低循環(huán)比條件下的延遲焦化技術(shù)分析

楊富明，唐嗣偉，趙 巖，劉洛新

（中國石化洛陽分公司，河南 洛陽471012）

影響延遲焦化過程的主要工藝參數(shù)是循環(huán)比、反應溫度以及焦炭塔操作壓力［1］。較低的循環(huán)比、較高的焦化反應溫度和焦炭塔操作壓力都有助于提高餾分油的收率［2］，減少焦炭的產(chǎn)量，增加經(jīng)濟效益。因此，低循環(huán)比、高反應溫度和低操作壓力是延遲焦化過程的優(yōu)化方向。但是受制于焦化設備的先進性水平以及煉油裝置上下游一體化的局限性，延遲焦化的發(fā)展受到了很大的限制［3］。以現(xiàn)有裝置為基礎(chǔ)，使焦化裝置處于最優(yōu)化生產(chǎn)狀況成為每個煉油廠所追求的目標。

中國石化洛陽分公司（簡稱洛陽分公司）焦化裝置在超低循環(huán)比條件下運行，焦化產(chǎn)品中的液體收率較高，裝置的處理量較大，裝置的綜合能耗較低，但存在加熱爐結(jié)焦傾向大、分餾塔塔底結(jié)焦、設備超負荷運行等問題。本課題對低循環(huán)比操作所引起的問題進行分析，提出相關(guān)措施，為國內(nèi)同類裝置（國內(nèi)多采用循環(huán)比0．2～0．4）低循環(huán)比運行提供借鑒。

1 裝置概況

洛陽分公司延遲焦化裝置的設計規(guī)模為1．4 Mt/a，采用中國石化洛陽石油化工工程公司設計的大型化“一爐兩塔”流程和靈活可調(diào)循環(huán)比工藝，原則流程示意見圖1。原料渣油與分餾塔塔底循環(huán)油（通過循環(huán)比調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)分餾塔塔底循環(huán)油量的調(diào)節(jié)）混合，經(jīng)加熱爐進入焦炭塔發(fā)生熱化學反應。循環(huán)比可在0．1～0．3范圍內(nèi)調(diào)整，生焦周期為20h；設計原料殘?zhí)繛?0．78%，生焦率為30%［4］。焦化加熱爐設計負荷為42．3MW，爐管規(guī)格為Φ127mm×10mm，長為23m，爐管以及彎管采用Cr9Mo材質(zhì)，可增強抗高溫氧化、抗腐蝕能力，提高爐管使用壽命。

圖1 延遲焦化裝置原則流程示意

洛陽分公司延遲焦化裝置處于滿負荷運行，尤其是焦化加熱爐，爐管的表面平均溫度已經(jīng)達到了材質(zhì)的承受極限，爐出口溫度的提高將進一步使加熱爐處于不安全狀態(tài)，并且由于焦化原料的進一步變重，反應溫度的提高將促使爐管結(jié)焦，對裝置的長周期運行產(chǎn)生較大影響［5］。2010年6月，焦炭塔壓力由0．17MPa降到0．15MPa，油氣線速的增加，導致焦粉攜帶量增加，機泵抽空、過濾器堵塞等現(xiàn)象頻發(fā)。在此情況下，洛陽分公司延遲焦化裝置采用低循環(huán)比操作，通過相應措施使裝置保持平穩(wěn)操作，增加了液體收率，降低了能耗。

2 低循環(huán)比操作的優(yōu)點

2009—2010年，洛陽分公司延遲焦化裝置采取可調(diào)循環(huán)比操作，通過對24個月生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，分析研究了低循環(huán)比操作對延遲焦化裝置的影響。

2.1 提高液體收率

圖2為不同循環(huán)比下的焦化液體產(chǎn)品（焦化汽油、焦化柴油、焦化蠟油）收率。由圖2可以看出，降低循環(huán)比對焦化液體產(chǎn)品的生成有較大的促進作用。當循環(huán)比由0．35降至0．15時，液體產(chǎn)品收率由60．03%提高到63．60%，增加3．57百分點。其主要原因為：循環(huán)比降低時，返回焦炭塔內(nèi)進行二次裂化的重質(zhì)烴類減少，從分餾塔分離出的蠟油終餾點提高，從而增加了中間餾分的產(chǎn)率，原料中的氫得到了相對充分的利用。

圖2 循環(huán)比對液體收率的影響

2.2 提高裝置處理量

作為最主要的渣油加工裝置，延遲焦化處理量的進一步提高成為目前迫切需要解決的問題。循環(huán)比對裝置處理量的影響如圖3所示。由圖3可知，循環(huán)比降低時，延遲焦化裝置的渣油處理量有所提高。當循環(huán)比由0．26降至0．22和0．18時，裝置處理量由3 400t/d提高到3 633t/d和3 867t/d。據(jù)統(tǒng)計，洛陽分公司2010年較2009年裝置渣油處理量提高約30%。

圖3 循環(huán)比對裝置處理量的影響

2.3 降低裝置能耗

延遲焦化裝置綜合能耗主要包括燃料氣、3．5MPa蒸汽、電、循環(huán)水、除鹽水等。表1為操作條件基本相同的情況下，循環(huán)比對焦化裝置綜合能耗的影響。由表1可以看出，循環(huán)比的降低有利于焦化裝置綜合能耗的降低，循環(huán)比由0．35降到0．15后，裝置能耗由1 425．38MJ/t降低到840．6MJ/t，節(jié)約能耗約41．03%。

通過對表1中不同循環(huán)比下裝置用燃料氣、3．5MPa蒸汽、循環(huán)水等具體物質(zhì)能耗分析可知，燃料氣消耗是影響焦化裝置能耗指標的關(guān)鍵因素，隨著循環(huán)比的降低，燃料氣消耗呈明顯下降趨勢。其主要原因為：在加熱爐總進料量一定的條件下，循環(huán)比的降低，提高了裝置的新鮮渣油加工能力，而燃料氣消耗增量相對較小，使焦化裝置達到滿負荷最優(yōu)化生產(chǎn)。

表1 循環(huán)比對裝置能耗的影響 MJ/t

3 低循環(huán)比操作的問題

3.1 焦化加熱爐爐管結(jié)焦

加熱爐爐管結(jié)焦狀況與原料在爐管內(nèi)的流動狀態(tài)有密切關(guān)系。工程流體輸送大多屬于紊流，在焦化加熱爐爐管中，靠近管壁處存在著一個薄層，被稱為黏性底層，黏性底層之外的液流統(tǒng)稱為紊流核心。

和紊流核心相比，紊流底層中的流體沿管軸方向做平滑運動，每層流體之間只存在著分子熱運動引起的分子動量交換和熱量交換，不存在流體微團的無規(guī)則脈動，因此，紊流底層內(nèi)的傳質(zhì)、傳熱阻力較大，具有較大的濃度梯度和溫度梯度。對于焦化加熱爐來說，當紊流核心的渣油溫度一定時，紊流底層厚度的增加會導致傳熱效果不好，靠近管壁的渣油溫度升高，進而有利于石油焦前體的加速形成。又由于傳質(zhì)阻力較大，致使紊流底層內(nèi)石油焦前體濃度較大，進而集聚分相，導致加熱爐爐管結(jié)焦。循環(huán)油性質(zhì)與渣油相比，飽和烴含量較多，約為渣油中飽和烴含量的2．5～3．0倍。循環(huán)油的加入較大程度地提高了渣油的流動性，能夠減緩加熱爐結(jié)焦，因此，為了確保裝置長周期平穩(wěn)運行，大多數(shù)同類焦化裝置采用0．2～0．4的循環(huán)比。

圖4為2010年1—10月間洛陽分公司焦化加熱爐第二路爐管表面三處測溫點數(shù)據(jù)隨時間的變化。隨著加熱爐運行時間的延長，加熱爐爐管結(jié)焦逐步加重，熱量傳遞阻力增加，爐管表面溫度呈上升趨勢。但是，6月份和9月份加熱爐爐管表面溫度與上個月相比下降了10～20℃，其主要原因為渣油組成變化所引起的渣油輕質(zhì)化和流動性的增強，如表2所示。以5月份與6月份渣油數(shù)據(jù)分析為例，與5月份渣油組成相比，6月份的渣油中飽和烴含量增大了7．0百分點，而相對黏度較高的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分含量降低了6．6百分點，因而導致6月份渣油黏度較5月份低618．77mm2/s，在渣油密度近似的情況下，6月份渣油雷諾準數(shù)增大，紊流底層厚度減小，從而加速了紊流底層內(nèi)的傳質(zhì)、傳熱，并最終表現(xiàn)為爐管表面溫度下降。同時表2所示的爐管壓降減小進一步為上述分析提供了依據(jù)。

由此可見，較好的渣油流動性，減緩了加熱爐爐管的結(jié)焦，主要表現(xiàn)為爐管表面溫度的降低。隨著循環(huán)比的降低，加熱爐進料變重，在爐管內(nèi)形成的紊流底層變厚，對加熱爐爐管結(jié)焦的影響更為明顯。因此，低循環(huán)比操作下，原料性質(zhì)的小幅波動將對加熱爐的平穩(wěn)操作造成影響。

圖4 2010年1—10月加熱爐第二路爐管表面三處測溫點數(shù)據(jù)分析■—測溫點1；●—測溫點2；▲—測溫點3

表2 渣油性質(zhì)與第二路爐管壓差

3.2 分餾塔塔底結(jié)焦

分餾塔底結(jié)焦的成因一般認為有以下幾種：一是在分餾塔塔底的高溫條件下，造成塔底循環(huán)油繼續(xù)縮合反應而結(jié)焦；二是反應系統(tǒng)（焦炭塔）泡沫層攜帶的焦粉進入分餾塔后，以其中細小焦粉顆粒為“焦核”中心的塔底循環(huán)油結(jié)焦；三是焦炭塔的泡沫冒頂，這種情況在生產(chǎn)中是應當避免的，這將導致裝置很快停工。

循環(huán)比的降低，使分餾塔塔底循環(huán)油回煉量減少，塔底液位上升，為了保持分餾塔塔底的物料平衡，需要降低循環(huán)油上回流量，使蒸發(fā)段溫度升高，更多的重組分將向上轉(zhuǎn)移。此時，循環(huán)油上回流量減少，而循環(huán)油下回流為了維持分餾塔塔底的溫度，流量變化不大，因此分餾塔塔底循環(huán)油的流動減弱，最終導致“焦核”積聚結(jié)焦。

同時，循環(huán)油上回流和重蠟油下回流量的減少，對分餾塔底部人字塔板的沖洗作用減弱，易造成人字塔板結(jié)焦，對分餾塔的平穩(wěn)操作造成較大影響。

自2010年洛陽分公司焦化裝置實施低循環(huán)比操作以來，分餾塔塔底循環(huán)油流動減弱，分餾塔底部焦粉增多，引起機泵抽空、流量計失靈、調(diào)節(jié)閥堵塞等。例如：2010年6月分餾塔底部循環(huán)油泵多次抽空，循環(huán)油流量大幅波動；2011年1月18日，循環(huán)油下回流流量計引壓線堵塞，造成流量計長期失靈；2011年2月19日，循環(huán)油上回流長期處于低流量狀態(tài)，造成上回流調(diào)節(jié)閥堵塞。

3.3 機泵損壞，換熱器負荷增大

焦化裝置實施低循環(huán)比操作后，各側(cè)線抽出物流中的焦粉含量也相應增加，導致各機泵入口過濾器經(jīng)常堵塞。小顆粒焦粉容易進入泵體和管線閥門，一方面容易造成閥門關(guān)不嚴；另一方面會造成泵體內(nèi)部波紋管處結(jié)焦，封油沖洗不進去，導致機封泄漏。

循環(huán)比的降低大幅度提高了焦化柴油和焦化蠟油的產(chǎn)量。分餾塔熱量向上轉(zhuǎn)移，為了保證分餾塔的正常取熱，蠟油、中段油、柴油側(cè)線回流全開，致使各側(cè)線換熱器以及機泵處于滿負荷運行。由于負荷增大，焦化柴油和焦化蠟油抽出流量增加，調(diào)節(jié)閥全開而集油箱液位持高不下，有時為降低集油箱液位，需要開產(chǎn)品出裝置調(diào)節(jié)閥副線。以焦化蠟油為例，不同循環(huán)比下焦化蠟油的出裝置量變化如表3所示，當循環(huán)比由0．35降至0．12時，焦化蠟油出裝置量增加15．87t/h，焦化蠟油出裝置調(diào)節(jié)閥經(jīng)常開副線外送。

表3 循環(huán)比對焦化蠟油出裝置量的影響

4 措 施

4.1 監(jiān)控原料性質(zhì)及時調(diào)節(jié)循環(huán)比

在焦化裝置界區(qū)內(nèi)冷熱渣油混合處安裝了在線密度儀，用于監(jiān)測進裝置渣油的密度，防止出現(xiàn)渣油性質(zhì)大幅度變化而沒有及時發(fā)現(xiàn)，造成加熱爐爐管結(jié)焦、生成彈丸焦等事故的情況。

低循環(huán)比操作下，渣油性質(zhì)的變化對加熱爐爐管的影響更為明顯，一旦在線密度儀顯示渣油變重，操作人員可立即提高循環(huán)比，適當增大加熱爐注汽量，破壞渣油在爐管內(nèi)表面所形成的層流流動，強化石油焦前體的無規(guī)則脈動，減緩爐管結(jié)焦；此外，可通過降低焦炭塔壓力來進一步提高渣油流速，減薄邊界層厚度。當渣油性質(zhì)好轉(zhuǎn)時，可相應降低循環(huán)比，達到增加液體收率、提高裝置處理量的目的，使焦化加熱爐始終處于最優(yōu)化運行狀態(tài)。

4.2 優(yōu)化取熱，加大循環(huán)油量，減緩結(jié)焦

對于低循環(huán)比操作下分餾塔底部及分餾塔人字塔板結(jié)焦傾向增大的問題，可通過降低循環(huán)油－渣油換熱器取熱量，提高換熱后循環(huán)油返塔溫度，加大循環(huán)油上回流量，增強對分餾塔底部“人字塔板”的沖洗，以維持分餾塔蒸發(fā)段溫度的平穩(wěn)和分餾塔底部的物料平衡。此外，循環(huán)油上、下回流量增大，加強了分餾塔底部循環(huán)油的流動性，達到了防止分餾塔底部結(jié)焦的目的，確保了分餾系統(tǒng)的平穩(wěn)操作。

4.3 提前操作，平衡物料

焦化裝置屬于間歇－連續(xù)生產(chǎn)，工況多變、操作頻繁。洛陽分公司焦化裝置采用“一爐兩塔”流程，焦炭塔的任何操作都會對后路造成較大的影響。在低循環(huán)比操作時，要熟悉焦炭塔操作的不同階段各物料的能量變化，做到統(tǒng)籌全局、提前進行操作，防止各參數(shù)大幅波動。

在焦炭塔小吹汽初期，新塔中渣油熱反應生成的油氣較少，同時焦炭塔頂部油氣溫度會瞬間降低，如果不及時調(diào)整分餾操作，將會較大程度地影響產(chǎn)品質(zhì)量，此時需要在小吹汽之前將各集液箱液位高控，降低各側(cè)線回流量及出裝置產(chǎn)品量，維持分餾塔的物料平衡。

在焦炭塔小吹汽后期，生產(chǎn)塔頂部溫度和分餾塔進料溫度恢復到正常值，加上處理塔小吹汽攜帶的油氣進入分餾塔，分餾塔油氣量增大，側(cè)線集液箱液位快速上升，這時可根據(jù)蒸發(fā)段的溫度上升快慢，逐步加大蠟油、柴油外送量，提前拉低集液箱液位。

在焦炭塔大吹汽時，處理塔頂部油氣由進分餾塔改進放空塔。處理塔中蒸汽攜帶的油氣去接觸冷卻塔，進分餾塔的油氣量瞬間降低，各側(cè)線集液箱的液位快速下降。在改大吹汽之前，現(xiàn)場操作要平穩(wěn)，室內(nèi)調(diào)節(jié)要及時，并且在大吹汽之前，把蠟油、柴油的液位高控，保證分餾塔的操作平穩(wěn)。

4.4 對循環(huán)油出裝置流程進行改造

低循環(huán)比或零循環(huán)比操作條件下，需要外甩的分流塔塔底循環(huán)油量增多，循環(huán)油的后路問題成為制約分餾塔平穩(wěn)操作的關(guān)鍵因素。洛陽分公司焦化裝置循環(huán)油的后路去向為污油罐，但由于污油罐接收焦炭塔預熱和大吹汽攜帶來的污油，負荷較大，因此無法投用。鑒于循環(huán)油的組分與重蠟油的組分相似，在循環(huán)油和渣油換熱器之后，增加一個循環(huán)油并入蠟油一起出裝置的流程，分餾系統(tǒng)攜帶焦粉、原料渣油換熱終溫低、換熱器和機泵等設備超溫超負荷、分餾塔底部液位高等問題都能迎刃而解。

低循環(huán)比操作下，分餾塔塔底循環(huán)油的外甩解決了分餾塔塔底液位高的問題。此時可增大循環(huán)油上回流量，增強對人字擋板上焦粉的洗滌；循環(huán)油取熱量增多，提高了循環(huán)油和渣油換熱器的換熱效果，原料油的換熱終溫提高，加熱爐燃料氣的單耗相對減?。谎h(huán)油系統(tǒng)取熱量增大，降低了分餾塔上部的負荷，減少了換熱器的超溫、機泵的超負荷現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

（1）洛陽分公司延遲焦化裝置采用低循環(huán)比操作后，提高了液體產(chǎn)品收率，增加了焦化裝置渣油加工能力，同時降低了裝置的綜合能耗，但存在加熱爐結(jié)焦傾向增大、分餾塔塔底結(jié)焦、設備超負荷運行等問題。

（2）通過渣油進裝置在線密度儀實時檢測原料性質(zhì)變化，根據(jù)原料性質(zhì)變化及時調(diào)整循環(huán)比和加熱爐爐管注汽量等，可改變渣油在爐管內(nèi)的流動狀態(tài)，避免加熱爐爐管結(jié)焦。

（3）通過優(yōu)化分餾塔塔底換熱流程，增大循環(huán)油流動性，可以減緩分餾塔底部結(jié)焦。

（4）在小吹汽、大吹汽等階段對分餾塔提前操作，可減弱低循環(huán)比操作對分餾塔的影響。

（5）通過增加循環(huán)油并入蠟油出裝置流程，可解決低循環(huán)比操作下分餾塔塔底循環(huán)油去向問題，增大分餾塔平穩(wěn)操作的靈活性。

［1］ 陳奎．延遲焦化裝置技術(shù)改造方案的選擇［J］．石油化工設計，2006，23（2）：27-30

［2］ 王航空，肖知俊，成林，等．稠油延遲焦化裝置提高汽油柴油收率的措施［J］．煉油技術(shù)與工程，2009，39（3）：21-23

［3］ 侯芙生．發(fā)揮延遲焦化在深度加工中的作用［J］．當代石油石化，2006，14（2）：3-12

［4］ 翟志清，楊志強．摻煉塔河油減渣對延遲焦化裝置長周期運行的影響和措施［J］．河南化工，2006，26（7）：51-54

［5］ 郭書濤．焦化爐Cr5Mo爐管高溫損傷和剩余壽命預測［D］．杭州：浙江工業(yè)大學，2008