焦化大負荷生產下的設備分析

周梓桐

（中石油云南石化有限公司生產一部 昆明）

一、概述

延遲焦化工藝是目前最深的脫碳工藝過程，也是重質殘渣油輕質化最成熟的技術之一。隨著國內高硫高酸重質原油加工能力的逐步提高，特別是原油變重變差，導致煉油廠的渣油加工能力不足，輕重原油購買成本的差異、商品渣油及燃料油出廠嚴重影響了煉油廠的效益，所以多套延遲焦化裝置進行了大負荷操作。

煉化延遲焦化設計為每年220萬噸（3爐6塔設計），先期實施建設焦化2爐4塔每年140萬噸延遲焦化，處理量渣油為166.67 t/h，設計循環比0.8，2014年10月大負荷生產期間焦化單元每天加工渣油221.86 t/h，焦化單元負荷率133.1%。根據實際生產的需要，煉化延遲焦化提高了加工負荷，同時也帶來了一些問題。

二、某煉化延遲大負荷生產下設備主要參數分析

1.焦炭塔

焦炭塔是焦化裝置的核心設備，焦化的裂解和縮合生焦反應在焦炭塔內進行，焦炭塔是焦化裝置的反應器，操作時直接影響到加熱爐、分餾塔、吹汽放空塔、冷切焦水系統和焦炭裝運系統等。

（1）焦炭塔空塔氣速（表1）。

表1 焦炭塔內物料（2爐4塔）

焦炭塔參數：焦炭塔直徑9 m；焦炭塔反應壓力0.185 MPa；焦炭塔反應溫度420℃。

每支焦炭塔的摩爾數：n1=n/2。

每支焦炭塔的體積流量：v=nRT/P。

焦炭塔截面積：S=3.14×R2。

焦炭塔氣速：u=v/s。

根據以上參數計算出焦炭塔空塔氣速為0.136 m/s。目前關于焦炭塔空塔氣速的計算方法存在差異，而且氣速也不能過高，部分設計部門采用的焦炭塔極限氣速是0.15 m/s。國內同類企業經驗氣速是0.135 m/s，由于某原油性質決定，某原油設計焦炭塔空塔氣速為0.1 m/s，而2014年10月大負荷生產情況下，焦炭塔空塔氣速已經超出設計值。特別是在焦炭塔換塔后小吹汽情況下，更容易引起泡沫夾帶。

（2）焦炭塔的安全空高。焦炭塔的高度根據焦炭產率、生焦時間、泡沫層高度來確定。在確定焦炭塔高度時應留有一定的安全空高，安全空高一般為塔頂切線離泡沫層頂部的距離，國內設計的焦炭塔一般安全空高≥5 m，泡沫層約為3～5 m，而某焦炭塔頂切線高度為31.8 m，安全空高按照5 m，泡沫層高度按照3 m計算，生焦高度應≤23.8 m，焦化大負荷生產下，空高越大，焦炭塔的利用率越低，但油氣在塔內的停留時間延長，有利于泡沫層氣泡的破裂，對減少油氣線和分餾塔內結焦有利。根據2014年10月焦炭塔焦高趨勢圖分析，焦炭塔安全空高富裕度很小，泡沫夾帶嚴重。

（3）存在問題。焦炭塔空塔氣速過高，安全空高過低引起泡沫夾帶嚴重，從而造成分餾塔有堵塞現象。

2.分餾塔

（1）循環比。從目前國內焦化生產情況看，原油性質逐年惡化，原油評價數據2013年1月殘炭15.7%，瀝青質13.1%，2014年1月殘炭16.3%，瀝青質14.9%，密度呈上升趨勢，焦化裝置加工原料性質越來越重質化和劣質化（高瀝青質原料），采用較小的循環比操作時，焦炭塔不同程度的出現了彈丸焦的傾向，引起焦炭塔振動以及彈丸焦處理和分餾塔下部結焦等問題，嚴重影響了裝置的安全和長周期穩定生產。

(3)打開本地電腦中的參數文件后，點擊圖23所示的“寫入數據記錄”按鈕，系統即圖24所示的進入寫入記錄過程中。

2014年10月大負荷生產期間，某煉化延遲焦化車間每天處理量在8700 t，在此負荷下，由于焦化爐負荷的限制，焦化循環比約為0.62，2009年1#某煉化延遲焦化裝置進行了標定，循環比最低可以控制在0.58（只運行1天），而當循環比降至0.58時，壓力開始慢慢上升，直至8 h以后，壓力開始加速上升和急劇波動，有生成彈丸焦的跡象和傾向。在加熱爐輻射出口壓力出現急劇波動后停止標定，根據原油性質變化情況來看，循環比0.62已經是極限（設計循環比0.8）。

（2）存在問題。在大負荷生產情況下，循環比控制較低，輻射油性質變差，輻射油瀝青質含量較高，分餾塔底過濾器和輻射泵入口過濾器堵塞嚴重。

3.加熱爐

加熱爐是整個裝置的核心單元設備，決定了操作周期與經濟效益。在提高裝置加工能力方面，為確保加熱爐的安全運行，應關注加熱爐的質量流量、輻射爐管外壁溫度、平均熱強度等幾方面問題

（1）焦化加熱爐質量流速。為了避免由于爐管內介質的質量流速過大而引起加熱爐熱負荷不足，應控制爐管內質量流速每秒＜1800 kg/m2，由于某原油性質決定，2#焦化質量流速設計每秒1500 kg/m2。

根據焦化單元循環比0.65，常壓渣油221.86 t/h，焦化爐管外徑114.3 mm，壁厚10 mm進行計算，焦化爐質量流速為每秒1820.918 kg/m2，爐管內介質的質量流速過大而引起加熱爐熱負荷不足或爐管的表面熱強度過大而引起爐管結焦。

（2）輻射爐管外壁溫度。管焦的導熱系數很小，實驗測得僅為鋼管導熱系數的1/10，爐管結焦是導致操作后期爐管外壁溫度升高或損壞的根本原因。提量后，結焦前體物生成速率勢必增加，要想確保相同的結焦速率，必須提高結焦前體物的脫落速率。

需要說明的是，盡管出口處介質溫度最高，最高油膜溫度不一定在出口處，特別是燃燒不正常，導致火焰舔管，造成爐管表面局部熱強度大的時候，火焰舔管處油膜溫度反而最高。

進行提高加工能力操作時，由于2#焦化加熱爐材料為T9，加熱爐爐膛溫度控制在≤800℃，管壁溫度≤630℃，同類裝置爐膛溫度控制在≤840℃，管壁溫度≤650℃，這主要是由爐管材質和原料性質決定，合理控制加熱爐爐管的平均熱強度，避免爐管由于局部過熱出現過早結焦、表面氧化爆皮、滲碳等現象。

（3）存在問題。相對常減壓-焦化裝置而言，提高加工能力后，由于脫鹽設備的不配套，普遍存在裝置輻射爐管的結焦（結鹽）問題。

四、防范措施

（1）降低小吹汽流量，減少油氣的焦粉夾帶。建議適當降低小吹汽流量，小吹汽量控制在2.5 t/h。

（2）急冷油、消泡劑在焦炭塔切換后延遲30 min切換。

（3）焦化爐注汽量與焦化原料量之比≥1.5%，保持爐管內合適的介質流速及升溫速率，避免爐管結焦，使產品分布更為合理。

（4）爐管內質量流速范圍控制在每秒≤1650 kg/m2。

（5）焦炭塔安全空高＜9 m時，縮短生焦周期，生焦周期由30 h更改為24 h。

（6）根據原油性質變化，2#焦化循環比設防值0.65，焦化加工量每天應控制在4432.8 t（2爐4塔）。

以上防范措施，應盡可能的滿足。超負荷運行時，應根據設計值及設計富裕度選擇合適的裝置負荷，并制定詳細方案進行。

五、建議

國內各個焦化裝置都對提高處理量進行了嘗試，若實施不當會對裝置構成嚴重影響。因此建議采取以下措施來確保安全生產。

1.加熱爐

為了避免因爐管內介質的質量流速過大而引起加熱爐熱負荷不足，應控制爐管內質量流速每秒≤1800 kg/m2。合理控制加熱爐管表面平均熱強度、油膜溫度等參數，避免爐管由于局部過熱或油膜溫度過高（＞530℃）出現結焦、表面氧化等現象。建議加熱爐爐膛溫度控制在≤820℃，且爐膛各點溫度檢測值之差≤30℃，爐管外壁溫度≤600℃（Cr5Mo材料）或≤650℃（Cr9Mo材料）。保持爐管內合適的介質流速及升溫速率，避免爐管結焦，使產品分布更為合理，應確保加熱爐注汽（水）量與焦化原料量之比＞1.5%。輻射出口溫度控制在490～502℃，避免由于反應溫度過低或過高而降低裝置的經濟性或使生產周期縮短。為了使提高加工能力與節能有效結合起來，加熱爐在操作中應控制：排煙溫度≤170℃，排煙CO含量≤100×10-6，出對流氧含量≤5%，爐體外壁溫度≤80℃，確保加熱爐運行熱效率≥90%。在確保加熱爐穩定運行的同時，盡量避免硫腐蝕對設備造成的損壞，燃料系統應保持壓力≥0.3 MPa，H2S含量≤20×10-6。

管理方面要通過加強現場巡檢、進一步完善加熱爐運行監控手段（增加壁溫檢測點、紅外測溫儀定期檢測等），確保加熱爐始終處于正常燃燒狀態，避免非正常燃燒狀態導致介質結焦速率激增，造成爐管損壞。

2.焦炭塔

加強消泡劑的優選，降低泡沫層高度。泡沫層高度一般是3～6 m，當向焦炭塔內注入消泡劑后，泡沫層的高度應減少30%～50%，在關注消泡劑運行效果的同時，盡量選擇低硅或無硅型，使用含硅消泡劑時，建議加氫裝置增設補硅催化劑，以延長催化劑的使用壽命。

適當降低小吹汽流量，減少油氣的焦粉夾帶，避免油氣線及分餾塔底部高溫部位的結焦。焦炭塔切換前安全空高較低，小吹汽初期焦炭塔內空塔氣速較高，易造成油氣中夾帶大量焦粉，建議適當降低小吹汽流量。建議急冷油、消泡劑在焦炭塔切換后延遲30 min切換，降低油氣線及分餾塔高溫部位的結焦傾向。裝置提高處理量后，焦炭塔切換前空高較低，小吹汽初期焦炭塔內空塔氣速較高，且油氣溫度較高，焦炭塔內泡沫層仍然存在，所以，建議焦炭塔切換30 min后停注急冷油和消泡劑，以降低高溫油氣及泡沫層對高溫部位的結焦影響。

利用肉眼檢查、著色滲透檢查、斷面激光遙控系統等檢測技術，或采用組合手段等加強焦炭塔的檢測。通過上述方法進行的在線檢測，既便于確定焦炭塔變化情況及變形速率，還可根據這些信息確定修補對策，保證裝置的安全生產。

定期對焦炭塔的壽命進行評估，以確保裝置的安全生產。由專門的評估單位采用科學的分析方法，對焦炭塔的壽命進行評估，通過分析和檢測的結果，發現并改變影響焦炭塔損傷的過程和操作方法，以達到延長焦炭塔使用壽命及消除隱患的目的。

完善焦炭塔料位監控系統，及時了解塔內的生焦高度，避免泡沫層沖塔。有條件時應對料位監測點數過少、且不能實現連續監測料位計系統進行升級，補充監測點數＞3點，且最頂部應為連續性料位計。

3.分餾塔

建議對分餾塔底循、輻射過濾器采用雙閥切斷，由于介質含焦粉，切斷閥盡可能豎立安裝，確保設備的安全切除。

合理控制分餾塔頂溫度，避免結鹽。國內大部分焦化分餾塔頂（頂循段）都有不同程度的結鹽，加工負荷提高后情況更加明顯。從煉廠運行經驗來看，適當提高分餾塔頂溫度至120℃以上，會改善結鹽狀況。同時要增加分餾塔頂部水洗流程，在不停工的條件下，能夠進行結鹽水洗操作。

為了避免重蠟油集油箱結焦而影響分餾塔操作，應注重蠟油集油箱的操作調整。對于采用原料進分餾塔的焦化工藝技術，在降低循環比操作時，會造成含有易結焦成分的夾帶，進而上升到重蠟集油箱，長期操作會造集油箱結焦堵死，重蠟油不能抽出，加劇分餾塔的結焦，影響裝置的正常生產。建議采取控制重蠟油集油箱溫度365℃和適當提高循環比的辦法來解決這一問題。

4.其他方面（吸收穩定、氣壓機、除焦系統）

（1）建立設備特護制度，尤其是除焦設備，確保不會因為設備故障影響裝置安全運行。應成立專門的設備維護班組（倒班班組），確保及時處理設備故障。

（2）做好除焦前的各項準備和確認工作，根據焦層高度等情況控制好除焦速度，工藝、設備等管理人員除制定好生產網絡外，還要要求操作人員、除焦人員對網絡節點的執行進行確認，確保裝置的安全生產。

（3）加強腐蝕檢測。加工過程產生的活性硫對設備的腐蝕非常嚴重，為保證裝置安全運行，一定要加強設備、管線的定期檢測和高溫部位的巡檢，同時密切關注低溫部位的工藝防腐效果。

建議新建焦炭塔采用提高材料（15CrMoR或更高材料）等級、改進裙座形式（采用整體鍛造技術等）等手段，以提高操作可靠性和延長焦炭塔疲勞壽命。