煉廠提高延遲焦化裝置處理能力方法

李建強(qiáng)

(東營職業(yè)學(xué)院，山東 東營 257091)

0 引 言

隨著世界原油價(jià)格的升高，煉油廠的生產(chǎn)成本不斷增加，經(jīng)濟(jì)效益日益下降.由于重質(zhì)原油和劣質(zhì)原油的價(jià)格較低，加工重質(zhì)原油和劣質(zhì)原油越來越得到人們的重視[1].延遲焦化工藝[2-8]是應(yīng)用最廣泛的渣油加工工藝，它對原料性質(zhì)變化的強(qiáng)適應(yīng)性、低投資、高柴汽比、加工靈活，極大地提高煉油廠加工重質(zhì)原油和劣質(zhì)原油的能力.至今，延遲焦化裝置加工能力和技術(shù)得到了較大發(fā)展，“大型化、清潔化、自動化、靈活化”是延遲焦化技術(shù)工藝的發(fā)展方向.其技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在[8]：

a. 技術(shù)成熟，不使用催化劑，所以不考慮因催化劑中毒而必須進(jìn)行的催化劑再生和更新等問題；b. 工藝流程簡單，生產(chǎn)成本較低；c. 對原料適應(yīng)性強(qiáng)，尤其適宜于重質(zhì)和超重質(zhì)原油的渣油深加工；d. 建設(shè)投資適中，一次投資費(fèi)用較低；e. 有利于增產(chǎn)中間餾分油，提高柴汽比；f. 為制氫和乙烯裂解提供了廉價(jià)的原料.

1 提高延遲焦化處理能力的必要性

近幾年來，國內(nèi)煉油企業(yè)的加工原油密度逐漸增大，石蠟基原油量減少，中間基原油和重質(zhì)稠油量增加，因而重油產(chǎn)量大幅增加[9].隨著原油的重質(zhì)化，渣油的收率不斷提高，而為提高汽油質(zhì)量降低了催化裝置的摻渣比；為優(yōu)化加氫裂化裝置原料降低操作費(fèi)用也減少重油的摻煉量；為減少銷路不暢的瀝青產(chǎn)品降低了脫瀝青裝置的加工量，從而導(dǎo)致了渣油的過剩.各煉廠都希望通過焦化裝置處理過剩渣油，提高煉廠效益.焦化裝置大部分都滿負(fù)荷或超負(fù)荷運(yùn)行，但仍不能滿足煉廠渣油加工能力的要求，需要進(jìn)一步提高裝置處理能力.提高焦化裝置處理能力主要有兩種措施[10]：一是增加設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)能改造；二是優(yōu)化操作條件進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移，提高渣油轉(zhuǎn)化能力.

為了降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，總廠重油加工量逐年增高，延遲焦化裝置也隨之多次改造，渣油處理量由1 200 t/d左右提升到1 300 t/d左右，但渣油的加工負(fù)荷依然吃緊[12].因此提高焦化裝置的加工負(fù)荷，增加重油轉(zhuǎn)化能力勢在必行.

從表1可知，原料密度增大，碳?xì)浔仍龃螅柡蜔N減少，芳烴上升，原料趨于劣質(zhì)化.總廠的焦化原料是由減壓熱渣、油罐區(qū)回收的重污油組成的混合渣油，其性質(zhì)見表1.造成焦化原料變差的原因是蒸餾過程中逐漸使用減壓深拔技術(shù)，將減壓蠟油從渣油中拔出來，從而導(dǎo)致焦化原料劣質(zhì)化，由此給焦化裝置的正常生產(chǎn)帶來很大困難.但是，延遲焦化憑借其極強(qiáng)的加工適應(yīng)能力、低加工耗能，仍具有很大優(yōu)勢.只要提高焦化重油轉(zhuǎn)化能力，便可實(shí)現(xiàn)重油加工的平衡和焦化運(yùn)行的高效益.

表1 焦化裝置原料性質(zhì)Table 1 Properties of Coking Unit raw materials

2 焦化裝置提高裝置處理量的擴(kuò)能改造措施

影響延遲焦化裝置處理能力的關(guān)鍵設(shè)備[13]是加熱爐、焦炭塔、分餾塔及各機(jī)泵負(fù)荷.增建一爐二塔和改造分餾系統(tǒng)是擴(kuò)能改造常用的方法之一，但有時(shí)受到平面布置和施工周期的限制.有條件的情況下，異地改造另建一套焦化裝置是徹底解決渣油加工能力不足的有效措施.當(dāng)渣油加工能力相差不大時(shí)，可對裝置進(jìn)行消除瓶頸改造并配合操作條件優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)能的目的.通過對總廠焦化裝置各設(shè)備能力的核算摸底，并根據(jù)瓶頸可采取降低循環(huán)比、縮短生焦周期等措施來提高渣油處理量.

2.1 降低裝置循環(huán)比

裝置循環(huán)比[14-17]是指(進(jìn)焦化加熱爐的流量-新鮮原料進(jìn)料量)/新鮮原料進(jìn)料量，國內(nèi)各煉廠延遲焦化裝置根據(jù)各自的生產(chǎn)實(shí)際情況不同，采用了不同的循環(huán)比.有些煉廠希望多生產(chǎn)汽、柴油，采用大循環(huán)比，如果在裝置不做改造的條件下，裝置處理量將相應(yīng)降低.有的廠為了增加處理量采用小循環(huán)比，小循環(huán)比能有效提高處理量，同時(shí)為加氫裂化或催化裂化裝置提供更多的原料.從近幾年的發(fā)展情況來看，國內(nèi)各煉廠的裝置循環(huán)比總的趨勢在降低.國內(nèi)某煉廠將循環(huán)比由0.30～0.31下降為0.24～0.25，加工量由循環(huán)比降低前的3 651 t/d，提高到目前的3 873 t/d，產(chǎn)品收率變化見表2.

表2 循環(huán)比降低后產(chǎn)品收率變化比較Table 2 Contrast of product yield when recycle ratio decreased

降低循環(huán)比雖然能夠提高裝置處理量和液體收率，但當(dāng)循環(huán)比降得太低，加熱爐進(jìn)料接近原料性質(zhì)，易造成加熱爐結(jié)焦，影響長周期運(yùn)轉(zhuǎn)[17].循環(huán)比降低，產(chǎn)品質(zhì)量降低，尤其是對蠟油產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，蠟油殘?zhí)考爸亟饘俸吭龈?，對下游裝置影響較大.因此，綜合考慮焦化裝置的經(jīng)濟(jì)效益和下游加工裝置的加工能力，需要確定一個(gè)合適的循環(huán)比.

2.2 縮短生焦周期

延遲焦化生焦周期[18-20]就是一個(gè)焦炭塔從進(jìn)油進(jìn)行焦化反應(yīng)到切塔后的時(shí)間，這時(shí)另一個(gè)塔進(jìn)行冷焦、除焦、預(yù)熱過程.在加熱爐和分餾塔負(fù)荷有余的情況下，縮短生焦周期也是提高延遲焦化裝置處理能力的有效方法.一般延遲焦化裝置焦炭塔生產(chǎn)周期為48 h，其中24 h生焦，另24 h由焦炭塔預(yù)處理和后處理過程占用.實(shí)際生產(chǎn)中只有大吹汽、冷焦、預(yù)熱時(shí)間可調(diào)整.因此縮短焦化生焦周期的主要目標(biāo)應(yīng)首先集中在這三個(gè)步驟上[21].把焦化生焦時(shí)間從24 h降低到20 h就能很容易地使裝置加工能力提高20%.國內(nèi)某煉油廠焦化20 h生焦時(shí)間后，具體對比概況如下.

2.2.1 20 h與24 h生焦焦炭塔操作時(shí)間對比

實(shí)行20 h生焦后，主要從大吹汽、冷焦、預(yù)熱三個(gè)程序縮短時(shí)間.20 h和24 h生焦時(shí)間各生產(chǎn)程序安排如表3所示.

2.2.2 20 h與24 h生焦主要工藝參數(shù)對比

實(shí)行24 h生焦，裝置日處理量最大為3 150 t，實(shí)行20小時(shí)生焦后平均生焦高度23 m，日處理量提高到3 750 t，每天可多處理重油600 t，裝置處理量提高了20%，效果明顯[22].24 h和20 h生焦裝置主要工藝參數(shù)見表4.

縮短生焦周期可大幅度提高裝置處理量，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益，但是對裝置設(shè)備管理、工藝管理和生產(chǎn)操作都提出更高的要求.縮短生焦時(shí)間會引發(fā)下列幾個(gè)不良影響[23-25]：

表3 20 h和24 h生焦焦炭塔操作時(shí)間對比

a. 冷卻不充分.焦炭塔冷卻不充分將留下熱斑和烴袋，這些烴袋在除焦時(shí)放出烴，影響除焦操作.如果為了充分冷卻而加大水冷速率，此時(shí)過快的冷卻速度將會使塔壁斷面產(chǎn)生溫差，在圓截面產(chǎn)生高壓，這有可能會使塔壁開裂或鼓包.

b. 放水不徹底.縮短放水時(shí)間有可能會放水不徹底.在沒使用塔底頭蓋自動拆卸系統(tǒng)的情況下，如果焦炭塔放水不徹底，有熱水留在塔中，就有可能傷害到操作人員.因此在拆卸塔底頭蓋前必須確認(rèn)焦炭塔放水干凈.

c. 切焦速度過快.切焦速度過快產(chǎn)生大塊焦，大塊焦容易損壞溜焦槽，同時(shí)也增加石油焦裝車難度.

d. 預(yù)熱不充分.時(shí)間過短，焦炭塔預(yù)熱不充分，溫差過大，突然切換容易對焦炭塔造成破壞，影響使用壽命.

表4 24 h和20 h生焦主要工藝參數(shù)對比Table 4 Contrast of main coking Process Parameters of 24h and 20h

注：C102為分餾塔，P102為加熱爐進(jìn)料泵.

縮短焦化生焦時(shí)間是提高裝置加工能力很有效的手段，但是它是以增加維護(hù)費(fèi)用和縮短焦炭塔使用壽命為代價(jià)的.據(jù)資料查證，焦化生焦時(shí)間由21 h縮短到18 h，焦炭塔壽命損失25%.

3 焦化裝置優(yōu)化操作方法

3.1 提高焦炭塔的反應(yīng)溫度

根據(jù)焦化反應(yīng)機(jī)理[26]，焦炭塔內(nèi)生焦反應(yīng)是一個(gè)裂解和縮合同時(shí)進(jìn)行的過程.裂解吸熱，縮合放熱，整個(gè)反應(yīng)是一個(gè)吸熱過程.反應(yīng)所需的熱量均來自加熱爐，加熱爐給熱量越大，生焦反應(yīng)越徹底.為此，可以采取以下措施提高焦炭塔反應(yīng)溫度[27-29]：

a. 提高加熱爐出口溫度.某煉油企業(yè)焦化裝置2008年3月實(shí)施緩和提溫操作，將加熱爐出口溫度由483 ℃提高到488 ℃，提高了焦炭塔反應(yīng)溫度、深度.結(jié)果表明：當(dāng)焦炭塔進(jìn)料溫度低于485 ℃時(shí)，反應(yīng)深度不夠，焦炭生成不成熟，難除焦；如果進(jìn)料溫度高于510 ℃，反應(yīng)過于強(qiáng)烈，焦炭變硬，除焦較困難，同時(shí)加熱爐爐管易結(jié)焦.

b. 提高管路焦炭塔保溫性能，降低輻射出口至焦炭塔的溫度.

c. 減少輻射爐管注水量.

上述措施均會提高生焦反應(yīng)的給熱量.過去認(rèn)為：要防止?fàn)t管結(jié)焦，就需增加加熱爐輻射入口注水量，以提高爐管內(nèi)渣油流速，從而確保油品不在爐管內(nèi)結(jié)焦.但是，焦化反應(yīng)不徹底，生成的焦炭揮發(fā)分很高，造成了較大的資源浪費(fèi).提高反應(yīng)溫度，對生焦反應(yīng)和降低焦炭揮發(fā)分均有直接正作用.降低焦炭揮發(fā)分后，對以焦炭為原料，通過轉(zhuǎn)爐烘制鋁用陽極碳索的煉鋁企業(yè)有很大好處，提高了焦炭的利用價(jià)值；但對防止加熱爐管結(jié)焦不利.提高生焦反應(yīng)給熱量的方法，必然會加重爐管結(jié)焦，為此可通過在原料中加入阻焦劑，增強(qiáng)爐管對原料性質(zhì)變差的處理能力，延緩輻射爐管結(jié)焦速度.

3.2 降低焦化反應(yīng)壓力

反應(yīng)壓力[30]指焦炭塔頂?shù)膲毫?，反?yīng)壓力對焦化產(chǎn)品分布有一定影響：壓力升高，反應(yīng)深度增加，液體收率降低，氣體和焦炭的收率增加，焦炭的揮發(fā)份提高；壓力降低，反應(yīng)深度減少，液體收率增加，氣體和焦炭的收率減少，焦炭的揮發(fā)份降低.為了提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益，通常采用低壓設(shè)計(jì)和操作[31].低壓下操作可改善焦化產(chǎn)品的分布，國內(nèi)焦炭塔頂操作壓力一般為0.15～0.20 MPa，國外為0.1～0.15 MPa.

降低壓力可提高蠟油收率，但壓力過低則導(dǎo)致焦炭塔內(nèi)泡沫層升高，易攜帶焦粉并產(chǎn)生彈丸焦，同時(shí)增大了焦炭塔內(nèi)氣體體積流量，這勢必增加壓縮機(jī)和塔頂冷凝系統(tǒng)的負(fù)荷，加大分餾塔和焦炭塔的塔徑，，增加裝置的投資[32-35]，因此應(yīng)綜合操作費(fèi)用、產(chǎn)品分布和設(shè)備投資等因素確定合適的操作壓力.降低反應(yīng)壓力主要由以下幾個(gè)措施[36]：

a. 降低焦炭塔頂油氣至分餾塔頂油氣的系統(tǒng)壓降.

b. 逐漸降低輻射管注水量.注水量下降后，焦炭塔氣速會降低，焦炭塔頂壓力降低.

c. 降低焦炭塔頂大油氣管線結(jié)焦速度.塔頂大油氣管線結(jié)焦過多，不僅會加快分餾塔底結(jié)焦速度，而且會使焦炭塔頂壓力升高，油氣管線壓降增大，嚴(yán)重影響裝置長時(shí)間運(yùn)行.對此，可注入消泡劑降低泡沫層厚度，以降低油氣中焦粉濃度，以降低大油氣管線結(jié)焦速度.

4 結(jié) 語

針對原料性質(zhì)變差、渣油產(chǎn)量增加的問題，通過降低裝置循環(huán)比、縮短生焦周期、提高焦炭塔反應(yīng)溫度、降低焦化反應(yīng)壓力的措施，提高焦化裝置的加工能力和加大渣油轉(zhuǎn)化深度，可以平衡全廠重油加工量，提高經(jīng)濟(jì)效益.針對焦化裝置普遍存在的分餾塔底結(jié)焦、大油氣管線結(jié)焦、爐管結(jié)焦等問題，根據(jù)優(yōu)化操作技術(shù)措施：向輻射爐管中加注阻焦劑，向原料緩沖罐中加注阻焦增收劑等措施，可減緩分餾塔底、輻射泵和爐管的結(jié)焦速度；通過加注消泡劑方法，以調(diào)整分餾塔底油循環(huán)和輻射爐管注水量；調(diào)整分餾塔底溫和焦炭塔頂溫等措施，以實(shí)現(xiàn)焦化裝置長時(shí)間運(yùn)行，提高焦化裝置加工渣油的能力，其經(jīng)濟(jì)效益較為客觀.

使用此技術(shù)措施的幾點(diǎn)建議：

a. 提高反應(yīng)溫度要與原料均質(zhì)化、原料最大可裂化度充分結(jié)合，避免因提溫縮短加熱爐使用周期.

b. 爐管需采用多點(diǎn)注氣技術(shù)，以提高加熱爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間.

c. 充分利用中子料位計(jì)監(jiān)控功能，及時(shí)監(jiān)控分餾塔底和焦炭塔的結(jié)焦?fàn)顩r.

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