焦化大负荷生产下的设备分析

周梓桐

（中石油云南石化有限公司生产一部 昆明）

一、概述

延迟焦化工艺是目前最深的脱碳工艺过程，也是重质残渣油轻质化最成熟的技术之一。随着国内高硫高酸重质原油加工能力的逐步提高，特别是原油变重变差，导致炼油厂的渣油加工能力不足，轻重原油购买成本的差异、商品渣油及燃料油出厂严重影响了炼油厂的效益，所以多套延迟焦化装置进行了大负荷操作。

炼化延迟焦化设计为每年220万吨（3炉6塔设计），先期实施建设焦化2炉4塔每年140万吨延迟焦化，处理量渣油为166.67 t/h，设计循环比0.8，2014年10月大负荷生产期间焦化单元每天加工渣油221.86 t/h，焦化单元负荷率133.1%。根据实际生产的需要，炼化延迟焦化提高了加工负荷，同时也带来了一些问题。

二、某炼化延迟大负荷生产下设备主要参数分析

1.焦炭塔

焦炭塔是焦化装置的核心设备，焦化的裂解和缩合生焦反应在焦炭塔内进行，焦炭塔是焦化装置的反应器，操作时直接影响到加热炉、分馏塔、吹汽放空塔、冷切焦水系统和焦炭装运系统等。

（1）焦炭塔空塔气速（表1）。

表1 焦炭塔内物料（2炉4塔）

焦炭塔参数：焦炭塔直径9 m；焦炭塔反应压力0.185 MPa；焦炭塔反应温度420℃。

每支焦炭塔的摩尔数：n1=n/2。

每支焦炭塔的体积流量：v=nRT/P。

焦炭塔截面积：S=3.14×R2。

焦炭塔气速：u=v/s。

根据以上参数计算出焦炭塔空塔气速为0.136 m/s。目前关于焦炭塔空塔气速的计算方法存在差异，而且气速也不能过高，部分设计部门采用的焦炭塔极限气速是0.15 m/s。国内同类企业经验气速是0.135 m/s，由于某原油性质决定，某原油设计焦炭塔空塔气速为0.1 m/s，而2014年10月大负荷生产情况下，焦炭塔空塔气速已经超出设计值。特别是在焦炭塔换塔后小吹汽情况下，更容易引起泡沫夹带。

（2）焦炭塔的安全空高。焦炭塔的高度根据焦炭产率、生焦时间、泡沫层高度来确定。在确定焦炭塔高度时应留有一定的安全空高，安全空高一般为塔顶切线离泡沫层顶部的距离，国内设计的焦炭塔一般安全空高≥5 m，泡沫层约为3～5 m，而某焦炭塔顶切线高度为31.8 m，安全空高按照5 m，泡沫层高度按照3 m计算，生焦高度应≤23.8 m，焦化大负荷生产下，空高越大，焦炭塔的利用率越低，但油气在塔内的停留时间延长，有利于泡沫层气泡的破裂，对减少油气线和分馏塔内结焦有利。根据2014年10月焦炭塔焦高趋势图分析，焦炭塔安全空高富裕度很小，泡沫夹带严重。

（3）存在问题。焦炭塔空塔气速过高，安全空高过低引起泡沫夹带严重，从而造成分馏塔有堵塞现象。

2.分馏塔

（1）循环比。从目前国内焦化生产情况看，原油性质逐年恶化，原油评价数据2013年1月残炭15.7%，沥青质13.1%，2014年1月残炭16.3%，沥青质14.9%，密度呈上升趋势，焦化装置加工原料性质越来越重质化和劣质化（高沥青质原料），采用较小的循环比操作时，焦炭塔不同程度的出现了弹丸焦的倾向，引起焦炭塔振动以及弹丸焦处理和分馏塔下部结焦等问题，严重影响了装置的安全和长周期稳定生产。

(3)打开本地电脑中的参数文件后，点击图23所示的“写入数据记录”按钮，系统即图24所示的进入写入记录过程中。

2014年10月大负荷生产期间，某炼化延迟焦化车间每天处理量在8700 t，在此负荷下，由于焦化炉负荷的限制，焦化循环比约为0.62，2009年1#某炼化延迟焦化装置进行了标定，循环比最低可以控制在0.58（只运行1天），而当循环比降至0.58时，压力开始慢慢上升，直至8 h以后，压力开始加速上升和急剧波动，有生成弹丸焦的迹象和倾向。在加热炉辐射出口压力出现急剧波动后停止标定，根据原油性质变化情况来看，循环比0.62已经是极限（设计循环比0.8）。

（2）存在问题。在大负荷生产情况下，循环比控制较低，辐射油性质变差，辐射油沥青质含量较高，分馏塔底过滤器和辐射泵入口过滤器堵塞严重。

3.加热炉

加热炉是整个装置的核心单元设备，决定了操作周期与经济效益。在提高装置加工能力方面，为确保加热炉的安全运行，应关注加热炉的质量流量、辐射炉管外壁温度、平均热强度等几方面问题

（1）焦化加热炉质量流速。为了避免由于炉管内介质的质量流速过大而引起加热炉热负荷不足，应控制炉管内质量流速每秒＜1800 kg/m2，由于某原油性质决定，2#焦化质量流速设计每秒1500 kg/m2。

根据焦化单元循环比0.65，常压渣油221.86 t/h，焦化炉管外径114.3 mm，壁厚10 mm进行计算，焦化炉质量流速为每秒1820.918 kg/m2，炉管内介质的质量流速过大而引起加热炉热负荷不足或炉管的表面热强度过大而引起炉管结焦。

（2）辐射炉管外壁温度。管焦的导热系数很小，实验测得仅为钢管导热系数的1/10，炉管结焦是导致操作后期炉管外壁温度升高或损坏的根本原因。提量后，结焦前体物生成速率势必增加，要想确保相同的结焦速率，必须提高结焦前体物的脱落速率。

需要说明的是，尽管出口处介质温度最高，最高油膜温度不一定在出口处，特别是燃烧不正常，导致火焰舔管，造成炉管表面局部热强度大的时候，火焰舔管处油膜温度反而最高。

进行提高加工能力操作时，由于2#焦化加热炉材料为T9，加热炉炉膛温度控制在≤800℃，管壁温度≤630℃，同类装置炉膛温度控制在≤840℃，管壁温度≤650℃，这主要是由炉管材质和原料性质决定，合理控制加热炉炉管的平均热强度，避免炉管由于局部过热出现过早结焦、表面氧化爆皮、渗碳等现象。

（3）存在问题。相对常减压-焦化装置而言，提高加工能力后，由于脱盐设备的不配套，普遍存在装置辐射炉管的结焦（结盐）问题。

四、防范措施

（1）降低小吹汽流量，减少油气的焦粉夹带。建议适当降低小吹汽流量，小吹汽量控制在2.5 t/h。

（2）急冷油、消泡剂在焦炭塔切换后延迟30 min切换。

（3）焦化炉注汽量与焦化原料量之比≥1.5%，保持炉管内合适的介质流速及升温速率，避免炉管结焦，使产品分布更为合理。

（4）炉管内质量流速范围控制在每秒≤1650 kg/m2。

（5）焦炭塔安全空高＜9 m时，缩短生焦周期，生焦周期由30 h更改为24 h。

（6）根据原油性质变化，2#焦化循环比设防值0.65，焦化加工量每天应控制在4432.8 t（2炉4塔）。

以上防范措施，应尽可能的满足。超负荷运行时，应根据设计值及设计富裕度选择合适的装置负荷，并制定详细方案进行。

五、建议

国内各个焦化装置都对提高处理量进行了尝试，若实施不当会对装置构成严重影响。因此建议采取以下措施来确保安全生产。

1.加热炉

为了避免因炉管内介质的质量流速过大而引起加热炉热负荷不足，应控制炉管内质量流速每秒≤1800 kg/m2。合理控制加热炉管表面平均热强度、油膜温度等参数，避免炉管由于局部过热或油膜温度过高（＞530℃）出现结焦、表面氧化等现象。建议加热炉炉膛温度控制在≤820℃，且炉膛各点温度检测值之差≤30℃，炉管外壁温度≤600℃（Cr5Mo材料）或≤650℃（Cr9Mo材料）。保持炉管内合适的介质流速及升温速率，避免炉管结焦，使产品分布更为合理，应确保加热炉注汽（水）量与焦化原料量之比＞1.5%。辐射出口温度控制在490～502℃，避免由于反应温度过低或过高而降低装置的经济性或使生产周期缩短。为了使提高加工能力与节能有效结合起来，加热炉在操作中应控制：排烟温度≤170℃，排烟CO含量≤100×10-6，出对流氧含量≤5%，炉体外壁温度≤80℃，确保加热炉运行热效率≥90%。在确保加热炉稳定运行的同时，尽量避免硫腐蚀对设备造成的损坏，燃料系统应保持压力≥0.3 MPa，H2S含量≤20×10-6。

管理方面要通过加强现场巡检、进一步完善加热炉运行监控手段（增加壁温检测点、红外测温仪定期检测等），确保加热炉始终处于正常燃烧状态，避免非正常燃烧状态导致介质结焦速率激增，造成炉管损坏。

2.焦炭塔

加强消泡剂的优选，降低泡沫层高度。泡沫层高度一般是3～6 m，当向焦炭塔内注入消泡剂后，泡沫层的高度应减少30%～50%，在关注消泡剂运行效果的同时，尽量选择低硅或无硅型，使用含硅消泡剂时，建议加氢装置增设补硅催化剂，以延长催化剂的使用寿命。

适当降低小吹汽流量，减少油气的焦粉夹带，避免油气线及分馏塔底部高温部位的结焦。焦炭塔切换前安全空高较低，小吹汽初期焦炭塔内空塔气速较高，易造成油气中夹带大量焦粉，建议适当降低小吹汽流量。建议急冷油、消泡剂在焦炭塔切换后延迟30 min切换，降低油气线及分馏塔高温部位的结焦倾向。装置提高处理量后，焦炭塔切换前空高较低，小吹汽初期焦炭塔内空塔气速较高，且油气温度较高，焦炭塔内泡沫层仍然存在，所以，建议焦炭塔切换30 min后停注急冷油和消泡剂，以降低高温油气及泡沫层对高温部位的结焦影响。

利用肉眼检查、着色渗透检查、断面激光遥控系统等检测技术，或采用组合手段等加强焦炭塔的检测。通过上述方法进行的在线检测，既便于确定焦炭塔变化情况及变形速率，还可根据这些信息确定修补对策，保证装置的安全生产。

定期对焦炭塔的寿命进行评估，以确保装置的安全生产。由专门的评估单位采用科学的分析方法，对焦炭塔的寿命进行评估，通过分析和检测的结果，发现并改变影响焦炭塔损伤的过程和操作方法，以达到延长焦炭塔使用寿命及消除隐患的目的。

完善焦炭塔料位监控系统，及时了解塔内的生焦高度，避免泡沫层冲塔。有条件时应对料位监测点数过少、且不能实现连续监测料位计系统进行升级，补充监测点数＞3点，且最顶部应为连续性料位计。

3.分馏塔

建议对分馏塔底循、辐射过滤器采用双阀切断，由于介质含焦粉，切断阀尽可能竖立安装，确保设备的安全切除。

合理控制分馏塔顶温度，避免结盐。国内大部分焦化分馏塔顶（顶循段）都有不同程度的结盐，加工负荷提高后情况更加明显。从炼厂运行经验来看，适当提高分馏塔顶温度至120℃以上，会改善结盐状况。同时要增加分馏塔顶部水洗流程，在不停工的条件下，能够进行结盐水洗操作。

为了避免重蜡油集油箱结焦而影响分馏塔操作，应注重蜡油集油箱的操作调整。对于采用原料进分馏塔的焦化工艺技术，在降低循环比操作时，会造成含有易结焦成分的夹带，进而上升到重蜡集油箱，长期操作会造集油箱结焦堵死，重蜡油不能抽出，加剧分馏塔的结焦，影响装置的正常生产。建议采取控制重蜡油集油箱温度365℃和适当提高循环比的办法来解决这一问题。

4.其他方面（吸收稳定、气压机、除焦系统）

（1）建立设备特护制度，尤其是除焦设备，确保不会因为设备故障影响装置安全运行。应成立专门的设备维护班组（倒班班组），确保及时处理设备故障。

（2）做好除焦前的各项准备和确认工作，根据焦层高度等情况控制好除焦速度，工艺、设备等管理人员除制定好生产网络外，还要要求操作人员、除焦人员对网络节点的执行进行确认，确保装置的安全生产。

（3）加强腐蚀检测。加工过程产生的活性硫对设备的腐蚀非常严重，为保证装置安全运行，一定要加强设备、管线的定期检测和高温部位的巡检，同时密切关注低温部位的工艺防腐效果。

建议新建焦炭塔采用提高材料（15CrMoR或更高材料）等级、改进裙座形式（采用整体锻造技术等）等手段，以提高操作可靠性和延长焦炭塔疲劳寿命。