焦炭塔晃动和焦粉携带原因分析及处理措施

高权坤，杨靖(山东昌邑石化有限公司，山东 潍坊 261300)

0 引言

延迟焦化装置是重质油轻质化的重要手段，由于其具有投资成本低、经济效益好等优点，在世界范围内得到广泛推广。随着原料性质的不断恶化，原有的工艺参数和设备不能满足原料加工的要求，要根据原料性质的变化，不断进行技术改造和优化操作。延迟焦化装置在运行过程中出现了一些问题，影响装置正常运行，值得各企业关注。延迟焦化装置原料在高温下反应生成NH3、HCl等反应产物，NH3和HCl溶于水形成NH4Cl溶液，分馏塔塔顶析出的铵盐与焦粉等混合结垢，造成分馏塔压降增大，影响正常操作[1-2]。随着减压渣油性质变重，以及回炼的催化油浆携带催化剂固体颗粒，加快了加热炉炉管结焦，造成能耗损失，加热炉效率下降[3]。

近期公司延迟焦化装置出现焦炭塔晃动，对装置的安全生产构成了威胁，对原料的性质和工艺参数等方面进行了原因分析，并针对问题采取有效的处理措施，解决了焦炭塔晃动问题。在检修过程中发现大油气线和分馏塔内部结焦问题，进行了原因分析，提出了降低焦粉携带问题的处理措施，为装置开工后长周期运行提供了方法指导。根据原料性质的变化，及时调整工艺参数，加强装置日常精细化操作，避免此类问题的发生。

1 延迟焦化装置工艺原理

公司的延迟焦化装置是由荆门炼化工程设计有限公司设计，加工处理量为100万吨/年，原料主要为减压渣油，同时掺炼3%～8%的催化油浆，采用“一炉双塔”工艺流程。延迟焦化装置包括三大部分：焦化部分、吸收稳定部分和脱硫部分。焦化部分包括加热炉区、焦碳塔区、分馏区、放空区、冷切焦水处理区、水力除焦和石油焦装车区。延迟焦化装置的工艺原理是以渣油等重质油为原料，经加热炉加热到高温，迅速转移到焦炭塔中进行深度热裂化反应，减轻加热炉管的结焦程度，焦化过程产生的油气从焦炭塔顶部进入分馏塔底部进行分馏，获得富气、粗汽油、柴油、蜡油、重蜡油等产品，在焦炭塔底部生产焦炭，经除焦系统处理，获得石油焦。富气经吸收稳定装置脱除液化气组分，经脱硫装置处理后得到净化干气并入燃料气管网，用作加热炉燃料；吸收稳定装置稳定塔塔顶获得的液化气，经脱硫装置处理后，用作气体分离装置的原料；粗汽油经吸收稳定装置脱除轻组分后得到稳定汽油，将其与柴油混合在一起作为汽柴油加氢装置的原料；一部分蜡油作为焦炭塔顶急冷油，维持反应油气温度和减少焦粉携带，一部分蜡油外送，作为催化裂化装置的原料；重蜡油抽出作为回流，可缓和汽油、柴油及蜡油夹带焦粉的现象，可以控制轻蜡油抽出的质量。

2 延迟焦化装置焦炭塔晃动原因分析及处理措施

2.1 焦炭塔晃动原因分析

根据延迟焦化装置工艺原理可知，焦炭塔是高温油气反应和焦炭生成的场所，焦炭塔的稳定操作至关重要。近期焦炭塔出现晃动，造成焦炭塔塔底的地脚螺栓松动，对装置的安全生产构成了威胁，通过降温降量等手段缓解了焦炭塔晃动，优化工艺参数调整，避免晃动进一步加剧，造成安全生产事故。

弹丸焦的形成是焦炭塔晃动的主要原因，而焦化原料性质是形成弹丸焦的内在因素，沥青质含量高的原料容易形成弹丸焦[4-5]。可以通过NB/SH/T 0509—2010《石油沥青四组分测定法》测定焦化原料中的饱和分、芳香分、胶质和沥青质，根据沥青质的含量指导生产。焦炭塔内气体速度也是造成塔晃动的原因之一，气体速度越大，对焦炭塔的冲击力越大，越容易造成焦炭塔晃动[5]。影响气体速度的因素有原料性质、反应温度、反应压力、循环比、加热炉注汽量等，通过调整这些参数，将焦炭塔内气体速度维持在合适的范围内，保证焦炭塔稳定操作。

对常减压装置来的减压渣油的馏程进行了分析，初馏点为243 ℃，510 ℃对应的馏出量为10%，说明减压渣油中轻组分较多，对焦炭塔的冲击力较大，这可能是造成延迟焦化装置焦炭塔晃动的根本原因。

2.2 焦炭塔晃动处理措施

延迟焦化装置焦炭塔出现晃动后，采用降温降量的方法调整，避免焦炭塔大幅晃动，但这是以降低加工量为代价，为了保障焦化装置在平稳生产的前提下满负荷运行，调整了原料性质，优化了分馏塔-加热炉-焦炭塔操作。

焦化原料性质越轻，对焦炭塔的冲击力越大，通过控制常减压装置减压塔和催化裂化装置分馏塔操作，加大渣油和催化油浆拔出深度，降低轻组分含量；焦化原料中沥青质较高时，可以通过加大分馏塔的循环比，抑制弹丸焦的形成。增大循环比会降低延迟焦化装置加工量，在保证焦炭塔稳定操作的前提下，尽量采用较低的循环比，一般循环比要维持在0.1～0.5区间范围内。

反应温度越高，焦炭塔内油气反应速度越快，气体速度越大，对焦炭塔的冲击力越大，越有利于弹丸礁的形成，越容易发生焦炭塔晃动问题，因此要严格控制反应温度。但反应温度不是越低越好，较低的反应温度会造成油气反应不彻底，出现粘油，堵塞出焦口，造成严重的生产事故，一般控制反应温度在485～500 ℃范围内。

较高的压力能抑制弹丸礁的形成，但较高的压力会降低液体收率，影响经济效益，同时对焦化装置设备材质要求也越高，控制指标一般不大于0.23 MPa，但一般不把压力作为调节焦炭塔操作的手段。控制好加热炉注汽量，在保证加热炉管不结焦的前提下，尽量减少蒸汽的用量，避免注汽量过大，气体速度增大，造成焦炭塔压力波动，甚至焦炭塔晃动。

通过对以上各参数进行调整，消除了焦炭塔晃动隐患，加工量也恢复到满负荷水平。要加强日常巡检，监控好焦炭塔塔底地脚螺栓松动情况，以及油气管线的支吊架起作用情况，发现问题及时修复，保障焦炭塔的稳定操作。

3 焦粉携带原因分析及处理措施

3.1 焦粉携带原因分析

在检修期间，发现延迟焦化装置大油气线和分馏塔内部结焦，焦层较厚。大油气线结焦，使得油气进入分馏塔的通道变窄，增大了焦炭塔压力，影响液体收率和装置长周期运行；分馏塔内部结焦，塔底焦粉较多，焦粉随塔底油进入加热炉、焦炭塔，造成管线和设备的磨损等问题，部分焦粉进入干气、液化气、汽油、柴油等产品中，对下游装置的运行造成很大的危害。焦粉随干气和液化气进入脱硫装置，加快设备腐蚀，会堵塞过滤器造成压降增大，还会造成脱硫剂发泡，影响脱硫效果。干气含硫较高，经加热炉燃烧后排放的尾气二氧化硫超标；液化气含硫较高，经气体分离装置得到的产品硫含量不合格。焦粉随汽油和柴油进入汽柴油加氢装置，加快设备磨损，严重的情况下焦粉进入加氢反应器，积聚在催化剂表面，造成压降增加，严重影响装置的安全运行。焦粉携带会造成装置的多个位置结焦，因此清焦工作强度很大，影响装置运行时间，必然影响装置的加工量。

延迟焦化装置整体上说属于连续操作装置，但对于焦炭塔来说，属于间歇操作生产工艺，按照24 h生焦周期操作。焦炭塔工序包括赶空气、试压、预热、换塔、小吹气、放空、大吹气、给水、放水、除焦等，各工序操作不当，会造成焦炭塔压力波动，塔内气体速度变化，出现焦粉携带问题。除了焦炭塔工序影响焦粉携带以外，生产过程中各工艺参数的控制也是重要的影响因素。焦炭塔油气气体速度较快和安全空高不足，会造成油气携带反应不完全的泡沫层内的焦粉进入大油气线以及分馏塔[6-7]。焦粉携带是焦化装置普遍存在的问题，减少焦粉携带的关键是加强日常精细化操作，保障装置的长周期运行。

3.2 焦粉携带处理措施

残炭值是延迟焦化装置结焦倾向的指标，焦炭产率一般为原料残炭值的1.5～2.0倍[8]，利用国家标准GB/T 17144—2021《石油产品 残炭的测定 微量法》测定原料的残炭值，推测出焦炭的收率，用于指导焦炭塔的切塔时间。

要平稳操作每一道焦炭塔工序，尤其是预热阶段和小吹气阶段。预热阶段，要维持老塔压力稳定，不能出现压力大幅度降低，造成油气气体速度增加，造成携带焦粉；小吹汽阶段，蒸汽速度过快，会携带焦粉进入油气大线和分馏塔，对管线和设备造成损坏，因此要控制注入焦炭塔的蒸汽速度。

在较高的反应温度下，油气在焦炭塔内的反应深度大，可以有效降低泡沫层高度，但反应温度过高，同时也增加了气体速度，造成更多的焦粉携带量，因此需要合适的反应温度。在较高的压力下，能降低焦炭塔内油气气体速度，抑制焦粉携带，但较高的压力会降低液体收率，影响经济效益，一般不把压力作为降低焦炭塔焦粉携带的调控手段。

加热炉注汽量大，抑制了加热炉管结焦，但会造成焦炭塔气体速度增大，增加焦粉携带的机率，因此加热炉注汽量要根据装置加工量调控在合适的范围内。

中子料位计常用于焦炭塔上部、中部、下部的焦炭层高度、泡沫层高度和水层高度的测量，其工作原理是将中子源与中子管装在焦炭塔壁的同一个位置上，利用测量被测物含H、C密度的变化来测得焦炭的高度。中子料位计指示值小于8%为油 气，8%～33%为 稀 泡，33%～55%为浓泡，55%～80%为焦炭，80% 以上为水。

利用中子料位计实时监测焦炭泡沫层高度和焦炭层高度，泡沫层高度较高时，要及时加入适量的消泡剂(消泡剂加入量根据泡沫层情况进行调整)，降低泡沫层高度，提高焦炭塔利用率。当焦炭层高度较高时，及时调整加工量和切塔，避免焦炭塔空高太小，造成焦粉携带问题。

延迟焦化装置以蜡油作为焦炭塔的急冷油，起到维持塔顶温度和降低焦粉携带的作用，根据焦化装置加工量，及时调整急冷油的加入量，维持塔顶温度在420 ℃左右。在装置正常运行过程中要保持急冷油不断注入，严格控制急冷油的温度和流量，减少发生焦粉携带问题。

通过对以上各参数进行调整，减少焦粉携带。在装置运行过程中，要加强中控样品状态的观察，发现焦粉携带问题，要及时分析焦粉携带原因，采用有效的措施进行调整，避免焦粉携带问题扩大化。

4 结语

延迟焦化装置焦炭塔晃动对装置的生产运行造成较大的安全隐患，需要从原料性质、反应温度、反应压力、循环比、加热炉注汽量等因素加以控制，抑制弹丸焦的生成和焦炭塔气体速度，避免此类事故的发生。焦粉携带会导致大油气线和分馏塔结焦，对焦炭塔-分馏塔-加热炉的稳定操作和焦化产品下游装置运行造成不利影响，加快管道和设备的磨损，需要从原料性质、反应温度、反应压力、加热炉注汽量、小吹汽速度、急冷油加入量、消泡剂加入量等参数着手进行调节，保障装置的长周期运行。

影响延迟焦化装置焦炭塔晃动和焦粉携带问题的因素有很多，在调整时要综合考虑不同参数变化对这两类问题的影响。原料性质是产生这些问题的内在原因，定期做好焦化原料沥青质、残炭、馏程和密度的分析工作，为焦化装置正常生产提供数据支撑，根据原料的变化，实时调整工艺参数。

焦炭塔气体速度大是造成这两种问题的外在原因，气体速度与反应温度、反应压力、循环量等因素有关。反应温度要控制在合适的范围内，既要防止弹丸焦形成造成焦炭塔晃动，也要保证反应彻底，防止焦粉携带。反应压力较高，可以抑制这两种问题的发生，但压力一般不作为调整的手段。

要维持合适的循环量，既要防止弹丸焦形成，同时保障延迟焦化装置的加工量。要及时调整急冷油的加入量，避免塔顶温度大幅度波动，减少焦粉的携带量。泡沫层较高时，及时调整反应温度，加入消泡剂，较低泡沫层高度。

通过这些措施的调整，避免了焦炭塔出现晃动问题，减少焦粉携带给装置运行带来的危害，保障了装置的长周期运行。