延遲焦化裝置焦粉攜帶問題研究

李西春 東營聯(lián)合石化有限責(zé)任公司 東營 257000

延遲焦化是減壓渣油首先在加熱爐中吸收熱量，再在焦炭塔內(nèi)發(fā)生深度裂解和縮合反應(yīng)，最后被轉(zhuǎn)化為氣體、汽油、柴油、蠟油和焦炭的熱加工過程[1]。渣油被加熱到焦化反應(yīng)溫度之后，迅速進(jìn)入焦炭塔內(nèi)進(jìn)行焦化反應(yīng)。渣油在焦炭塔進(jìn)行反應(yīng)的過程中，通常沿其高度分為3個(gè)主要區(qū)域，下部是焦炭層，中部是高黏度的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)(就是通常所說的泡沫層)，泡沫層上部為油氣層。當(dāng)焦炭塔內(nèi)的焦層達(dá)到一定的高度時(shí)，焦粉就會(huì)進(jìn)入分餾塔并對(duì)后續(xù)生產(chǎn)造成困擾，即發(fā)生焦粉攜帶問題。焦粉進(jìn)入到下一個(gè)環(huán)節(jié)，會(huì)給整個(gè)生產(chǎn)工藝帶來不利的影響：輕則使汽油加氫、柴油加氫或者加氫裂化工藝原料過濾器反沖洗頻繁，造成生產(chǎn)波動(dòng)，并產(chǎn)生大量含油污水，增加企業(yè)生產(chǎn)成本；重則使焦粉進(jìn)入到汽油加氫、柴油加氫或者加氫裂化工藝，產(chǎn)生以下不良影響：①堵塞換熱器的通道，影響換熱效果，增加能耗，嚴(yán)重時(shí)需進(jìn)行清堵處理，影響裝置長周期運(yùn)行；②沉積在催化劑的表面，引起催化劑中毒，降低催化劑使用壽命。

本文將首先分析延遲焦化裝置焦粉攜帶的原因，然后從工藝和設(shè)備角度分別提出焦粉攜帶的控制措施。

1 焦粉攜帶原因

發(fā)生焦粉夾帶進(jìn)入分餾塔的兩個(gè)最基本條件：① 油氣具備足夠的線速;② 泡沫層具有足夠的厚度。油氣的線速越大，它能夾帶的焦粉顆粒粒徑就越大，夾帶的焦粉量也越多；泡沫層的高度越高，焦炭塔上部的氣相空間也就越小，即通常所說的“空高”越小，油氣夾帶的焦粉也就越多[ 2 ]。焦粉攜帶原因列舉如下：

(1)焦炭塔料位過高

近幾年，原油來源多樣化、原料品質(zhì)日趨劣質(zhì)化，使得焦化生焦率不穩(wěn)定，造成焦炭塔內(nèi)料位不穩(wěn)定。料位過低，不能充分利用焦炭塔的容積，影響裝置能力；料位過高，則可能出現(xiàn)焦粉夾帶進(jìn)入分餾塔的風(fēng)險(xiǎn)，影響裝置的安全生產(chǎn)。

(2)吹汽量過大

焦炭塔換塔后，老塔進(jìn)行冷焦處理，此時(shí)塔內(nèi)仍在繼續(xù)發(fā)生裂解和縮合反應(yīng)。因此，焦層上方存在一定高度的泡沫層和軟焦層，若吹汽量過大，會(huì)大幅提升油氣線速，進(jìn)而出現(xiàn)焦粉夾帶現(xiàn)象。

(3)焦炭塔壓力低

焦炭塔塔頂壓力的平穩(wěn)是抑制焦粉夾帶的重要影響因素之一。操作壓力降低，使產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物體積膨脹，促使油氣線速突然增加，同時(shí)會(huì)使泡沫層的厚度上升，兩者的突然變化，很容易引起焦粉夾帶事件發(fā)生。而加熱爐出口溫度、焦炭塔塔頂溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)大小以及系統(tǒng)壓力等都會(huì)影響塔頂壓力。

(4)爐管注汽量過大

為減緩爐管結(jié)焦，國內(nèi)通常采用對(duì)爐管注汽或注水的方法來提高原料油在爐管內(nèi)的流速，以縮短爐管內(nèi)停留時(shí)間，減少結(jié)焦機(jī)會(huì)。但注汽量越大，焦炭塔內(nèi)油氣線速也就越大，也就越容易發(fā)生焦粉夾帶現(xiàn)象。

(5)預(yù)熱時(shí)間縮短

焦炭塔是間歇操作的設(shè)備，在切塔前都要進(jìn)行預(yù)熱。一般情況下，油氣預(yù)熱時(shí)間控制在4～6h。大多數(shù)煉廠通常采取縮短生焦周期的方法實(shí)現(xiàn)提高處理量的目的，不可避免地對(duì)焦炭塔操作程序進(jìn)行調(diào)整，在此過程中，油氣預(yù)熱時(shí)間就很有可能被縮減。據(jù)調(diào)研，一些煉廠的預(yù)熱時(shí)間甚至縮減到3h。這種加快預(yù)熱的操作方法嚴(yán)重加劇了焦粉夾帶的程度，有時(shí)甚至?xí)鹨淮涡源罅拷狗蹔A帶的發(fā)生。這是因?yàn)榻固克a(chǎn)塔的塔頂壓力大約在0.15MPa左右，而預(yù)熱塔的塔頂壓力要經(jīng)歷一個(gè)逐步升壓的過程，其初始?jí)毫σ话阍?.05MPa左右，因此，大幅度的調(diào)整將引起兩塔塔頂壓力的大幅波動(dòng)，加劇上層焦粉的擾動(dòng)，也就加重了焦粉夾帶問題。

(6)其他因素

焦化裝置在生產(chǎn)操作過程中，對(duì)焦炭塔內(nèi)油氣線速和泡沫層厚度有直接或間接影響的因素很多，如原料性質(zhì)、處理量、加熱爐口溫度、輕重污油回?zé)捔亢唾|(zhì)量、分餾塔洗鹽操作及富氣壓縮機(jī)的運(yùn)行工況等，這些因素都能在一定程度上影響焦炭塔的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致焦粉夾帶進(jìn)入分餾塔的發(fā)生。

2 焦粉攜帶控制措施

針對(duì)焦粉攜帶問題產(chǎn)生的原因，本文從工藝和設(shè)備角度提出了焦粉攜帶控制措施，列舉如下：

2.1 工藝角度

本文以某公司230萬t/a延遲焦化裝置的運(yùn)行為例，從以下幾方面提出了工藝控制焦粉攜帶措施。

(1)消泡劑品種的選擇及注入控制：向焦炭塔內(nèi)注入消泡劑不僅可以抑制泡沫層厚度、提高焦炭塔有效容積率和防止焦粉夾帶，而且能夠起到改善焦化汽柴油質(zhì)量、減少焦炭中起泡含量、提高焦炭機(jī)械強(qiáng)度和電導(dǎo)、減少過熱結(jié)垢、延長裝置連續(xù)生產(chǎn)周期的作用。同時(shí)，該方法具有簡單易行和成本低廉的特點(diǎn)，因此，被國內(nèi)外大多數(shù)焦化裝置所采用。但消泡劑的消泡效果受其品種、注入位置、注入量和注入時(shí)間的影響，應(yīng)針對(duì)不同原料性質(zhì)確定消泡劑品種，消泡劑注入量應(yīng)根據(jù)焦炭塔料位及時(shí)調(diào)整，并制定專門消泡劑調(diào)整方案。

(2)焦炭塔空高的控制：行業(yè)內(nèi)焦炭塔空高控制在13m左右，為了控制焦炭塔空高，車間采取了如下措施：① 原料殘?zhí)靠刂?20.5%；② 加工量控制單爐不超3300t/d，兩爐不超6571t/d；③ 車間制定空高15m報(bào)警值，空高15m時(shí)反應(yīng)主操聯(lián)系車間管理人員，調(diào)整原料殘?zhí)炕蚪档图庸ち?；?根據(jù)焦炭塔的中子料位計(jì)及時(shí)調(diào)整加工量和切四通時(shí)間，焦炭塔第二個(gè)料位計(jì)見料位后，增加預(yù)熱速度,一個(gè)小時(shí)內(nèi)切四通，若達(dá)不到條件，則申請(qǐng)降低加工量。

(3)切四通操作：小給汽流量控制，設(shè)計(jì)焦炭塔小給汽流量為4.2t/h，現(xiàn)在控制在3.5t/h；焦炭塔生焦后期和切四通后改放空塔前的時(shí)間段內(nèi)，避免使用污油做急冷油，避免焦炭塔壓力波動(dòng)和焦粉帶入分餾塔內(nèi)；壓縮機(jī)ccc控制系統(tǒng)手動(dòng)控制時(shí)，提前調(diào)整，控制分餾塔壓力波動(dòng)范圍不超0.015MPa；切四通前焦炭塔預(yù)熱溫度塔底≥330℃，塔頂溫度≥380℃；在小給汽和改放空階段，底循上返塔流量控制平穩(wěn)，嚴(yán)禁降低底循上返塔流量，保證油氣洗滌效果。

(4)焦炭塔壓力控制：焦炭塔壓力控制，是通過壓縮機(jī)ccc控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)分餾塔壓力實(shí)現(xiàn)的，壓縮機(jī)ccc控制系統(tǒng)手動(dòng)控制時(shí)，提前調(diào)整，控制分餾塔壓力波動(dòng)范圍不超0.015MPa，ccc控制系統(tǒng)即使手動(dòng)調(diào)節(jié)也比傳統(tǒng)505控制系統(tǒng)更加平穩(wěn)。

(5)爐管注汽量：爐管注汽是為了保證爐管線速，減緩爐管結(jié)焦趨勢(shì)，注汽量通過控制爐管出入口壓差和對(duì)流室入口壓力進(jìn)行調(diào)整，控制爐管出入口壓差≥0.75MPa，對(duì)流室入口壓力≥1.05MPa，現(xiàn)在每個(gè)加熱爐注汽量為1.5～1.6t/h，設(shè)計(jì)值為1.6t/h，爐管注汽在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

(6) 焦炭塔預(yù)熱速度：焦炭塔預(yù)熱時(shí)間都在6h左右，滿足一般要求的4～6h，不存在預(yù)熱過快情況。

(7) 其他控制因素：蠟油做焦炭塔急冷油時(shí)，使用熱蠟油，增加急冷油對(duì)焦粉的洗滌流量；爐出口溫度控制在495℃，滿足設(shè)計(jì)要求；油氣放空閥和進(jìn)料隔斷閥注汽采用間斷注入；循環(huán)比按照設(shè)計(jì)的0.2～0.4進(jìn)行控制。

2.2 設(shè)備角度

通過對(duì)同行業(yè)相同裝置調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前通過延遲焦化裝置設(shè)備改造以減少焦粉攜帶問題的方案分為兩類。一類是分餾塔內(nèi)改造(增加分餾塔噴淋設(shè)施)；一類是分餾塔外改造(增加預(yù)過濾器或在罐區(qū)沉降等)。

(1)分餾塔內(nèi)改造

分餾塔內(nèi)改造措施主要為增加分餾塔噴淋設(shè)施。本文以?？剖筒厥癁槔f明分餾塔內(nèi)改造的效果。

海科石化在未進(jìn)行改造前，不能進(jìn)行直供操作。分餾塔內(nèi)改造(增加分餾塔噴淋設(shè)施)后焦化汽柴油和常減壓混合柴油可直供加氫，加氫過濾器每班反沖洗2次左右。

昌邑石化在焦化裝置分餾塔內(nèi)增加洗滌設(shè)施后，直供加氫仍然帶焦粉嚴(yán)重，將加氫反沖洗過濾器由25μm改為50μm的過濾精度后，加氫過濾器反沖洗頻次明顯降低，每天強(qiáng)制反沖洗一次。

昌邑石化和?？剖瘜?duì)分餾塔增加噴淋洗滌設(shè)施后均反映效果不太理想，對(duì)人員操作要求和加工負(fù)荷要求較高，操作彈性降低，且增加的洗滌設(shè)施會(huì)出現(xiàn)堵塞噴嘴的情況，整個(gè)運(yùn)行周期(2年)內(nèi)會(huì)有不同程度結(jié)焦情況，結(jié)焦后不能進(jìn)行在線處理，影響裝置提高負(fù)荷和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。因此，建議分餾塔內(nèi)改造(增加分餾塔噴淋設(shè)施)需進(jìn)行考察論證、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)后方可進(jìn)行。

(2)分餾塔外改造

分餾塔外改造的措施主要包括增加預(yù)過濾器、在罐區(qū)沉降等，配合加氫精制裝置混合原料反沖洗過濾器。采取分餾塔外改造的案例如下：

①增加預(yù)過濾器，焦化汽柴油直供加氫精制

河北鑫?；ぴ诮够裼蜎]有實(shí)現(xiàn)直供加氫的情況下，在焦化出裝置前增加了一臺(tái)40μm預(yù)過濾器，準(zhǔn)備直供。揚(yáng)子石化和荊門石化在焦化裝置汽柴油出裝置前增加一套自動(dòng)反沖洗過濾器，過濾精度50μm，焦化汽柴油直供加氫精制，同時(shí)加氫精制裝置設(shè)置混合原料反沖洗過濾器，過濾精度25 μm，每4～8h反沖洗一次。

②在罐區(qū)沉降，焦化汽柴油不直供加氫精制

新海石化、玉皇盛世、京博石化、東明石化目前均采取了將焦化汽柴油在罐區(qū)沉降的措施，沉降后再進(jìn)加氫精制裝置混合原料反沖洗過濾器，運(yùn)行良好。但在罐區(qū)沉降會(huì)增加裝置能耗和投資，不利于熱聯(lián)合節(jié)能，以前述裝置為例說明如下：

能耗增加量計(jì)算如下：按照加氫110%負(fù)荷計(jì)算，焦化汽柴油不直供，進(jìn)入罐區(qū)沉降，則需增加熱量為110%×190萬t/a×(125-50℃)× 2.2MJ/(t·℃)=3.4485×108MJ/a，需消耗加熱蒸汽量為3.4485×108MJ/a /(2837MJ/t)=12萬t/a(3.5MPa飽和蒸汽)，電耗相對(duì)于蒸汽忽略不計(jì)。

另外，在罐區(qū)沉降可以降低污油回?zé)捔?每天38t)，由于其量小不考慮污油熱量損失和電耗。

在罐區(qū)沉降也會(huì)增加裝置投資，需要單獨(dú)設(shè)置一個(gè)沉降罐，按照24h沉降計(jì)算，罐容至少需要3000m3。

綜上所述，兩類設(shè)備改造方案相比，分餾塔內(nèi)部改造(增加分餾塔噴淋設(shè)施)效果不樂觀，分餾塔外部改造(增加預(yù)過濾器或在罐區(qū)沉降等)效果明顯。而分餾塔外部改造方案中，增加預(yù)過濾器(焦化汽柴油直供下游加氫精制裝置)與在罐區(qū)沉降(焦化汽柴油不直供下游加氫精制裝置)相比，可節(jié)約能耗、減少投資、降低企業(yè)加工成本，具有較大優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語

延遲焦化裝置焦粉攜帶問題嚴(yán)重影響下游裝置平穩(wěn)運(yùn)行，焦粉進(jìn)入后續(xù)加工環(huán)節(jié)，會(huì)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝造成不利影響。本文通過詳細(xì)分析焦粉攜帶原因，從工藝和設(shè)備角度提出了焦粉攜帶控制措施。

(1)工藝方面：本文以某230萬t/a延遲焦化裝置的運(yùn)行為例，從消泡劑品種的選擇及注入控制、焦炭塔空高的控制、切四通操作、焦炭塔壓力控制、爐管注汽量、焦炭塔預(yù)熱速度等方面提出了工藝控制焦粉攜帶措施。

(2)設(shè)備方面：提出了兩類延遲焦化裝置設(shè)備改造方案以減少焦粉攜帶問題，同時(shí)針對(duì)不同改造方案，以同行業(yè)實(shí)際應(yīng)用情況分別說明了其改造效果。結(jié)果表明，分餾塔外改造中增加預(yù)過濾器方案(焦化汽柴油直供下游加氫精制裝置)與其余設(shè)備改造方案相比，具有較大優(yōu)勢(shì)。