加工重質(zhì)原油延遲焦化裝置設(shè)備和管道結(jié)焦問(wèn)題及改進(jìn)措施

吳振華

(中國(guó)石化塔河煉化有限責(zé)任公司煉油第一作業(yè)部，新疆 庫(kù)車 842000)

1 延遲焦化裝置設(shè)備和管線結(jié)焦

塔河煉化公司2號(hào)焦化裝置設(shè)計(jì)加工能力為2.2 Mt/a，焦化反應(yīng)部分第一期設(shè)計(jì)為“兩爐四塔”，后期改為“三爐六塔”，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 常減壓焦化聯(lián)合裝置簡(jiǎn)易流程示意

加工原料為塔河常壓渣油，設(shè)計(jì)循環(huán)比為0.8，生焦周期30 h，年開(kāi)工時(shí)間8 400 h。塔河原油密度高、硫含量高、黏度大、鹽含量高、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量高、輕組分含量低，焦炭產(chǎn)量高。比如2019年塔河常渣與科威特減渣性質(zhì)比較，殘?zhí)亢肯喈?dāng)，分別是23.1%和23.2%；瀝青質(zhì)相差大，分別是20.3%和12.7%；說(shuō)明塔河焦化原料體系穩(wěn)定性差。加工過(guò)程中容易生焦，影響裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，容易造成大油氣線不暢、隔斷閥和進(jìn)料閥堵塞、塔底過(guò)濾器、底循泵入口管線堵塞等問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)輻射泵抽空、加熱爐聯(lián)鎖、非計(jì)劃停工等事故。因此，有必要分析焦化裝置各部位結(jié)焦原因，采取針對(duì)性的措施減緩結(jié)焦。

分餾塔底進(jìn)料分配器結(jié)焦情況見(jiàn)圖2。輻射進(jìn)料控制閥結(jié)焦情況見(jiàn)圖3。焦化爐管結(jié)焦情況見(jiàn)圖4。分餾塔底過(guò)濾器積存焦炭情況見(jiàn)圖5。結(jié)焦是焦化裝置最大的難題，輻射進(jìn)料控制閥、焦化加熱爐管、焦炭塔大油氣線、油氣隔斷閥、焦化分餾塔底發(fā)生結(jié)焦，嚴(yán)重影響裝置正常平穩(wěn)生產(chǎn)。如果輻射進(jìn)料控制閥結(jié)焦或卡焦，一定需要切輻射控制閥副線，此舉不僅增加工作量，而且存在輻射進(jìn)料控制閥聯(lián)鎖停爐和次生事故的風(fēng)險(xiǎn)。另外四通閥前壓力引壓管堵塞，也會(huì)造成聯(lián)鎖失效。

圖2 分餾塔底進(jìn)料分配器結(jié)焦

圖3 輻射進(jìn)料控制閥結(jié)焦

圖4 焦化爐管結(jié)焦

圖5 分餾塔底過(guò)濾器積存焦炭

2 結(jié)焦原因分析

焦化反應(yīng)機(jī)理[1]見(jiàn)圖6。

圖6 焦化反應(yīng)機(jī)理

焦化反應(yīng)是在高溫條件下熱破壞加工渣油的一種方法，其目的是為了得到石油焦、汽油、輕柴油、裂化餾分油和氣體。焦化過(guò)程是一種分解和縮合的綜合過(guò)程。原料油一般加熱到350 ℃后開(kāi)始熱裂解，分子中最弱的C—C鍵首先斷裂，低分子產(chǎn)品以氣相逸出，而液相中的各自由基則反應(yīng)生成更穩(wěn)定的芳烴或縮合成稠環(huán)芳烴，隨著溫度的升高反應(yīng)加劇，分子量大的縮合產(chǎn)物繼續(xù)脫氫縮合，最后成為焦炭[2]。

2.1 原油性質(zhì)惡劣結(jié)焦傾向高

塔河重質(zhì)原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 塔河重質(zhì)原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1可以看出，塔河重質(zhì)原油的殘?zhí)?、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、金屬含量一直在高位運(yùn)行，原油經(jīng)過(guò)常壓蒸餾后，上述組分會(huì)進(jìn)一步升高，渣油經(jīng)過(guò)高溫反應(yīng)后會(huì)裂解、縮合，芳烴組分?jǐn)嗔芽s合為膠質(zhì)，膠質(zhì)縮合為瀝青質(zhì)，瀝青質(zhì)最終縮聚為焦炭[3]。塔河原油殘?zhí)恐当容^高，會(huì)加劇結(jié)焦傾向；原油中瀝青質(zhì)含量大于膠質(zhì)含量，導(dǎo)致常壓渣油分散性變差，增加結(jié)焦傾向。

塔河原油物料平衡見(jiàn)表2和表3。

表2 常壓物料平衡

表3 焦化物料平衡

相比系統(tǒng)內(nèi)其他煉油廠，塔河原油輕油收率低，焦炭產(chǎn)率高。

2.2 爐出口溫度影響

焦化加熱爐出口溫度是裝置裂解和縮合反應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，爐出口溫度低，反應(yīng)深度低，泡沫層高度增加，泡沫層攜帶大量粉焦至分餾塔引起塔底結(jié)焦，部分粉焦隨輻射進(jìn)料帶入焦化爐管，累積形成結(jié)焦中心。防結(jié)焦的根本途徑在于降低結(jié)焦前體物生成速率，增加結(jié)焦前體物脫落速率。一般采取提高爐出口溫度降低泡沫層高度，延緩分餾塔底部結(jié)焦。但是爐出口溫度控制過(guò)高，或晃電停電造成加熱爐進(jìn)料中斷，導(dǎo)致?tīng)t管表面溫度過(guò)高，反應(yīng)深度加大，物料提前裂解縮合，也造成爐管嚴(yán)重結(jié)焦。因此，要延緩爐管結(jié)焦，從流動(dòng)層面，需要改善流動(dòng)效果，使?fàn)t管內(nèi)流體的溫度、速度和濃度分布均勻，縮短流體在爐管內(nèi)的停留時(shí)間；從反應(yīng)層面，需要降低爐管內(nèi)的反應(yīng)深度。

2.3 分餾塔底溫度過(guò)高

焦化分餾塔底溫度過(guò)高，達(dá)到渣油結(jié)焦溫度，容易引起塔底結(jié)焦，進(jìn)而堵塞分餾塔底過(guò)濾器，如果切換不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輻射泵抽空、加熱爐聯(lián)鎖熄爐等事故。近年來(lái)塔河常渣殘?zhí)吭?3%以上，瀝青質(zhì)在20%以上，比同類裝置的減渣性質(zhì)還要差，體系穩(wěn)定性差，在加工過(guò)程中極易生焦。根據(jù)研究塔河常渣在360 ℃時(shí)開(kāi)始生焦，同類裝置減渣380 ℃生焦，在綜合考慮物料平衡、輕質(zhì)油收率、產(chǎn)品質(zhì)量等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)前提下，需要降低分餾塔底溫度。

2.4 焦炭塔氣速偏高

焦炭塔氣速主要受焦化爐管注汽影響，本裝置焦化爐管注汽為三點(diǎn)注汽，分別在對(duì)流室入口、輻射室入口、輻射室出口。盡管多點(diǎn)注汽能延緩渣油在爐管結(jié)焦，但注汽量過(guò)小，造成渣油流速降低，在爐管內(nèi)停留時(shí)間增加，渣油裂解縮合反應(yīng)增加，裝置輕收增加，爐管內(nèi)生焦增加。爐管注汽過(guò)大導(dǎo)致焦炭塔氣速過(guò)高，使焦炭塔內(nèi)生成的焦粉攜帶至大油氣線,造成管線結(jié)焦、閥門卡澀；焦粉還會(huì)帶入焦化分餾塔，造成塔盤堵塞，塔底結(jié)焦。老塔小吹汽時(shí)，蒸汽用量過(guò)大，也會(huì)造成氣速過(guò)高，泡沫焦由大油氣線帶入分餾塔[4]。

2.5 生焦高度過(guò)高

焦炭塔的安全空高一般控制不小于3 m，泡沫層高度一般在6 m左右，焦炭塔的安全生焦高度為焦炭塔的切線高度減去安全空高和泡沫層高度。如果焦層高度超過(guò)焦炭塔的安全空高，泡沫層中焦粉被油氣攜帶至油氣線及分餾塔，容易造成大油氣管線、焦炭塔特閥、分餾塔底等設(shè)備結(jié)焦。

2.6 循環(huán)比過(guò)小

循環(huán)比是延遲焦化裝置重要操作參數(shù)，該參數(shù)決定焦化原料性質(zhì)的好壞，對(duì)裝置負(fù)荷、能耗水平、產(chǎn)品分布、產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。塔河原油性質(zhì)惡劣，容易結(jié)焦，焦化設(shè)計(jì)采用0.8大循環(huán)比。曾經(jīng)為降低能耗，將循環(huán)比降低至0.75，結(jié)果導(dǎo)致分餾塔底部嚴(yán)重結(jié)焦。循環(huán)比恢復(fù)到0.8，結(jié)焦趨勢(shì)減緩。

2.7 消泡劑注入不當(dāng)

焦炭塔泡沫層中的焦粉與油形成穩(wěn)定的表面張力，消泡劑具有低表面張力、分散性好的特點(diǎn)。當(dāng)消泡劑高速、垂直注在泡沫層表面時(shí)，原來(lái)穩(wěn)定的表面被破壞，泡沫層中的焦粉與油氣沉降分離。裝置負(fù)荷變化或生焦周期調(diào)整時(shí)，如果注入消泡劑量偏小，或注入時(shí)間過(guò)遲，就不能有效降低泡沫層高度，從而引發(fā)相關(guān)設(shè)備結(jié)焦。

2.8 急冷油注入方式不合理

為防止焦炭塔油氣線結(jié)焦，在焦炭塔頂大油氣線上注入急冷油(一般為蠟油)，控制油氣出塔溫度在420 ℃以下。急冷油還有洗滌焦炭塔油氣和防止焦粉經(jīng)油氣攜帶去分餾塔的作用。如果急冷油注入點(diǎn)距離焦炭塔頂油氣出口過(guò)遠(yuǎn)，就只能降低注入點(diǎn)后的油氣溫度;而注入點(diǎn)以前的溫度很高，容易造成蠟油中的重組分二次裂解結(jié)焦。

2.9 回?zé)捨塾陀绊?/h3>

由于原油性質(zhì)惡劣，電脫鹽切水產(chǎn)生較多污油，且雜質(zhì)較多、性質(zhì)復(fù)雜，一般采取沉降脫水后進(jìn)電脫鹽回?zé)捇蚣訙孛撍鳛榻够崩溆突責(zé)?。急冷油回?zé)捨塾蜁r(shí)，如果流量、溫度和壓力等控制措施不到位，就容易造成油氣隔斷閥結(jié)焦卡澀，造成換塔時(shí)間延遲等。

3 改進(jìn)措施

3.1 加強(qiáng)原料監(jiān)控

日常生產(chǎn)過(guò)程要密切監(jiān)控原料性質(zhì)變化，如渣油密度、殘?zhí)?、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、四組分和鹽含量等指標(biāo)，跟蹤對(duì)比設(shè)計(jì)和工藝指標(biāo)變化。原料性質(zhì)變化時(shí)要及時(shí)調(diào)整操作，保持裝置運(yùn)行參數(shù)平穩(wěn)。尤其是關(guān)注渣油中膠質(zhì)變化，因?yàn)槟z質(zhì)在高溫條件下，容易縮合成瀝青質(zhì)，進(jìn)一步縮合成焦炭。在塔河原油中摻煉少量輕質(zhì)原油，能明顯降低焦炭產(chǎn)率，2019年在裝置做了原油摻輕試驗(yàn)，原油密度變化見(jiàn)圖7，焦化物料平衡見(jiàn)表4。

圖7 順北油摻煉原油密度變化

表4 順北油摻煉焦化物料平衡匯總

摻煉順北原油后，隨著摻煉比例的增加，焦化裝置輕質(zhì)油收率逐步增加，焦炭收率逐步降低。

3.2 控制焦化爐出口及分餾塔底溫度

充分考慮減少泡沫焦、減緩爐管結(jié)焦、降低能耗、提高輕收等多種因素后，2018年以來(lái)，焦化爐出口溫度逐漸由490 ℃降至485 ℃。

其他企業(yè)焦化分餾塔底溫度一般控制在 360 ℃，加工塔河原油，控制塔底溫度越低，結(jié)焦傾向越小。2018年以來(lái)，通過(guò)對(duì)上返塔回流量和蒸發(fā)段溫度控制，逐步將塔底溫度由370 ℃降至350 ℃，延緩了分餾塔底部結(jié)焦，塔底過(guò)濾器清焦周期從3個(gè)月延長(zhǎng)至6個(gè)月。

3.3 控制適宜注汽量

焦化爐管注汽過(guò)大會(huì)導(dǎo)致?tīng)t管氣速增加，甚至超過(guò)設(shè)計(jì)氣速，導(dǎo)致攜帶焦粉能力增加。在處理量增加或降低的工況下，要及時(shí)調(diào)整三點(diǎn)注汽量。注汽量一般隨爐管分支進(jìn)料量的變化而調(diào)整，當(dāng)進(jìn)料量降低時(shí)需要適當(dāng)提高注汽量，以增加爐管內(nèi)介質(zhì)流速，防止結(jié)焦。注汽量設(shè)計(jì)為加熱爐進(jìn)料的1%～3%。適當(dāng)降低特閥汽封蒸汽和老塔小吹汽量，也可降低焦炭塔氣速，減少泡沫焦攜帶[5-6]。2018年以來(lái)，對(duì)爐管注汽進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，注汽總量由550 kg/h降低到450 kg/h，重點(diǎn)降低第三點(diǎn)注汽量，焦炭收率由32.84%降低到 32.61%，爐管表面溫度、燒焦頻次均保持正常。

3.4 合理控制生焦周期

縮短生焦周期能提高裝置處理量，生焦周期長(zhǎng)短決定焦炭塔焦層高度。生產(chǎn)中應(yīng)該根據(jù)裝置加工負(fù)荷大小以及原料性質(zhì)變化，及時(shí)調(diào)整生焦周期控制焦炭塔焦層高度。在焦炭塔切換生產(chǎn)前，必須提前注入消泡劑,從而有效降低焦炭塔泡沫層高度，保證焦炭塔有足夠安全空高，防止泡沫層攜帶。2018年以來(lái)，逐步將生焦周期由36 h調(diào)整到30 h生焦。

3.5 控制適宜循環(huán)比

由于塔河渣油屬于容易結(jié)焦的原料，因此需要采取大循環(huán)比來(lái)平衡好降低能耗、增加負(fù)荷、優(yōu)化產(chǎn)品分布、延長(zhǎng)運(yùn)行周期之間的矛盾。采取大循環(huán)比雖增加一些能耗，但能改善原料性質(zhì)，使原料中瀝青質(zhì)含量降低、芳烴與瀝青質(zhì)的比值增大，有利于抑制焦化爐管結(jié)焦。循環(huán)比增大還能增加焦化爐管流速，減緩爐管結(jié)焦。在控制大循環(huán)比的同時(shí)，合理增加蠟油的內(nèi)回流，既可以防止蠟油箱下部塔盤干板，又加大對(duì)蠟油箱下部焦粉的洗滌作用，延緩蒸發(fā)段以下塔盤結(jié)焦。定期對(duì)塔底循環(huán)泵過(guò)濾器清焦，確保塔底循環(huán)系統(tǒng)正常，通過(guò)循環(huán)攪拌作用消除塔底流動(dòng)死區(qū)，避免塔底焦粉沉積結(jié)焦。2018年以來(lái)，循環(huán)比由0.8逐步提到0.82，塔底過(guò)濾器結(jié)焦情況有所改善。

3.6 控制適宜急冷油注入量

焦炭塔頂注入急冷油控制塔頂溫度，可以減緩油氣在大油氣線內(nèi)結(jié)焦。如果急冷油注入過(guò)小，焦炭塔頂溫過(guò)高，大油氣線的結(jié)焦趨勢(shì)增加；如果急冷油注入過(guò)大，急冷油大量汽化，攜帶高溫油氣增加，使塔頂超溫;因此要控制適宜的急冷油注入量。2018年以來(lái)，控制焦炭塔頂溫度425 ℃時(shí)打入急冷油，控制揮發(fā)線溫度為415±5 ℃。急冷油量控制在15 t/h，性質(zhì)以焦化蠟油為主，2021年計(jì)劃采用5 t/h減一線部分代替焦化蠟油，改善急冷油性質(zhì)，減少急冷油中的重組分二次裂解結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)。

3.7 有效注入消泡劑

注入的消泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 μg/g。2018年以來(lái)，在焦炭塔換塔前，特別是在焦炭塔第二點(diǎn)密度上升之前6 h提前注入消泡劑，使得泡沫層高度下降3 m，有效減少泡沫層攜帶至分餾塔結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)。在裝置負(fù)荷變化和生焦周期調(diào)整后需要及時(shí)調(diào)整消泡劑注入量。

3.8 控制污油回?zé)挷僮?/h3>

急冷油回?zé)捨塾褪侨珡S污油平衡的重要措施，但焦炭塔頂油氣隔斷閥結(jié)焦卡澀與污油回?zé)捗芮邢嚓P(guān)。2018年以來(lái)，重點(diǎn)采取3個(gè)措施：一是油氣隔斷閥開(kāi)關(guān)時(shí)禁止污油回?zé)?二是嚴(yán)格控制污油回?zé)捔?，控制每塔回?zé)捔啃∮? t/h;三是提高油氣隔斷閥吹掃壓力，使其超過(guò)0.6 MPa，盡量縮短污油中雜質(zhì)及結(jié)焦物質(zhì)在閥體停留時(shí)間。關(guān)注分餾塔底壓差變化，及時(shí)切換過(guò)濾器并清焦，防止造成輻射泵抽空等嚴(yán)重后果。

4 結(jié) 論

塔河渣油的特點(diǎn)是膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高，重金屬含量高，極易生焦。大油氣線隔斷閥結(jié)焦卡澀和焦化分餾塔底結(jié)焦,造成頻繁切換塔底過(guò)濾器;焦化爐管結(jié)焦造成在線燒焦頻次增加，這些問(wèn)題都對(duì)裝置長(zhǎng)周期安穩(wěn)運(yùn)行造成影響，并且增加能耗，增加勞動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)采取控制合適的焦化分餾塔底溫度、注汽量、循環(huán)比和生焦周期，有效注入消泡劑，優(yōu)化急冷油注入方式，合理控制焦炭塔污油回?zé)挷僮鞯却胧?，能夠減緩焦化裝置各部位結(jié)焦，為裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行提供保證。