延迟焦化装置焦粉携带问题研究

2021-01-07李西春东营联合石化有限责任公司东营257000

化工设计 2021年5期

李西春东营联合石化有限责任公司东营 257000

延迟焦化是减压渣油首先在加热炉中吸收热量，再在焦炭塔内发生深度裂解和缩合反应，最后被转化为气体、汽油、柴油、蜡油和焦炭的热加工过程[1]。渣油被加热到焦化反应温度之后，迅速进入焦炭塔内进行焦化反应。渣油在焦炭塔进行反应的过程中，通常沿其高度分为3个主要区域，下部是焦炭层，中部是高黏度的沥青质和胶质(就是通常所说的泡沫层)，泡沫层上部为油气层。当焦炭塔内的焦层达到一定的高度时，焦粉就会进入分馏塔并对后续生产造成困扰，即发生焦粉携带问题。焦粉进入到下一个环节，会给整个生产工艺带来不利的影响：轻则使汽油加氢、柴油加氢或者加氢裂化工艺原料过滤器反冲洗频繁，造成生产波动，并产生大量含油污水，增加企业生产成本；重则使焦粉进入到汽油加氢、柴油加氢或者加氢裂化工艺，产生以下不良影响：①堵塞换热器的通道，影响换热效果，增加能耗，严重时需进行清堵处理，影响装置长周期运行；②沉积在催化剂的表面，引起催化剂中毒，降低催化剂使用寿命。

本文将首先分析延迟焦化装置焦粉携带的原因，然后从工艺和设备角度分别提出焦粉携带的控制措施。

1 焦粉携带原因

发生焦粉夹带进入分馏塔的两个最基本条件：① 油气具备足够的线速;② 泡沫层具有足够的厚度。油气的线速越大，它能夹带的焦粉颗粒粒径就越大，夹带的焦粉量也越多；泡沫层的高度越高，焦炭塔上部的气相空间也就越小，即通常所说的“空高”越小，油气夹带的焦粉也就越多[ 2 ]。焦粉携带原因列举如下：

(1)焦炭塔料位过高

近几年，原油来源多样化、原料品质日趋劣质化，使得焦化生焦率不稳定，造成焦炭塔内料位不稳定。料位过低，不能充分利用焦炭塔的容积，影响装置能力；料位过高，则可能出现焦粉夹带进入分馏塔的风险，影响装置的安全生产。

(2)吹汽量过大

焦炭塔换塔后，老塔进行冷焦处理，此时塔内仍在继续发生裂解和缩合反应。因此，焦层上方存在一定高度的泡沫层和软焦层，若吹汽量过大，会大幅提升油气线速，进而出现焦粉夹带现象。

(3)焦炭塔压力低

焦炭塔塔顶压力的平稳是抑制焦粉夹带的重要影响因素之一。操作压力降低，使产生的气相产物体积膨胀，促使油气线速突然增加，同时会使泡沫层的厚度上升，两者的突然变化，很容易引起焦粉夹带事件发生。而加热炉出口温度、焦炭塔塔顶温度、压缩机转数大小以及系统压力等都会影响塔顶压力。

(4)炉管注汽量过大

为减缓炉管结焦，国内通常采用对炉管注汽或注水的方法来提高原料油在炉管内的流速，以缩短炉管内停留时间，减少结焦机会。但注汽量越大，焦炭塔内油气线速也就越大，也就越容易发生焦粉夹带现象。

(5)预热时间缩短

焦炭塔是间歇操作的设备，在切塔前都要进行预热。一般情况下，油气预热时间控制在4～6h。大多数炼厂通常采取缩短生焦周期的方法实现提高处理量的目的，不可避免地对焦炭塔操作程序进行调整，在此过程中，油气预热时间就很有可能被缩减。据调研，一些炼厂的预热时间甚至缩减到3h。这种加快预热的操作方法严重加剧了焦粉夹带的程度，有时甚至会引起一次性大量焦粉夹带的发生。这是因为焦炭塔生产塔的塔顶压力大约在0.15MPa左右，而预热塔的塔顶压力要经历一个逐步升压的过程，其初始压力一般在0.05MPa左右，因此，大幅度的调整将引起两塔塔顶压力的大幅波动，加剧上层焦粉的扰动，也就加重了焦粉夹带问题。

(6)其他因素

焦化装置在生产操作过程中，对焦炭塔内油气线速和泡沫层厚度有直接或间接影响的因素很多，如原料性质、处理量、加热炉口温度、轻重污油回炼量和质量、分馏塔洗盐操作及富气压缩机的运行工况等，这些因素都能在一定程度上影响焦炭塔的正常运行，严重时会导致焦粉夹带进入分馏塔的发生。

2 焦粉携带控制措施

针对焦粉携带问题产生的原因，本文从工艺和设备角度提出了焦粉携带控制措施，列举如下：

2.1 工艺角度

本文以某公司230万t/a延迟焦化装置的运行为例，从以下几方面提出了工艺控制焦粉携带措施。

(1)消泡剂品种的选择及注入控制：向焦炭塔内注入消泡剂不仅可以抑制泡沫层厚度、提高焦炭塔有效容积率和防止焦粉夹带，而且能够起到改善焦化汽柴油质量、减少焦炭中起泡含量、提高焦炭机械强度和电导、减少过热结垢、延长装置连续生产周期的作用。同时，该方法具有简单易行和成本低廉的特点，因此，被国内外大多数焦化装置所采用。但消泡剂的消泡效果受其品种、注入位置、注入量和注入时间的影响，应针对不同原料性质确定消泡剂品种，消泡剂注入量应根据焦炭塔料位及时调整，并制定专门消泡剂调整方案。

(2)焦炭塔空高的控制：行业内焦炭塔空高控制在13m左右，为了控制焦炭塔空高，车间采取了如下措施：① 原料残炭控制<20.5%；② 加工量控制单炉不超3300t/d，两炉不超6571t/d；③ 车间制定空高15m报警值，空高15m时反应主操联系车间管理人员，调整原料残炭或降低加工量；④ 根据焦炭塔的中子料位计及时调整加工量和切四通时间，焦炭塔第二个料位计见料位后，增加预热速度,一个小时内切四通，若达不到条件，则申请降低加工量。

(3)切四通操作：小给汽流量控制，设计焦炭塔小给汽流量为4.2t/h，现在控制在3.5t/h；焦炭塔生焦后期和切四通后改放空塔前的时间段内，避免使用污油做急冷油，避免焦炭塔压力波动和焦粉带入分馏塔内；压缩机ccc控制系统手动控制时，提前调整，控制分馏塔压力波动范围不超0.015MPa；切四通前焦炭塔预热温度塔底≥330℃，塔顶温度≥380℃；在小给汽和改放空阶段，底循上返塔流量控制平稳，严禁降低底循上返塔流量，保证油气洗涤效果。

(4)焦炭塔压力控制：焦炭塔压力控制，是通过压缩机ccc控制系统调节分馏塔压力实现的，压缩机ccc控制系统手动控制时，提前调整，控制分馏塔压力波动范围不超0.015MPa，ccc控制系统即使手动调节也比传统505控制系统更加平稳。

(5)炉管注汽量：炉管注汽是为了保证炉管线速，减缓炉管结焦趋势，注汽量通过控制炉管出入口压差和对流室入口压力进行调整，控制炉管出入口压差≥0.75MPa，对流室入口压力≥1.05MPa，现在每个加热炉注汽量为1.5～1.6t/h，设计值为1.6t/h，炉管注汽在设计范围内。

(6) 焦炭塔预热速度：焦炭塔预热时间都在6h左右，满足一般要求的4～6h，不存在预热过快情况。

(7) 其他控制因素：蜡油做焦炭塔急冷油时，使用热蜡油，增加急冷油对焦粉的洗涤流量；炉出口温度控制在495℃，满足设计要求；油气放空阀和进料隔断阀注汽采用间断注入；循环比按照设计的0.2～0.4进行控制。

2.2 设备角度

通过对同行业相同装置调研，发现目前通过延迟焦化装置设备改造以减少焦粉携带问题的方案分为两类。一类是分馏塔内改造(增加分馏塔喷淋设施)；一类是分馏塔外改造(增加预过滤器或在罐区沉降等)。

(1)分馏塔内改造

分馏塔内改造措施主要为增加分馏塔喷淋设施。本文以海科石化和昌邑石化为例说明分馏塔内改造的效果。

海科石化在未进行改造前，不能进行直供操作。分馏塔内改造(增加分馏塔喷淋设施)后焦化汽柴油和常减压混合柴油可直供加氢，加氢过滤器每班反冲洗2次左右。

昌邑石化在焦化装置分馏塔内增加洗涤设施后，直供加氢仍然带焦粉严重，将加氢反冲洗过滤器由25μm改为50μm的过滤精度后，加氢过滤器反冲洗频次明显降低，每天强制反冲洗一次。

昌邑石化和海科石化对分馏塔增加喷淋洗涤设施后均反映效果不太理想，对人员操作要求和加工负荷要求较高，操作弹性降低，且增加的洗涤设施会出现堵塞喷嘴的情况，整个运行周期(2年)内会有不同程度结焦情况，结焦后不能进行在线处理，影响装置提高负荷和产品质量稳定。因此，建议分馏塔内改造(增加分馏塔喷淋设施)需进行考察论证、规避风险后方可进行。

(2)分馏塔外改造

分馏塔外改造的措施主要包括增加预过滤器、在罐区沉降等，配合加氢精制装置混合原料反冲洗过滤器。采取分馏塔外改造的案例如下：

①增加预过滤器，焦化汽柴油直供加氢精制

河北鑫海化工在焦化汽柴油没有实现直供加氢的情况下，在焦化出装置前增加了一台40μm预过滤器，准备直供。扬子石化和荆门石化在焦化装置汽柴油出装置前增加一套自动反冲洗过滤器，过滤精度50μm，焦化汽柴油直供加氢精制，同时加氢精制装置设置混合原料反冲洗过滤器，过滤精度25 μm，每4～8h反冲洗一次。

②在罐区沉降，焦化汽柴油不直供加氢精制

新海石化、玉皇盛世、京博石化、东明石化目前均采取了将焦化汽柴油在罐区沉降的措施，沉降后再进加氢精制装置混合原料反冲洗过滤器，运行良好。但在罐区沉降会增加装置能耗和投资，不利于热联合节能，以前述装置为例说明如下：

能耗增加量计算如下：按照加氢110%负荷计算，焦化汽柴油不直供，进入罐区沉降，则需增加热量为110%×190万t/a×(125-50℃)× 2.2MJ/(t·℃)=3.4485×108MJ/a，需消耗加热蒸汽量为3.4485×108MJ/a /(2837MJ/t)=12万t/a(3.5MPa饱和蒸汽)，电耗相对于蒸汽忽略不计。

另外，在罐区沉降可以降低污油回炼量(每天38t)，由于其量小不考虑污油热量损失和电耗。

在罐区沉降也会增加装置投资，需要单独设置一个沉降罐，按照24h沉降计算，罐容至少需要3000m3。

综上所述，两类设备改造方案相比，分馏塔内部改造(增加分馏塔喷淋设施)效果不乐观，分馏塔外部改造(增加预过滤器或在罐区沉降等)效果明显。而分馏塔外部改造方案中，增加预过滤器(焦化汽柴油直供下游加氢精制装置)与在罐区沉降(焦化汽柴油不直供下游加氢精制装置)相比，可节约能耗、减少投资、降低企业加工成本，具有较大优势。