低负荷下延迟焦化装置分馏系统结焦分析与优化措施

2023-01-06刘志豪宋之林江方舟高强许连杰梁景玉

当代化工研究 2022年22期

＊刘志豪宋之林江方舟高强许连杰梁景玉

（正和集团股份有限公司山东 257342）

正和集团延迟焦化装置2007年12月投产，两炉四塔，生产能力为120万吨/年，生焦周期24h，现已运行15年。

分馏塔是装置中的关键设备，其运行状况较难控制。近年来，受安全及环保限产影响，装置加工负荷持续偏低，部分时段运行负荷不到设计负荷的50%。此外，由于公司采购原油多样性，有时掺炼高硫原油、重质原油，使得减压渣油性质波动较大，装置同时掺炼催化裂化油浆，造成轻油收率不稳定，也在一定程度上影响到焦化分馏塔的操作[1]。

分馏塔负荷大幅度降低，导致塔内气速降低，液相回流量减少，易出现分馏塔结焦问题，这缩短了装置的运行周期。针对运行中出现的问题，本文详细分析了分馏塔易结焦部位的结焦原因，并提出了优化改进控制措施，对装置的长周期安全运行乃至确保全厂的物料平衡都具有重要意义。

1.延迟焦化分馏塔易结焦部位及结焦表象和后果

本装置的主要原料为减压渣油和油浆（掺炼量约5%）。渣油与油浆的混合物进装经换热升温至300℃，从0层、5层进入分馏塔；焦炭塔顶415℃的高温油气从4层进入分馏塔，170℃的下返蜡油从8层进入分馏塔。根据油品结焦特性[2]和分馏塔各层温度，结焦部位易出现在分馏塔塔底、蒸发段（分馏塔6～8层塔盘）两个部位。

图1 延迟焦化装置分馏塔流程图

(1)分馏塔塔底结焦后果

分馏塔塔底是常见的结焦部位之一。

分馏塔塔底结焦会导致如下后果：一是辐射过滤器堵塞，辐射泵入口压力降低，进而造成辐射泵抽空、加热炉进料不足，影响加热炉运行，甚至造成炉管结焦，缩短了装置运行周期；二是辐射抽出管线、底循环管线因填充了焦块、焦粉，造成有效管径变细，出现管线堵塞结焦的情况。

(2)分馏塔蒸发段结焦的表象和后果

分馏塔蒸发段也是易结焦部位，但在实际生产中，因其出现的频次较少，往往忽视了对其的管控。

分馏塔蒸发段结焦易导致如下后果：一是塔内气相运行不畅，焦炭塔顶、分馏塔下部压力升高，逐步超出正常指标控制范围，存在较大的安全运行隐患，容易造成装置非计划停工；二是分馏塔蒸发段换热效率降低，造成蒸发段温度上移至蜡油集油箱，集油箱结焦风险增大；三是气相携带焦粉进入蜡油集油箱，集油箱内焦粉逐渐堆积，造成集油箱液位、温度失灵，影响蜡油系统的运行；四是因塔底压差增大，冲击塔盘，有引发运行事故的潜在危险。

2.分馏塔结焦因素的分析

(1)原料性质的影响

本装置的主要原料是减压渣油。近年来，随着常减压装置轻质油深拔技术的发展，减压渣油残炭值升高，沥青质含量增多，油品性质较差，且根据生产任务，除加工减压渣油外，还要掺炼部分催化油浆，使得进装置原料更加复杂。

装置原料性质的劣化，掺炼油浆且油浆中携带的催化剂颗粒，增加了缩合反应的不确定性，一定程度上降低了油品的生焦条件，造成分馏塔易出现结焦。

(2)分馏塔塔底循环运行的影响

分馏塔塔底循环主要起到旁滤作用，其目的是过滤塔底液相，缩短油品在塔底停留静止时间，及时脱离出液相中存在的焦粉颗粒，防止因焦粉过多、停留时间过长出现焦粉集聚板结形成焦块，进而堵塞了分馏塔塔底和抽出管线。

在实际生产过程中，如果塔底循环运行不畅，出现泵抽空或底循过滤器前后压差增大，需要及时清理过滤器，否则易造成分馏塔结焦。

(3)装置低负荷运行的影响

装置加工负荷会在一定程度上影响分馏塔的操作，使分馏塔更容易结焦。装置负荷过低，塔底抽出量降低，油品在塔内停留时间延长，少量处于临界状态的油品还来不及抽出就已发生焦化反应，造成塔底逐步结焦。同时，装置低负荷运转状态下，回流量降低，造成塔盘液相量下降，易造成因偏流或分布不均出现局部干板的现象；气相量降低，塔盘浮阀不能全部弹起，部分浮阀处于半开或不开的状态，随着时间延长，沉降的焦粉逐步覆盖结焦，造成浮阀打不开，造成分馏塔气阻憋压。

焦炭塔高温油气进入分馏塔后，塔内气、液相换热不均匀，造成蒸发段局部温度过高，且气相携带部分渣油液滴进入蒸发段，较长的滞留时间、较高的塔盘温度，易造成蒸发段结焦。

(4)分馏塔底控制温度的影响

高分馏塔塔底温度，可以降低加热炉的热负荷，一定程度上有利于提高装置加工负荷和加热炉的运行。但增加了分馏塔塔底结焦的风险，一旦超过油品中易结焦物质的结焦临界温度，则该部分油品可能在塔内反应，液相中颗粒物增多，易造成分馏塔结焦。

(5)焦炭塔焦高及泡沫层的影响

焦炭塔焦层的上部有泡沫层，随着生焦时间的推进，焦层高度增长，泡沫层高度也随着升高。泡沫中的液相油较重，且泡沫中包含有大量的焦粉，极容易结焦。在实际生产中，尤其是在生焦的后期，如果泡沫层高度与塔顶的安全空高不足5m，塔内高温油气容易携带泡沫层进入油气线和分馏塔，造成油气线、分馏塔底及蒸发段结焦。

(6)加热炉的影响

黄祥宇[3]在分析武汉石化2#焦化装置分馏塔结焦原因时提到了加热炉对结焦的影响。本装置也受到同样的影响。主要表现在两个方面：一是加热炉注汽过程中，导致焦炭塔内汽提增大；二是加热炉辐射出口温度的高低，影响渣油的反应效果，继而影响进分馏塔的油气量。

(7)掺炼催化裂化外甩油浆的影响

掺炼油浆会对分馏塔的结焦产生一定的影响[4]。油浆为催化裂化反应分馏后的分馏塔底油。与减压渣油相比，其密度大，残炭值、芳烃、沥青质的含量较高，且内部含有一定量的催化剂粉末。

催化裂化装置为防止油浆中重质芳烃、胶质、沥青质及一定数量的催化剂颗粒在高温下结焦，在循环油浆泵人口加注油浆阻垢剂，同时控制分馏塔底温度不超过360℃。而进焦化装置掺炼的油浆通常在循环泵之前引出，未添加阻垢剂，焦化分馏塔底温度≯385℃、蒸发段实际温度高达380℃，远高于催化裂化装置的控制温度；且催化剂颗粒通常较重，在分馏塔内流动较慢，容易沉降附着在塔壁、塔盘上，这极易出现催化剂吸附液相中的微小焦粉形成小的焦核，小的焦核集聚形成大的焦粒，进而沉降、堆积、板结形成大的焦块，造成分馏塔底、塔盘结焦，底循环过滤器、管线堵塞。

我装置在2020年开始掺炼油浆，油浆掺炼比例在5%～10%，经过1个周期的运行，检修发现分馏塔塔底结焦较之前增多，底循抽出管线内堆积了大量的焦粉，造成吹扫放空困难，对焦粉进行取样烧结，发现其灰分高达44.67%，经检测主要为三氧化二铝，与催化裂化装置催化剂的载体成分一致。

3.优化控制措施和方案

为防止生产加工负荷低时分馏塔出现结焦等问题，我公司根据装置实际运行情况和结焦原因分析，制定了适合本装置生产的优化控制措施。

(1)加强工艺指标管控

宽松的工艺指标有利于班组操作，减少了DCS报警，但不利于生产，会减少操作人员的警惕性，忽略了生产波动中出现的实际问题，极有可能出现指标都在控制范围内，生产无报警，但实际上部分指标的上下边界值已超出了当前工况下的安全管控范围，生产已出现了问题。

严苛而适合的指标控制范围，可为安全生产提供保证，有效避免设备运行中出现问题。装置负荷出现较大变化时，应对工艺卡片重新进行梳理，调整缩减关键指标的控制范围。

常见的优化工艺操作措施有：一是控制好分馏塔塔底温度和加热炉热负荷之间的平衡，加热炉出口温度控制在490～495℃；二是增设循环有填料格栅洗涤段，增加循环重蜡油下回流量，减小分馏塔底人字挡板的结焦倾向，从而更好地控制蒸发段温度[5]。

(2)适当调整产品指标

产品质量的管控，不能以牺牲分馏塔下部的温度为代价。技术人员要根据实际生产条件，对产品指标进行调整，如适当降低柴油95%点回收温度、汽油终馏点。低负荷下，分馏塔气相量和回流量都减少，分馏塔的中上部热负荷低，会对产品质量产生一定影响。继续执行柴油高产出的方案，会促使班组减少分馏塔下部回流量，如蜡油下返量、原料5层进塔量，来提高分馏塔中上部的温度，进而确保产品质量。

实际生产过程中，人为减少中下部的回流量，相当于减少了对气相的洗涤，极易使得气相携带焦粉进入蒸发段、蜡油集油箱，也在一定程度上提高了蒸发段温度，造成蒸发段结焦、蜡油集油箱焦粉堆积。

(3)提高装置循环比

中石化袁强等人[6]对循环油、辐射油、减压渣油进行了结焦倾向实验，实验表明360℃条件下，循环油最不易结焦，减压渣油和辐射油达到一定时间后，会出现明显的结焦倾向。

调整提高装置循环比，提高分馏塔蜡油的回流量，加大原料5层进料量，既可以提高对气相的洗涤效果，补充塔盘液相不足的问题，也可以提高塔底循环油的占比，有效减缓塔底结焦。

(4)调整降低小吹汽量和吹汽时间

平稳控制焦炭塔系统运行，降低焦炭塔小吹汽量和吹汽时间，能够减少焦炭塔冷焦塔顶焦粉携带。实际生产过程中，小吹汽量一般控制在1～1.5t/h，小吹汽时间控制在1～1.5h。切塔初期，老塔的泡沫层还未降低，小吹汽过大、时间过长会导致油气携带焦粉。此外，在塔顶注入一定量的消泡剂，可以达到降低泡沫层的效果，从而避免生焦过高而引起的焦粉携带。

(5)延迟关停急冷油操作和停消泡剂操作

切换焦炭塔后，延迟10min再进行切换急冷油操作和停消泡剂操作。切换焦炭塔后，老塔温度会延续一段时间，老塔泡沫层回降也会有延迟，并且新塔刚刚进入生产，整个塔的温度偏低，加热炉来的辐射油进入塔后短时间内还不能发生生焦反应，工况上允许适当延迟注入急冷油。操作人员切换焦炭塔后，等待10min再进行切换消泡剂阀门和关闭急冷油阀门操作，以达到延长老塔注急冷油和消泡剂时间、防止塔顶温度超温、减少小吹汽焦粉携带量、减缓分馏塔结焦的目的。