焦炭塔無法正常預(yù)熱的原因分析及處置對策

傅鋼強(qiáng)

(中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化公司，浙江 寧波315207)

延遲焦化加工過程是重質(zhì)原油熱轉(zhuǎn)化過程之一，也是一種石油煉制主要加工過程。焦炭塔是延遲焦化裝置的核心設(shè)備，其工作狀況是有規(guī)律的周期性間歇式生產(chǎn)，一個(gè)塔生焦，另一個(gè)冷焦及切焦。切焦后，封閉塔頂、底法蘭蓋，采用蒸汽驅(qū)趕塔內(nèi)空氣并進(jìn)行密封試驗(yàn)，然后引生焦炭塔塔頂?shù)母邷責(zé)嵊蜌鈱π滤M(jìn)行預(yù)熱，油氣自上而下通過焦炭塔進(jìn)入甩油罐或放空塔。待焦炭塔預(yù)熱至一定溫度后，切換四通，將渣油引入新塔進(jìn)行生焦。塔底預(yù)熱充分，焦炭塔的形變小，切換四通后，分餾塔的操作波動(dòng)時(shí)間短，這是保證裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)的關(guān)鍵性指標(biāo)之一。為縮短生焦時(shí)間，提高裝置處理量及提高產(chǎn)生彈丸焦時(shí)的操作安全性，近幾年大部分焦化裝置的焦炭塔都增設(shè)自動(dòng)頂、底蓋機(jī)，并配套焦炭塔的順序控制系統(tǒng)，從而使得焦炭塔運(yùn)行更加安全、可靠、高效。增設(shè)底蓋機(jī)后，有的廠家保留了原有的塔底單進(jìn)料結(jié)構(gòu)，但在投用后，底蓋機(jī)出現(xiàn)了渣油泄漏的情況，采取在現(xiàn)有底蓋機(jī)進(jìn)料短管內(nèi)加裝導(dǎo)流板的方法予以解決[1]。有的廠家增加了一段錐體進(jìn)料短節(jié)，同時(shí)將原焦炭塔渣油進(jìn)料方式由底部中心進(jìn)料改成單側(cè)進(jìn)料，但是單側(cè)進(jìn)料運(yùn)行一段時(shí)間后出焦口與底蓋機(jī)的連接法蘭開始泄漏，并且進(jìn)料短節(jié)開始變形，再將單側(cè)進(jìn)料形式改為雙側(cè)進(jìn)料形式，以避免單側(cè)進(jìn)料導(dǎo)致該部位的受熱不均[2]。雙側(cè)進(jìn)料逐漸成為焦化裝置常見的流程配置方式。

除焦不凈造成大量焦炭堆積在焦炭塔底部以及雙進(jìn)料管線其中一路管線結(jié)焦是焦炭塔無法正常預(yù)熱最常見的兩種原因。

1 除焦操作不當(dāng)影響預(yù)熱

1.1 判斷方法

焦炭塔除焦結(jié)束后，試壓、放瓦斯預(yù)熱，按照常規(guī)溫度變化趨勢，在1～1.5 h會(huì)有一波快速升溫，焦炭塔塔底溫度從140 ℃快速上升至230 ℃左右，如果過了2 h焦炭塔底部溫度仍在150 ℃以下，可以初步判斷預(yù)熱已經(jīng)不正常。

在檢查確認(rèn)流程是否正確后，一般的處置方法是立即暫停預(yù)熱，重新用蒸汽吹掃進(jìn)料線。從給汽流量和焦炭塔塔頂壓力上升情況可以判斷塔底進(jìn)料流程是否通暢。半小時(shí)后蒸汽吹掃，然后繼續(xù)預(yù)熱，如果預(yù)熱塔底部溫度仍未上升，一般情況就是除焦操作不當(dāng)，在預(yù)熱時(shí)，塔壁有較多數(shù)量的焦炭脫落，堆疊在底部進(jìn)料口，形成“單向閥”效應(yīng)，蒸汽頂入時(shí)流程通暢，油氣反方向流動(dòng)時(shí)，焦炭堵塞進(jìn)料口導(dǎo)致無法預(yù)熱。

1.2 直接緩慢切換四通的風(fēng)險(xiǎn)識別

焦炭塔已經(jīng)全部充滿油氣，并帶有部分水蒸氣介質(zhì)。如果開底蓋機(jī)放出底部的焦粉，那大量的油氣進(jìn)入切焦水池，顯然污染環(huán)境和水質(zhì)，大量可燃介質(zhì)放出還有燃燒爆炸的巨大風(fēng)險(xiǎn)。

爐子出口介質(zhì)壓力比蒸汽壓力高，能順利進(jìn)入焦炭塔，但如果不預(yù)熱，直接切換四通，全部進(jìn)料進(jìn)入冷塔，可能造成冷塔內(nèi)水汽大量揮發(fā)，進(jìn)入分餾塔。而油氣用于預(yù)熱，進(jìn)入分餾塔的量大幅減少，打亂分餾塔操作，焦炭塔升溫過快，形變過大，造成連接法蘭泄漏。為防止切換時(shí)爐子出口憋壓，四通閥設(shè)計(jì)了中間位置停留點(diǎn)，為直接逐步切換四通，底進(jìn)料油緩慢預(yù)熱處理創(chuàng)造了條件。

1.3 直接切換四通操作方案

(1)四通閥的操作。

緩慢將四通從生焦塔切換至冷塔方向，當(dāng)四通閥停留在中間位置時(shí)，兩個(gè)焦炭塔處于同時(shí)進(jìn)料模式。依據(jù)四通閥前壓力控制情況，切四通時(shí)間持續(xù)3 h左右，開始時(shí)間為13∶00，四通閥的開度設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 四通閥開度設(shè)計(jì)

在四通切換過程中，四通閥前壓力隨焦2切至焦1的開度逐漸增大而升高，在四通閥開度55%～60%時(shí)，有一壓力峰值，而后隨四通閥開大而逐漸降低。

(2)焦炭塔操作

隨著進(jìn)料線暢通，焦炭塔塔頂溫度隨后緩慢升高，蒸出存水。至15∶00塔頂溫度達(dá)到185 ℃，此時(shí)焦炭塔塔頂?shù)膲毫?.05 MPa，在該壓力下水的沸點(diǎn)為130 ℃，可以認(rèn)為焦炭塔內(nèi)已基本無明水。15∶20塔頂溫度升高至305 ℃，焦炭塔塔頂大油氣閥稍開5%，緩慢關(guān)焦炭塔塔頂油氣至放空閥門，將焦炭塔塔頂油氣逐漸改至分餾，15∶35—16∶00，冷焦塔塔頂壓力逐漸下降至與生產(chǎn)塔平衡，油氣至分餾流程全開。

在四通切換過程中，塔壁溫度緩慢上升，直至大油氣線后路動(dòng)改前，冷塔壓力未發(fā)生大幅升高，說明無塔內(nèi)存水的突沸情況出現(xiàn)。為防止長時(shí)間低流量引起生產(chǎn)塔進(jìn)料線結(jié)焦及生焦孔道堵塞，生產(chǎn)塔短節(jié)吹掃蒸汽在四通閥剛動(dòng)作時(shí)稍開，后隨四通閥開度逐漸開大。

由于生產(chǎn)塔內(nèi)泡沫焦高度已逐漸接近安全高度，消泡劑開至最大量，降低泡沫層高度。關(guān)注第三點(diǎn)中子料位計(jì)上升情況，至四通切換前，控制生產(chǎn)塔最高點(diǎn)中子料位計(jì)在20%以下。

(3)分餾系統(tǒng)操作

在切換四通過程中，分餾塔塔底的熱量隨冷焦塔較低溫度油氣的改進(jìn)而逐漸降低，分餾塔塔底油氣溫度最低降至351 ℃，塔底渣油抽出溫度降至257 ℃。較低溫度油氣改入后1 h內(nèi)，分餾塔各側(cè)線抽出量均大幅減小，在蠟油循環(huán)上表現(xiàn)尤為明顯。壓縮機(jī)入口因干氣量降低，需補(bǔ)入適量高壓瓦斯以維持壓縮機(jī)運(yùn)行在喘振線外。約1 h后油氣逐漸增加。

由于進(jìn)料量降低及四通切換過程中改進(jìn)焦炭塔較低溫度的油氣，分餾塔熱量不足，蠟油不平衡，分餾塔蠟油噴流量大幅降低，蠟油噴淋作改蒸汽準(zhǔn)備。另外，裝置內(nèi)部分機(jī)泵及閥門采用蠟油作封油，蠟油量不足，導(dǎo)致封油使用存在缺口，嚴(yán)重時(shí)需外引蠟油作為封油以維持設(shè)備運(yùn)行。

(4)加熱爐操作

不斷提高加工量，由于負(fù)荷較低，油氣產(chǎn)出量少，原料換熱系統(tǒng)變化大，換熱終溫低，造成加熱爐負(fù)荷較高。由于分餾塔塔底溫度下降過快，爐子波動(dòng)較大，導(dǎo)致爐管表面溫度升高較快。同時(shí)，為了保證進(jìn)料足夠的生焦溫度，加熱爐出口溫度提高至500～505 ℃，以降低泡沫焦高度，以及為預(yù)熱提供充足熱量。

1.4 預(yù)防除焦對預(yù)熱的干擾

對自動(dòng)除焦系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。目前煉廠普遍采用水力除焦程序包括鉆具位置模擬顯示技術(shù)、絞車無級調(diào)速變頻技術(shù)、高壓水泵的啟動(dòng)條件和緊急停車聯(lián)鎖等[3]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，又逐步發(fā)展到遠(yuǎn)程自動(dòng)除焦。在使用過程中，由于原料性質(zhì)的變化帶來焦炭硬度的變化，除焦不徹底，在預(yù)熱階段由于塔發(fā)生熱形變而剝落。

對遠(yuǎn)程自動(dòng)除焦的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)增加了除焦的時(shí)間和切焦的間距，以充分保證除焦的效果。

2 進(jìn)料線結(jié)焦影響預(yù)熱

2.1 判斷方法

當(dāng)雙進(jìn)料的其中一路發(fā)生結(jié)焦時(shí)，會(huì)大幅降低預(yù)熱速度，延長預(yù)熱時(shí)間。結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)，正常預(yù)熱期間焦炭塔塔底溫度難以達(dá)到280 ℃，需頻繁減小焦炭塔塔頂進(jìn)分餾系統(tǒng)油氣總閥開度，以保證預(yù)熱效果。

當(dāng)焦炭塔塔底進(jìn)料線內(nèi)部結(jié)焦后，無法直觀觀察到結(jié)焦情況。除了預(yù)熱速度的下降，同樣還有其他手段輔助來判斷預(yù)熱速度下降是管線結(jié)焦的原因還是除焦不當(dāng)導(dǎo)致焦粉堆積塔口影響所致。

(1)通過生產(chǎn)時(shí)爐出口壓力判斷。焦炭塔切換四通后，對比兩個(gè)不同的焦炭塔進(jìn)料，可以看到四通閥前的加熱爐出口壓力有明顯增加。

(2)通過給水操作判斷。冷焦給水時(shí)，在焦炭塔塔底蓋機(jī)附近可以聽到管線節(jié)流產(chǎn)生嗚咽的聲音，結(jié)焦越嚴(yán)重，嗚咽的聲音越大。相同的給水控制閥閥位，即相同的給水閥后壓力，給水量下降30～50 t/h，意味著壓差增加，進(jìn)料管線結(jié)焦。

2.2 底進(jìn)料線清焦方案

通過調(diào)整生焦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，爭取檢修時(shí)間，在冷焦結(jié)束后，脫開底進(jìn)料管線的塔口法蘭和三通連接，使用高壓水槍清洗。塔底進(jìn)料的管線和法蘭示意見圖1。

圖1 焦炭塔塔底雙進(jìn)料管線示意

為了盡量縮短清洗對生焦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的影響，提前對底進(jìn)料線架子搭設(shè)，在給水冷焦時(shí)就對進(jìn)料管線上法蘭螺栓松緊情況逐個(gè)進(jìn)行檢查。在除焦期間，提前拆螺栓至每片法蘭留8顆螺栓。在除焦完成后，將管線外移，錯(cuò)開對接的法蘭口進(jìn)行管線的清焦作業(yè)。

先順著流程從三通處開始高壓水清洗，發(fā)現(xiàn)無法打通出水到焦炭塔底部。接著從與焦炭塔塔底蓋機(jī)相連之處開始清洗，遇到彎頭位置，發(fā)現(xiàn)同樣無法有效徹底清洗管道內(nèi)的結(jié)焦。第一次在清洗3 h后，按照原有的生焦網(wǎng)絡(luò)，就被迫回裝管線，恢復(fù)正常生產(chǎn)；第二次、第三次在提升清洗頭壓力，清洗時(shí)間增加到5 h才徹底完成清洗。

2.3 底進(jìn)料線結(jié)焦原因分析

在裝置停車后開工的初期，爐出口溫度已經(jīng)達(dá)到正常生產(chǎn)時(shí)的495～500 ℃，而加熱爐流量僅有正常生產(chǎn)工況的60%～70%，底進(jìn)料線管內(nèi)流速較低。在雙進(jìn)料管線內(nèi)容易出現(xiàn)偏流，在高溫停留時(shí)間長會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重結(jié)焦。從清焦時(shí)打開的法蘭口來看，順著流程方向的東邊進(jìn)料管線沒有結(jié)焦，而西邊的進(jìn)料管線結(jié)焦嚴(yán)重。

焦炭塔塔底進(jìn)料一般保持水平管線進(jìn)料方式，在焦炭塔放水的時(shí)候，粉焦隨放水進(jìn)入到進(jìn)料線，殘存在管線內(nèi)，尤其是彎頭處的流動(dòng)死角處。為了減少焦粉積聚，在底蓋機(jī)關(guān)上之前，使用蒸汽大流量吹掃底進(jìn)料線。吹掃蒸汽對粉焦吹掃效果較好，但對已生焦的部分焦炭，無法進(jìn)行吹掃，容易出現(xiàn)越來越厚的情況。

2.4 防結(jié)焦設(shè)計(jì)優(yōu)化

為了防止底進(jìn)料線偏流結(jié)焦，可以采取以下措施：

(1)在底進(jìn)料線表面設(shè)置熱電偶，通過熱電偶顯示的溫度監(jiān)控兩邊管線的偏流情況；

(2)根據(jù)熱膨脹的情況，優(yōu)化底進(jìn)料線的配管，可以在分叉前再增加兩個(gè)彎頭，從水平直沖改為水平轉(zhuǎn)向下后均勻分配，或改變原有的對稱結(jié)構(gòu)，增加?xùn)|邊的進(jìn)料管線長度；

(3)在兩側(cè)進(jìn)料線的末端增加切斷閥。增設(shè)切斷閥后，放水通過斜管直接進(jìn)焦池，防止焦粉進(jìn)入水平進(jìn)料線。當(dāng)表面熱電偶出現(xiàn)偏差后，在蒸汽大流量吹掃時(shí)，配合閥門的開關(guān)進(jìn)行單邊吹掃，提高吹掃效果。

3 結(jié)語

焦炭塔是延遲焦化裝置的核心設(shè)備，預(yù)熱的充分程度對焦炭塔的使用壽命、分餾系統(tǒng)的平穩(wěn)操作有決定性的影響。使用自動(dòng)底蓋機(jī)和自動(dòng)除焦系統(tǒng)，逐步規(guī)范了除焦系統(tǒng)的操作，降低了除焦操作人員的工作量，但塔底進(jìn)料線結(jié)焦或堵塞造成的預(yù)熱不正常問題，成為困擾國內(nèi)不少焦化裝置平穩(wěn)運(yùn)行的突出因素。文章結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，提供了處置經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，避免除焦不當(dāng)造成的裝置生產(chǎn)波動(dòng)，甚至非計(jì)劃停工，為底進(jìn)料線的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了思路。