焦炭塔晃動(dòng)和焦粉攜帶原因分析及處理措施

高權(quán)坤，楊靖(山東昌邑石化有限公司，山東 濰坊 261300)

0 引言

延遲焦化裝置是重質(zhì)油輕質(zhì)化的重要手段，由于其具有投資成本低、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到廣泛推廣。隨著原料性質(zhì)的不斷惡化，原有的工藝參數(shù)和設(shè)備不能滿足原料加工的要求，要根據(jù)原料性質(zhì)的變化，不斷進(jìn)行技術(shù)改造和優(yōu)化操作。延遲焦化裝置在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了一些問題，影響裝置正常運(yùn)行，值得各企業(yè)關(guān)注。延遲焦化裝置原料在高溫下反應(yīng)生成NH3、HCl等反應(yīng)產(chǎn)物，NH3和HCl溶于水形成NH4Cl溶液，分餾塔塔頂析出的銨鹽與焦粉等混合結(jié)垢，造成分餾塔壓降增大，影響正常操作[1-2]。隨著減壓渣油性質(zhì)變重，以及回?zé)挼拇呋蜐{攜帶催化劑固體顆粒，加快了加熱爐爐管結(jié)焦，造成能耗損失，加熱爐效率下降[3]。

近期公司延遲焦化裝置出現(xiàn)焦炭塔晃動(dòng)，對(duì)裝置的安全生產(chǎn)構(gòu)成了威脅，對(duì)原料的性質(zhì)和工藝參數(shù)等方面進(jìn)行了原因分析，并針對(duì)問題采取有效的處理措施，解決了焦炭塔晃動(dòng)問題。在檢修過程中發(fā)現(xiàn)大油氣線和分餾塔內(nèi)部結(jié)焦問題，進(jìn)行了原因分析，提出了降低焦粉攜帶問題的處理措施，為裝置開工后長(zhǎng)周期運(yùn)行提供了方法指導(dǎo)。根據(jù)原料性質(zhì)的變化，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，加強(qiáng)裝置日常精細(xì)化操作，避免此類問題的發(fā)生。

1 延遲焦化裝置工藝原理

公司的延遲焦化裝置是由荊門煉化工程設(shè)計(jì)有限公司設(shè)計(jì)，加工處理量為100萬噸/年，原料主要為減壓渣油，同時(shí)摻煉3%～8%的催化油漿，采用“一爐雙塔”工藝流程。延遲焦化裝置包括三大部分：焦化部分、吸收穩(wěn)定部分和脫硫部分。焦化部分包括加熱爐區(qū)、焦碳塔區(qū)、分餾區(qū)、放空區(qū)、冷切焦水處理區(qū)、水力除焦和石油焦裝車區(qū)。延遲焦化裝置的工藝原理是以渣油等重質(zhì)油為原料，經(jīng)加熱爐加熱到高溫，迅速轉(zhuǎn)移到焦炭塔中進(jìn)行深度熱裂化反應(yīng)，減輕加熱爐管的結(jié)焦程度，焦化過程產(chǎn)生的油氣從焦炭塔頂部進(jìn)入分餾塔底部進(jìn)行分餾，獲得富氣、粗汽油、柴油、蠟油、重蠟油等產(chǎn)品，在焦炭塔底部生產(chǎn)焦炭，經(jīng)除焦系統(tǒng)處理，獲得石油焦。富氣經(jīng)吸收穩(wěn)定裝置脫除液化氣組分，經(jīng)脫硫裝置處理后得到凈化干氣并入燃料氣管網(wǎng)，用作加熱爐燃料；吸收穩(wěn)定裝置穩(wěn)定塔塔頂獲得的液化氣，經(jīng)脫硫裝置處理后，用作氣體分離裝置的原料；粗汽油經(jīng)吸收穩(wěn)定裝置脫除輕組分后得到穩(wěn)定汽油，將其與柴油混合在一起作為汽柴油加氫裝置的原料；一部分蠟油作為焦炭塔頂急冷油，維持反應(yīng)油氣溫度和減少焦粉攜帶，一部分蠟油外送，作為催化裂化裝置的原料；重蠟油抽出作為回流，可緩和汽油、柴油及蠟油夾帶焦粉的現(xiàn)象，可以控制輕蠟油抽出的質(zhì)量。

2 延遲焦化裝置焦炭塔晃動(dòng)原因分析及處理措施

2.1 焦炭塔晃動(dòng)原因分析

根據(jù)延遲焦化裝置工藝原理可知，焦炭塔是高溫油氣反應(yīng)和焦炭生成的場(chǎng)所，焦炭塔的穩(wěn)定操作至關(guān)重要。近期焦炭塔出現(xiàn)晃動(dòng)，造成焦炭塔塔底的地腳螺栓松動(dòng)，對(duì)裝置的安全生產(chǎn)構(gòu)成了威脅，通過降溫降量等手段緩解了焦炭塔晃動(dòng)，優(yōu)化工藝參數(shù)調(diào)整，避免晃動(dòng)進(jìn)一步加劇，造成安全生產(chǎn)事故。

彈丸焦的形成是焦炭塔晃動(dòng)的主要原因，而焦化原料性質(zhì)是形成彈丸焦的內(nèi)在因素，瀝青質(zhì)含量高的原料容易形成彈丸焦[4-5]?？梢酝ㄟ^NB/SH/T 0509—2010《石油瀝青四組分測(cè)定法》測(cè)定焦化原料中的飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，根據(jù)瀝青質(zhì)的含量指導(dǎo)生產(chǎn)。焦炭塔內(nèi)氣體速度也是造成塔晃動(dòng)的原因之一，氣體速度越大，對(duì)焦炭塔的沖擊力越大，越容易造成焦炭塔晃動(dòng)[5]。影響氣體速度的因素有原料性質(zhì)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、循環(huán)比、加熱爐注汽量等，通過調(diào)整這些參數(shù)，將焦炭塔內(nèi)氣體速度維持在合適的范圍內(nèi)，保證焦炭塔穩(wěn)定操作。

對(duì)常減壓裝置來的減壓渣油的餾程進(jìn)行了分析，初餾點(diǎn)為243 ℃，510 ℃對(duì)應(yīng)的餾出量為10%，說明減壓渣油中輕組分較多，對(duì)焦炭塔的沖擊力較大，這可能是造成延遲焦化裝置焦炭塔晃動(dòng)的根本原因。

2.2 焦炭塔晃動(dòng)處理措施

延遲焦化裝置焦炭塔出現(xiàn)晃動(dòng)后，采用降溫降量的方法調(diào)整，避免焦炭塔大幅晃動(dòng)，但這是以降低加工量為代價(jià)，為了保障焦化裝置在平穩(wěn)生產(chǎn)的前提下滿負(fù)荷運(yùn)行，調(diào)整了原料性質(zhì)，優(yōu)化了分餾塔-加熱爐-焦炭塔操作。

焦化原料性質(zhì)越輕，對(duì)焦炭塔的沖擊力越大，通過控制常減壓裝置減壓塔和催化裂化裝置分餾塔操作，加大渣油和催化油漿拔出深度，降低輕組分含量；焦化原料中瀝青質(zhì)較高時(shí)，可以通過加大分餾塔的循環(huán)比，抑制彈丸焦的形成。增大循環(huán)比會(huì)降低延遲焦化裝置加工量，在保證焦炭塔穩(wěn)定操作的前提下，盡量采用較低的循環(huán)比，一般循環(huán)比要維持在0.1～0.5區(qū)間范圍內(nèi)。

反應(yīng)溫度越高，焦炭塔內(nèi)油氣反應(yīng)速度越快，氣體速度越大，對(duì)焦炭塔的沖擊力越大，越有利于彈丸礁的形成，越容易發(fā)生焦炭塔晃動(dòng)問題，因此要嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度。但反應(yīng)溫度不是越低越好，較低的反應(yīng)溫度會(huì)造成油氣反應(yīng)不徹底，出現(xiàn)粘油，堵塞出焦口，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，一般控制反應(yīng)溫度在485～500 ℃范圍內(nèi)。

較高的壓力能抑制彈丸礁的形成，但較高的壓力會(huì)降低液體收率，影響經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對(duì)焦化裝置設(shè)備材質(zhì)要求也越高，控制指標(biāo)一般不大于0.23 MPa，但一般不把壓力作為調(diào)節(jié)焦炭塔操作的手段?？刂坪眉訜釥t注汽量，在保證加熱爐管不結(jié)焦的前提下，盡量減少蒸汽的用量，避免注汽量過大，氣體速度增大，造成焦炭塔壓力波動(dòng)，甚至焦炭塔晃動(dòng)。

通過對(duì)以上各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，消除了焦炭塔晃動(dòng)隱患，加工量也恢復(fù)到滿負(fù)荷水平。要加強(qiáng)日常巡檢，監(jiān)控好焦炭塔塔底地腳螺栓松動(dòng)情況，以及油氣管線的支吊架起作用情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修復(fù)，保障焦炭塔的穩(wěn)定操作。

3 焦粉攜帶原因分析及處理措施

3.1 焦粉攜帶原因分析

在檢修期間，發(fā)現(xiàn)延遲焦化裝置大油氣線和分餾塔內(nèi)部結(jié)焦，焦層較厚。大油氣線結(jié)焦，使得油氣進(jìn)入分餾塔的通道變窄，增大了焦炭塔壓力，影響液體收率和裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行；分餾塔內(nèi)部結(jié)焦，塔底焦粉較多，焦粉隨塔底油進(jìn)入加熱爐、焦炭塔，造成管線和設(shè)備的磨損等問題，部分焦粉進(jìn)入干氣、液化氣、汽油、柴油等產(chǎn)品中，對(duì)下游裝置的運(yùn)行造成很大的危害。焦粉隨干氣和液化氣進(jìn)入脫硫裝置，加快設(shè)備腐蝕，會(huì)堵塞過濾器造成壓降增大，還會(huì)造成脫硫劑發(fā)泡，影響脫硫效果。干氣含硫較高，經(jīng)加熱爐燃燒后排放的尾氣二氧化硫超標(biāo)；液化氣含硫較高，經(jīng)氣體分離裝置得到的產(chǎn)品硫含量不合格。焦粉隨汽油和柴油進(jìn)入汽柴油加氫裝置，加快設(shè)備磨損，嚴(yán)重的情況下焦粉進(jìn)入加氫反應(yīng)器，積聚在催化劑表面，造成壓降增加，嚴(yán)重影響裝置的安全運(yùn)行。焦粉攜帶會(huì)造成裝置的多個(gè)位置結(jié)焦，因此清焦工作強(qiáng)度很大，影響裝置運(yùn)行時(shí)間，必然影響裝置的加工量。

延遲焦化裝置整體上說屬于連續(xù)操作裝置，但對(duì)于焦炭塔來說，屬于間歇操作生產(chǎn)工藝，按照24 h生焦周期操作。焦炭塔工序包括趕空氣、試壓、預(yù)熱、換塔、小吹氣、放空、大吹氣、給水、放水、除焦等，各工序操作不當(dāng)，會(huì)造成焦炭塔壓力波動(dòng)，塔內(nèi)氣體速度變化，出現(xiàn)焦粉攜帶問題。除了焦炭塔工序影響焦粉攜帶以外，生產(chǎn)過程中各工藝參數(shù)的控制也是重要的影響因素。焦炭塔油氣氣體速度較快和安全空高不足，會(huì)造成油氣攜帶反應(yīng)不完全的泡沫層內(nèi)的焦粉進(jìn)入大油氣線以及分餾塔[6-7]。焦粉攜帶是焦化裝置普遍存在的問題，減少焦粉攜帶的關(guān)鍵是加強(qiáng)日常精細(xì)化操作，保障裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

3.2 焦粉攜帶處理措施

殘?zhí)恐凳茄舆t焦化裝置結(jié)焦傾向的指標(biāo)，焦炭產(chǎn)率一般為原料殘?zhí)恐档?.5～2.0倍[8]，利用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17144—2021《石油產(chǎn)品 殘?zhí)康臏y(cè)定 微量法》測(cè)定原料的殘?zhí)恐担茰y(cè)出焦炭的收率，用于指導(dǎo)焦炭塔的切塔時(shí)間。

要平穩(wěn)操作每一道焦炭塔工序，尤其是預(yù)熱階段和小吹氣階段。預(yù)熱階段，要維持老塔壓力穩(wěn)定，不能出現(xiàn)壓力大幅度降低，造成油氣氣體速度增加，造成攜帶焦粉；小吹汽階段，蒸汽速度過快，會(huì)攜帶焦粉進(jìn)入油氣大線和分餾塔，對(duì)管線和設(shè)備造成損壞，因此要控制注入焦炭塔的蒸汽速度。

在較高的反應(yīng)溫度下，油氣在焦炭塔內(nèi)的反應(yīng)深度大，可以有效降低泡沫層高度，但反應(yīng)溫度過高，同時(shí)也增加了氣體速度，造成更多的焦粉攜帶量，因此需要合適的反應(yīng)溫度。在較高的壓力下，能降低焦炭塔內(nèi)油氣氣體速度，抑制焦粉攜帶，但較高的壓力會(huì)降低液體收率，影響經(jīng)濟(jì)效益，一般不把壓力作為降低焦炭塔焦粉攜帶的調(diào)控手段。

加熱爐注汽量大，抑制了加熱爐管結(jié)焦，但會(huì)造成焦炭塔氣體速度增大，增加焦粉攜帶的機(jī)率，因此加熱爐注汽量要根據(jù)裝置加工量調(diào)控在合適的范圍內(nèi)。

中子料位計(jì)常用于焦炭塔上部、中部、下部的焦炭層高度、泡沫層高度和水層高度的測(cè)量，其工作原理是將中子源與中子管裝在焦炭塔壁的同一個(gè)位置上，利用測(cè)量被測(cè)物含H、C密度的變化來測(cè)得焦炭的高度。中子料位計(jì)指示值小于8%為油 氣，8%～33%為 稀 泡，33%～55%為濃泡，55%～80%為焦炭，80% 以上為水。

利用中子料位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焦炭泡沫層高度和焦炭層高度，泡沫層高度較高時(shí)，要及時(shí)加入適量的消泡劑(消泡劑加入量根據(jù)泡沫層情況進(jìn)行調(diào)整)，降低泡沫層高度，提高焦炭塔利用率。當(dāng)焦炭層高度較高時(shí)，及時(shí)調(diào)整加工量和切塔，避免焦炭塔空高太小，造成焦粉攜帶問題。

延遲焦化裝置以蠟油作為焦炭塔的急冷油，起到維持塔頂溫度和降低焦粉攜帶的作用，根據(jù)焦化裝置加工量，及時(shí)調(diào)整急冷油的加入量，維持塔頂溫度在420 ℃左右。在裝置正常運(yùn)行過程中要保持急冷油不斷注入，嚴(yán)格控制急冷油的溫度和流量，減少發(fā)生焦粉攜帶問題。

通過對(duì)以上各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，減少焦粉攜帶。在裝置運(yùn)行過程中，要加強(qiáng)中控樣品狀態(tài)的觀察，發(fā)現(xiàn)焦粉攜帶問題，要及時(shí)分析焦粉攜帶原因，采用有效的措施進(jìn)行調(diào)整，避免焦粉攜帶問題擴(kuò)大化。

4 結(jié)語

延遲焦化裝置焦炭塔晃動(dòng)對(duì)裝置的生產(chǎn)運(yùn)行造成較大的安全隱患，需要從原料性質(zhì)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、循環(huán)比、加熱爐注汽量等因素加以控制，抑制彈丸焦的生成和焦炭塔氣體速度，避免此類事故的發(fā)生。焦粉攜帶會(huì)導(dǎo)致大油氣線和分餾塔結(jié)焦，對(duì)焦炭塔-分餾塔-加熱爐的穩(wěn)定操作和焦化產(chǎn)品下游裝置運(yùn)行造成不利影響，加快管道和設(shè)備的磨損，需要從原料性質(zhì)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、加熱爐注汽量、小吹汽速度、急冷油加入量、消泡劑加入量等參數(shù)著手進(jìn)行調(diào)節(jié)，保障裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

影響延遲焦化裝置焦炭塔晃動(dòng)和焦粉攜帶問題的因素有很多，在調(diào)整時(shí)要綜合考慮不同參數(shù)變化對(duì)這兩類問題的影響。原料性質(zhì)是產(chǎn)生這些問題的內(nèi)在原因，定期做好焦化原料瀝青質(zhì)、殘?zhí)?、餾程和密度的分析工作，為焦化裝置正常生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐，根據(jù)原料的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)。

焦炭塔氣體速度大是造成這兩種問題的外在原因，氣體速度與反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、循環(huán)量等因素有關(guān)。反應(yīng)溫度要控制在合適的范圍內(nèi)，既要防止彈丸焦形成造成焦炭塔晃動(dòng)，也要保證反應(yīng)徹底，防止焦粉攜帶。反應(yīng)壓力較高，可以抑制這兩種問題的發(fā)生，但壓力一般不作為調(diào)整的手段。

要維持合適的循環(huán)量，既要防止彈丸焦形成，同時(shí)保障延遲焦化裝置的加工量。要及時(shí)調(diào)整急冷油的加入量，避免塔頂溫度大幅度波動(dòng)，減少焦粉的攜帶量。泡沫層較高時(shí)，及時(shí)調(diào)整反應(yīng)溫度，加入消泡劑，較低泡沫層高度。

通過這些措施的調(diào)整，避免了焦炭塔出現(xiàn)晃動(dòng)問題，減少焦粉攜帶給裝置運(yùn)行帶來的危害，保障了裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。