上的石油价格大幅度下降，但中国进口的原油仍然不容乐观，除了中国传统的三桶油拥有的原油进口权外，几个仅有的民间石油进口权所进口的石油大都是西方国家不稀用高硫燃料油，这些进口油都是已经经过提炼下来的垃圾油，不但含硫高污染环境而且需要深加工才能利用。

延迟焦化的核心装置

延迟焦化装置是石油深加工的一种炼制工艺，对常减压生产装置的渣油进行快速加热到裂解温度，然后在焦炭塔中进行裂解缩合，产生汽油、柴油、液化气等轻质燃料，实现重质油变轻质油的目的，提高石油资源的利用率。延迟焦化生产装置中最核心的部分是快速加热炉和焦炭塔，因此这两部分也是生产操作的重点，各种工艺参数的检测和控制要求非常严格，其中就包括焦炭塔的物位检测。

下图为重质油深加工的延迟焦化生产装置实际图

延迟焦化焦炭塔的结构，如同我们生活中使用的高压锅，为方便说明焦炭塔的工艺流程，现用生活中的高压锅进行类比说明。

一、高压锅与焦炭塔的类比

高压锅是生活中的一个小型压力容器，使用时间短频率低，锅内加料（米、水），燃气灶火头的大小、蒸米饭的时间，以及米饭的盛倒，高压锅的洗涮，都是人工手动操作才能完成。虽然现在有自动化程度高的电饭煲压力容器，但只是米饭的蒸熟过程实现了自动化，其余的工作仍然需要人工来完成。

焦炭塔是一个工业化的生产装置，运行时间按年来计，为了保证生产的连续性，延迟焦化焦炭塔采用双塔或多塔模式来生产，进料不断，塔器循环使用，几乎所有的工作都靠程序控制来自动完成。

延迟焦化焦炭塔的生产控制流程图

二、焦炭塔生产流程及构造

1、生焦——如同高压锅蒸米饭的过程，是焦炭塔使用过程。焦炭塔是一个特大号的高压锅，锅内深度达30多米，锅内直径近十米，无法实现一次把料加满的高压锅蒸米饭模式。因此设计为加热与反应分离的生产模式，原料在快速加热炉内加热到反应温度，快速进入独立的焦炭塔内进行反应缩合分离。焦炭塔底部接有原料进料管线，顶部接有油气出口管线，。以此来实现焦炭塔的持续进料生产，运行时间一般为24小时。

  2、除焦——如同从高压锅向外盛米饭过程，是焦炭塔的除焦过程。 焦炭塔内部的结焦高度达到控制高度后，焦炭塔切除生产，进行除焦作业。由于焦炭塔的体积过于庞大，无法使用生活中盛米饭的形式来除掉焦炭塔内的焦炭，所以焦炭塔采用自动除焦模式，焦炭塔上下端开口，生产时通过顶盖机和底盖机来实现密封，除焦时顶盖机开启除焦水钻从顶盖处进入，底盖机开启，除掉的焦炭从底盖处流出到除焦水池。

焦炭塔的上部结构

3、安全开盖——如同高压锅关火后的冷却降压过程，是焦炭塔进行安全清焦的前提。 焦炭塔除焦如同我们盛米饭一样，安全是第一位，盛米饭首先要等到高压锅的安全阀回落后才能开启锅盖，焦炭塔进行清焦要进行一些列的安全操作过程，甩油——把焦炭塔内部的高温易燃没有反应的渣油排除到安全的容器中；小吹气——用少量的蒸汽把焦炭塔内部的残留的渣油清理掉；大吹气——用大量的蒸汽把焦炭上残存的油气吹掉，水冷——通过大量的低温的冷焦水淹没焦层来实现焦炭塔内焦炭的快速降温，只有这一系列操作完成，焦炭塔内部温度达到安全温度后，才能开启顶盖底盖机进行水力除焦作业。

4、检查密封——如同高压锅在使用之前检查密封圈及安全阀的性能。焦炭塔除焦完成，要进行水洗及密封试压测试，水洗如同洗涮高压锅一样把焦炭塔洗刷干净，密封试压如同我们检查高压锅的密封圈和安全阀一样为的是保证焦炭塔下次的安全使用。

焦炭塔物位检测的必要性

不同于高压锅蒸米饭的定量过程，焦炭塔生焦过程是一个连续的进料过程。除塔内的气相的油气外，气液共存的稀泡沫，近乎液体的浓泡沫，固体的焦炭随着进料过程，其高度在不断变化。因此在生焦过程需要对焦炭塔内的三种物位进行检测。焦炭塔在除焦过程中的冷焦阶段同样需要检测冷焦水的高度。所以整个焦炭塔的循环使用过程中需要检测四中不同的物位。

焦炭塔物位检测的难点

1、焦炭塔在使用过程中要经受频繁的大幅度的温度骤变，其生焦过程表面温度可达500度，除焦过程经过小吹气、大吹气、冷焦、除焦过程，其塔内温度出现大幅度的骤变从500度降到室温，而且这种温度骤变过程为48小时的周期变化，对于焦炭塔的器壁是一个严谨的考验，所以焦炭塔的器壁侧面严禁开孔引出接口。由此所有的检测仪表都不能伸入到焦炭塔内部。传统的液位、物位检测仪表无法使用。

2、焦炭塔由于要承受高温骤变的特性，制造过程大部分使用30mm以上的不锈钢或耐高温层碳钢，而且在生焦过程，焦炭塔内固体焦层不断增高，其传统的外贴式物位计也无法使用。

没有保温的焦炭塔

1、焦炭塔是一个大型的高压锅，垂直高度可达30米以上，传统的物位检测仪表无法实现全量程的检测。

2、焦炭塔需要检测稀泡沫、浓泡沫、焦层以及冷焦水高度，其物位具有不同的性质，传统的物位仪表无法实现。

以上四点同时存在造成焦炭塔的物位检测非常困难，传统的物位仪表没有一个能够胜任，给焦炭塔的物位检测仪表选型带来困难，只能从其他方面寻找解决方案。

中子的特性

自从人类发现了放射性物质，通过核裂变发现了很多新物质，其中就有中子这个微观粒子。在对中子的研究中发现，中子本身不带电荷呈现电中性，在运动中不会受到电场力的影响，具有较强的穿透性，能够穿透很厚的金属物体。

根据中子能量的不同，中子分为快中子和慢中子，在自然核裂变过程中产生的中子是自由中子即快中子。快中子运动中与原子核的作用主要是发生弹性散射，当快中子运动中碰到与其自身质量相近的氢质子时弹性散射损失的能量最多。如果物质所含氢原子较多，快中子在运动中发生弹性散射的能量损失就会变大，快中子就会变成慢中子。慢中子在运动中遇到其他物质原子核的主要作用形式是被吸收。

中子料位计

根据中子的特性，人类发明了中子料位计，应用于物质含氢量较多或变化明显的物位检测中。工作机理是通过一个快中子发生器，产生大量的快中子，穿过生产设备的金属厚壁，进入生产装置中，遇到含氢质子较多的物质，快中子在碰撞中变成慢中子，一部分反向穿过器壁被慢中子捕获器（其物质的原子核与慢中子发生作用）所吸收。

根据慢中子捕获器所捕获的慢中子数量，可以得出被测介质含氢量的多少，以此分析出被测物质。

中子料位计的实际结构

中子料位计在焦化塔中的应用

从上面对焦炭塔物位仪表选型分析中得知，生焦过程从上向下的物质是油气、稀泡沫、浓泡沫和石油焦；除焦过程中有夹杂油气的水蒸气和冷焦水层。

对不同过程物质状态进行分析可得：

1、油气和水蒸气状态，由于是气体与快中子碰撞的几率很小，快中子变为慢中子的数量也非常少，因此中子料位计中慢中子捕获器所捕获的慢中子数量非常少，可以近似为零，可以认为焦炭塔没有料位。 

2、稀泡沫状态，焦炭塔在生焦过程中所产生的最上侧的泡沫层可以认为是油气和油的混合体，是以气为主的气包油的形式。由于有液体油的存在，与快中子碰撞的几率变大，由于油是碳氢化合物，所以其快中子碰撞氢质子的几率变大，产生的慢中子的数量变多。料位计的慢中子捕获器的捕获的慢中子数量会有一个数值较大的明显跳变过程。

中子料位计处理系统的画面布局

3、浓泡沫状态，焦炭塔生焦过程中接近焦层的一层浓泡，其主要形式是液体的重质油夹杂热裂解而产生的轻质油气，是以油为主的油包气的形式。因此快中子与浓泡沫中氢质子的碰撞频率又有一个较大提高，由此产生的慢中子的数量又有一个较大幅度的跳变，慢中子捕获器所捕获的慢中子数量也出现一个明显的跳变过程。

生焦过程的H含量的检测图，可以得出焦炭塔内物料的变化状况

4、石油焦状态，石油焦是重质油在高温裂解过程中缩合而成的生成物，主要以碳为主含有少量的热裂解不完全的氢元素，以及石油焦空隙内残存的油气。石油焦层与浓泡沫相比较最显著地特点就是含氢量的大幅度减少。所以此时快中子变成慢中子的数量出现较大幅度的减少跳变，由此慢中子捕获器内的慢中子数量出现一个显著的降低跳变过程。

5、冷焦水状态，冷焦水是焦炭塔除焦过程的预处理部分，从先前的大吹气过程到冷焦水进入，快中子变成慢中子的数量会有一个增加的跳变。通过这个慢中子数量变多的跳变可以得出冷焦水的高度。

一塔除焦一塔生焦过程，冷焦水注入过程的H含量的变化

中子料位计的缺陷

由上分析可知焦炭塔的五种料位变化都能够反映到中子料位计的慢中子的数量变化上，从而能够得到焦炭塔料位的变化，但这种检测是通过慢中子数量的跳变而得出的料位界面变化，其物质料位本身的真实高度却无法实时检测，所以中子料位计实质上是一个料位开关，只能检测中子料位计安装点的料位突变情况，而无法得知焦炭塔内各个料位的真实数值。

工业使用中为保证焦炭塔的安全运行，普遍采用一个焦炭塔安装三台中子料位计的模式，在焦炭塔的中上部呈上中下三点分布模式，来检测焦炭塔的生焦过程，作为判断焦炭塔切塔的依据。焦炭塔在生焦过程没有到达中子料位计的安装点前，稀泡沫、浓泡沫以及焦层的高度通过中子料位计系统软件模拟生成，只能作为生产运行的参考值。

中子料位计在焦炭塔中的安装位置

中子料位计的使用维护

中子料位计的核心部件是安装在现场的中子发生器、慢中子捕获器以及中子料位计的处理变送器，中子发生器普遍采用的是辐射性核物质，由于核物质的半衰期普遍在几十年以上，所以中子料位计从源头上能够使用几十年没有问题。但由于中子料位计直接安装在焦炭塔的外壁上其仪表上面的电路板长期经受焦炭塔的高温辐射，加速电路板的老化，造成中子料位计测量不准甚至失灵，因此从实际使用中中子料位计是需要进行维护维修。

为了延长中子料位计的使用寿命，减少焦炭塔高温辐射对中子料位计的影响，现场安装前要尽可能的做好保温防护。

中子料位计的中子源是放射性物质，虽然其辐射能量级为三级，但长时间近距离操作会对人体产生致命伤害，因此中子料位计一旦放入中子源投入使用，严禁没有防护措施的非专业人士靠近。中子料位计因为高温影响产生电路板损坏也要让从事专业维护的厂家技术人员来处理，先把中子源快速的取出放入铅罐中，在对中子料位计进行维修，因此可以说现场的中子料位计使用人员无需进行维护维修作业。

中子料位计内中子源的位置

中子料位计使用的规章制度

中子料位计的核心部件是中子源，其是放射性物质，因此需要严格的管理。遗憾的是虽然中国人对于核电站的污染非常关注，但对放射性物质的认知和重视程度远远不够。新中国建立几十年来核电站没有发生一起泄漏事故对造成人员死亡，但却因为放射性物质的照射而死亡十多人。

虽然中国对放射性物质早已经建立了严格的管理法规，但执行起来并不严格，造成大量的放射性物质丢失，具政府相关部门统计，大约2000多枚放射源处于失控状态，不知其确定的位置，。一个个的放射性源如同一个个的小型核弹，在长达几十年甚至上百年的半衰期中始终处于辐射状态，对周围的人群产生致命的身体危害。

由于放射源的体积较小，大部分只有指甲盖的大小，在对设备进行处理报废过程中，放射源常常被忽视。有的当做废旧金属进入炼钢厂冶炼，掺杂在成品钢材中造成放射性物质严重扩散，有的被当做废弃物随便丢弃，由于放射源本身体积较小做工精美而且具有耀眼的金属光泽，常被人们当做手工艺品而收藏，造成人员长期经受辐射而治病甚至死亡。

随着中国工业及医疗的发展，越来越多的放射性物质得到使用，现在中国在用的放射源已经有十多万枚，如果在不执行严格的管理，其后果非常严重。所以从新世纪开始，中国政府对放射源的使用加强了管理，制定了一些列的管理办法，从制度上做到了放射源从摇篮到坟墓的跟踪。放射源的使用采用造册备案制度，对于放射源丢失事件立案侦查，限期找到放射源，并处理相应的管理人员，情节严重的处于刑事责任。

   使用中子料位计的用户方，必须经过政府备案，取得政府颁发的辐射仪表使用许可证才能使用，同时用户方需设置专门辐射仪表使用人员，要到政府部门经过严格的辐射防护培训考试持证上岗。使用辐射仪表的企业要对辐射仪表工作人员配发辐射剂量片并建立个人剂量档案到七十五周岁或停止辐射工作三十年。

中子料位计使用人员需要佩戴计量片以此来测定受辐射的含量

现场安装的辐射仪表在规定的范围内设立辐射防护栏并悬挂辐射标志，禁止无辐射防护措施的人员进入危险区域。基于辐射仪表的危害考虑焦炭塔现场安装的防爆电梯，在辐射仪表安装的楼层都不设置停靠点，防止人员误入辐射危险区域，造成人员辐射伤害。

由于中子源是辐射物质，其半衰期在几十年以上，因此废弃的中子源及临时性不用的中子源的储存是一个难点。短时不用的中子源必须取出封存在专用的中子源铅罐内，设置专门的存储房屋设立安全防护距离并悬挂辐射标志。临时性不用超过三个月的中子源与废弃的中子源一样必须储存在铅罐中交于专业的废弃辐射物质处理公司来处理。现在普遍的办法是使用方与辐射仪表提供厂家签订回收合同，委托厂家进行回收处理，任何辐射源的变动都必须向政府相关部门办理辐射仪表变更、注销手续。

储存中子源的铅罐

总结

延迟焦化装置中的焦炭塔特有的生产特性决定了，传统的物位仪表无法胜任焦炭塔复杂的物位检测，只有选用辐射仪表的中子料位计才能满足测量要求。

中子料位计自有的特性决定了，其只能检测具体点的物位变化，而不能实时的测量物位真实的高度，所以中子料位计是一个料位开关。要满足焦炭塔的生产要求，每座焦炭塔至少需要设置三台中子料位计，对于双塔模式的焦炭塔生产工艺，需要至少六台中子料位计。

中子料位计使用了放射性物质产生快中子，因此中子料位计的使用必须严格的按照政府的辐射仪表管理规定，进行放射源的使用、储存、变更及废弃的手续。并设立专门的从事辐射仪表工作人员持证上岗，配发辐射剂量片建立个人剂量档案，对于中子料位计安装现场要设置辐射防护护栏悬挂辐射标志，防止人员误入造成辐射伤害。