延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿的影響及優化設計

顏 峰，謝崇亮，董 罡，邱明濤

(中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東 青島 266071)

延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿的影響及優化設計

顏 峰，謝崇亮，董 罡，邱明濤

(中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東 青島 266071)

對催化裂化油漿的性質及摻煉油漿對延遲焦化裝置造成的影響進行分析。催化裂化油漿與減壓渣油相比具有黏度低、密度大、康氏殘炭小、氫含量低、芳烴含量高、膠質含量低等特點。某新建1.20 Mt/a延遲焦化裝置摻煉25%的催化裂化油漿后，石油焦收率增加2.7百分點，輕質油(汽油+柴油)的收率下降5百分點，焦化蠟油收率提高2百分點，總液體收率下降3百分點，焦化蠟油的殘炭和芳烴含量、石油焦的灰分和揮發分均增加。催化裂化油漿中的催化劑顆粒在換熱器、分餾塔、加熱爐、泵及管道內造成磨損和沉積結焦，影響裝置長周期運行。通過對換熱器折流板形式、加熱爐爐型、爐管厚度、清焦方式及分餾塔流程等進行優化設計，能夠減少催化劑顆粒在分餾塔及換熱器內沉積，減緩加熱爐爐管結焦，延長裝置運行周期。

延遲焦化 催化裂化油漿 換熱器 加熱爐 分餾塔

催化裂化油漿一般作為燃料油調合油外賣，2008年后因燃料油消費稅提高至0.8元/L，催化裂化油漿作為燃料油的市場需求萎縮，使煉油企業的經濟效益受到影響，國內大多數煉油廠考慮將其作為延遲焦化裝置進料與減壓渣油混合加工。

某新建1.20 Mt/a延遲焦化裝置處理上游常減壓蒸餾裝置的部分減壓渣油及催化裂化裝置的油漿，其中催化裂化油漿占總進料量的25%，所得焦化蠟油經渣油加氫脫硫裝置脫硫、脫氮后作為催化裂化裝置的進料。本課題對催化裂化油漿的性質及摻煉油漿對延遲焦化裝置造成的影響進行分析，并對延遲焦化裝置的設計提出優化方案，以保證裝置安全長周期運行。

1 減壓渣油與催化裂化油漿的性質比較

煉油廠加工原料油為沙輕、沙中和科威特混合原油，減壓渣油及催化裂化油漿的性質見表1。

表1 減壓渣油及催化裂化油漿的性質

1) 膠質與瀝青質含量的總和。

催化裂化油漿與減壓渣油相比主要有以下特點：密度大、黏度低、康氏殘炭小、芳烴含量高、膠質含量低，含有約0.5%的催化劑顆粒。其中油漿中芳烴主要為無側鏈、少側鏈和短側鏈的稠環芳烴，膠質和瀝青質基本是焦炭前軀物[1]。

2 摻煉催化裂化油漿對延遲焦化裝置的影響

2.1 對產品收率的影響

在加熱爐出口溫度498 ℃、焦炭塔塔頂壓力0.15 MPa、循環比0.2的條件下，延遲焦化裝置摻煉25%的催化裂化油漿(方案一)及加工100%渣油(方案二)時的產品收率對比見表2。從表2可以看出，延遲焦化裝置摻煉25%的催化裂化油漿后，石油焦收率增加2.7百分點，輕質油(汽油+柴油)的收率下降5百分點，焦化蠟油收率提高2百分點，總液體收率下降3百分點。

2.2 對產品性質的影響

焦化液體產品和石油焦的性質見表3～表6。由表3～表6可知，摻煉油漿以后，焦化汽油、柴油的性質變化不大，焦化蠟油及石油焦的質量變差，主要體現為焦化蠟油的芳烴含量及殘炭、石油焦的灰分和揮發分增加。另外，由于催化裂化反應條件較延遲焦化苛刻，催化裂化油漿中可能存在部分重芳烴，這些組分在焦炭塔內未發生裂解縮合反應，通過焦化蠟油帶入催化裂化裝置中，未反應的重芳烴在催化裂化-延遲焦化裝置間循環、累積，導致催化裂化油漿和焦化蠟油中芳烴含量越來越高。

表2 產品收率對比

表3 焦化汽油的性質對比

表4 焦化柴油的性質對比

表5 焦化蠟油的性質對比

表6 石油焦的性質對比

2.3 對裝置長周期運行的影響

2.3.1 換熱器 催化裂化油漿與減壓渣油混合后，走換熱器殼程，依次與柴油、中段循環油、蠟油換熱后進入分餾塔底部，由于油漿中含有固體顆粒，極易在換熱器殼程死區內沉積結垢(見圖1)，導致換熱器換熱效果下降、壓降增大，嚴重時損壞換熱器管束。

圖1 流體在普通換熱器內的流動狀態示意

2.3.2 加熱爐 催化裂化油漿中含有固體催化劑顆粒，在焦化高溫原料中起到了“焦核”的作用，加劇原料油在爐管內的結焦趨勢和結焦速率，縮短加熱爐的運行周期，而且這種含鹽垢類的焦層較硬，停爐后爐管燒焦的難度較大[2]。另外由于原料油在加熱爐管內的線速度較高，尤其是輻射爐管接近出口處的線速度高達30～40 m/s，催化劑顆粒對加熱爐爐管，尤其是彎頭部位造成較大的磨損。國內有多家煉油廠的延遲焦化裝置由于摻煉催化裂化油漿導致爐管結焦嚴重及爐管彎頭過度磨損而緊急停工[3]。

2.3.3 分餾塔 催化裂化油漿結焦趨勢較大，若直接與反應油氣接觸換熱，會加速分餾塔脫過熱段結焦；油漿中的催化劑顆粒具有很強的吸附性能，極易吸附反應油氣中從焦炭塔帶來的焦粉顆粒[4]，形成結焦母體，加劇分餾塔底部的結焦；同時，催化劑顆粒極易在分餾塔底部靜止沉積，造成分餾塔底部結焦，影響裝置長周期運行。

2.3.4 泵及管道 催化裂化油漿中催化劑固體顆粒硬度大，容易對設備造成磨損，尤其是對線速度較高的泵體葉輪、原料油管線、控制閥及加熱爐爐管等設備的磨損大[5]。

3 優化設計

3.1 換熱器的優化設計

為防止催化裂化油漿中的催化劑顆粒在換熱器殼程內沉積，原料換熱系統采用螺旋折流板式換熱器，與弓形折流板相比，由于螺旋折流板的導流作用，原料油在殼程內整體呈螺旋狀流動，在折流板附近幾乎不存在流動死區，在提高傳熱系數的同時，減少污垢沉積，熱阻穩定，使換熱器一直處于高效運行狀態，流體在螺旋折流板換熱器內的流動狀態見圖2。

圖2 流體在螺旋折流板換熱器內的流動狀態示意

3.2 加熱爐的優化設計

由于延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿的比例較大，考慮裝置的高效、平穩和長周期運行，焦化加熱爐爐管材質及厚度的設計需考慮催化劑顆粒對爐管的沖刷。另外，由于催化劑顆粒加速爐管結焦，加熱爐應設計有爐管在線除焦的功能，如在線清焦、在線機械清焦及燒焦，且應最大限度減少因頻繁清焦造成對裝置加工負荷的影響，加熱爐簡圖見圖3。

圖3 焦化爐簡圖

加熱爐的優化設計為：①加熱爐爐管材質選用P9，壁厚由普通加熱爐的8 mm增加至14 mm，通過增加加熱爐爐管厚度來延長加熱爐的運行周期。②加熱爐采用附墻燃燒設計，爐側墻傾斜角度與國產寬火焰扁平附墻低氮氧化物氣體燃燒器相互匹配，火焰呈扇形貼著爐側墻斜向上燃燒，避免火焰舔管造成局部過熱結焦，同時有效地提高輻射室爐膛上、下部煙氣溫度場和熱強度場的均勻性，爐管內介質有穩定的溫升梯度，減緩了原料油在爐管內的結焦。③加熱爐采用四輻射室對應四對流室的設計方案，每路出口設置雙隔斷閥(一個為進口閥門)，能夠靈活實現加熱爐每一路爐管的在線清焦、在線機械清焦及燒焦，提高了延遲焦化裝置操作的靈活性，在每一路爐管進行清焦時，裝置的加工負荷影響最小。

優化設計的加熱爐與國內延遲焦化裝置常規加熱爐的對比見表7。

表7 加熱爐技術對比

3.3 分餾塔的優化設計

對分餾塔主要進行了以下幾個方面的優化設計：①脫過熱段選用輕蠟油作為洗滌介質，原料油不與高溫油氣換熱直接進入分餾塔底部，從根本上最大限度地減輕分餾塔脫過熱段結焦。②采用環形管原料油進料攪拌分布器，使分餾塔塔底油充分攪拌，不但使原料油與循環油混合更均勻，而且可防止催化劑顆粒的靜止沉降，避免因分餾塔底部催化劑沉積而導致裝置事故發生；另外，原料油與循環油混合后溫度為310～330 ℃，溫度較低，可降低分餾塔底部的結焦傾向。③為防止分餾塔底部因催化劑顆粒吸附焦粉形成結焦母體而加劇結焦，在換熱擋板下設置循環油集油箱(見圖4)，集油箱溫度通過循環油冷回流的流量控制以防止高溫結焦，油氣中的焦粉大部分被洗滌至循環油集油箱，經循環油過濾器過濾后的循環油進入分餾塔底部，塔底焦粉含量減少，這樣可大大降低分餾塔底部的結焦傾向，有利于分餾塔、加熱爐進料泵及加熱爐的穩定操作，保證裝置長周期運行。

圖4 焦化分餾塔底部流程

4 結 論

(1) 催化裂化油漿與減壓渣油相比具有黏度低、密度大、康氏殘炭小、芳烴含量高、膠質含量低等特點，其中芳烴主要為無側鏈、少側鏈和短側鏈的稠環芳烴，膠質和瀝青質基本上是焦炭前軀物。

(2) 延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿后，石油焦收率增加，液體產品收率下降，焦化蠟油中的芳烴含量及殘炭、石油焦的灰分和揮發分均增加。催化裂化油漿中的催化劑顆粒對換熱器、分餾塔、加熱爐、泵及管道等設備造成磨損或結焦，影響裝置長周期運行。

(3) 通過對換熱器折流板形式、加熱爐爐型、爐管厚度、清焦方式及分餾塔流程等進行優化設計，可減少催化劑顆粒在分餾塔及換熱器內沉積，減緩加熱爐爐管結焦，延長裝置運行周期。

[1] 陳俊武.催化裂化工藝與工程[M].北京：中國石化出版社，2005：325

[2] 王玉章.延遲焦化加熱爐輻射進料結焦性能的研究[J].煉油技術與工程，2004，34(12)：9-14

[3] 王文智.延遲焦化摻煉催化裂化油漿的技術經濟分析[J].中外能源，2007，12(5)：82-85

[4] 羅強.事故狀態下分餾塔底結焦原因分析與處理[J].煉油技術與工程，2004，34(6)：11-14

[5] 胡堯良.延遲焦化裝置加工FCC油漿的經濟和技術分析[J].煉油技術與工程，2006，36(3)：51-59

IMPACT OF BLENDING FCC SLURRY OIL IN DELAYED COKING AND OPTIMIZATION DESIGN

Yan Feng， Xie Chongliang， Dong Gang， Qiu Mingtao

(CPECCEast-ChinaDesignBranch，Qingdao，Shandong266071)

Compared with vacuum residue， FCC slurry is low in viscosity， conradson carbon residue， hydrogen and resin content but high in aromatic content and gravity. The influence of blending FCC slurry on delayed coking was analyzed and the design optimization was proposed. The commercial results in a new 1.20 Mt/a delayed coking unit indicate that processing the feed blending with 25% FCC slurry， the coke and gas oil yield increase 2.7 percentage points and 2 percentage points， respectively，while the light oil (naphtha+diesel) and total liquid yield reduce 5 percentage and 3 percentage， respectively. The residue carbon and aromatic content of LCGO， and the coke ash and volatile matter of coke are all increased. The remarkable wears of the heat exchangers， the fractionator， furnace， pumps and pipes and other equipments are observed， which impact the long-term operation. The optimization of the heat exchanger baffles， furnace type， furnace tube thickness， coke cleaning methods and fractionator process can reduce the catalyst deposition on the equipments and retard the coking on the surface of furnace tubes， thus extend the operation life time.

delayed coking； FCC slurry； heat exchanger； furnace； fractionator

2014-01-23； 修改稿收到日期： 2014-03-18。

顏峰，碩士，工程師， 2008年7月畢業于大連理工大學化學工藝專業，現主要從事延遲焦化裝置工藝設計工作。

顏峰，E-mail：yanfeng@cnpccei.cn。