通過創新精益管理解決焦粉攜帶難題的實踐

趙玉林 許海濱(玉門油田分公司煉油化工總廠，甘肅 玉門 735200)

0 引言

某煉廠有一套50萬噸/年延遲焦化裝置，采用雙面輻射、多點注汽、自動頂底蓋機、PRC 除焦聯鎖控制系統等先進工藝。2019年是該套裝置建成后的第二次大檢修，也是首次全面檢修。在檢修塔器時發現，該套裝置的分餾單元、吸收穩定的再吸收塔、大油氣線均存在嚴重的結焦和焦粉攜帶問題，清理出焦粉焦塊400 余小袋，6臺換熱器因焦粉攜帶產生了嚴重的垢下腐蝕而被迫更換管束。既大幅增加了檢修工作量，也危害安全平穩開煉。且在下游的柴油加氫裝置(焦化柴油是該裝置原料)的原料換熱器中發現大量攜帶焦粉，對下游裝置也造成了沖擊。

1 焦化裝置結焦狀況

1.1 檢修期間暴露出的結焦問題

爐管結焦不均勻，上薄下厚油性大。加熱爐出口管線結焦嚴重管線結焦嚴重，平均厚度20mm，最厚的位置達到55mm。清出焦塊深黑光澤、硬度大。

分餾塔內存在嚴重結焦情況：各段集油箱均有不同程度焦粉沉積，柴油、重蠟抽出集油箱焦粉極多，已到達人孔下緣，并伴有明顯黃色物質。輕蠟、頂循集油箱焦粉很少，相對干凈。塔底將軍帽以下焦粉沉積較多，上部進料浮閥卡死。塔底蛇形塔盤上有大面積硬焦，人工清理不動，最后使用電錘強行清理，清出焦塊致密堅硬。分餾塔底清理用時10天。蠟油下回流、塔底攪拌器、塔底上下回流等四路返塔分布管均被硬焦堵實。

柴油側線涉及換熱器、空冷均存在嚴重結焦，且腐蝕嚴重：空冷A-143AB結垢及焦粉沉積較多，伴有黃色物質。

再吸收塔內塔盤存在焦粉較多，清理困難，類似分餾塔柴油段；吸收穩定單元其他三塔相對干凈。再吸收塔清理用時1周，其余三塔用時2天完成。

焦炭塔頂至分餾塔大油氣線內嚴重結焦20mm左右，機械清焦用時33天清理80m大油氣線。

E101～E105 五組原料換熱器均存在不同程度抽芯困難，加熱抽出后發現管束表面有粘油、粉焦。

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1.2 正常運行期間的結焦情況

焦炭塔頂油氣出口短節存在結焦，最厚時堵塞約1/2 管徑，造成焦炭塔壓力偏高。正常操作壓力0.14MPa，在達到0.16MPa以上時即安排打開短節悶頭進行清理；一般每15～20天即安排清理短節悶頭一次，堵塞約1/3～1/2管徑，清理出的是硬焦；東塔結焦情況明顯比西塔要嚴重。

分餾塔底循環油過濾器需定期清理，最厚時占過濾器圓截面的2/3。根據過濾器壓差達到0.2MPa 以上時即組織清理；一般每周需清理過濾器一次，清理出大約1袋子焦粉；清理出的是粉焦，有時會有較大焦塊。由于需要頻繁清理，崗位員工勞動強度較大，且存在重大作業風險。

日常檢維護柴油、輕蠟、重蠟蒸汽發生器時，發現柴油蒸汽發生器內焦粉較多，有些已聚結成焦塊，并伴有黃色物質；柴油蒸汽發生器堵漏三次，在檢修時整體更換管束。柴油與富吸收油換熱器E-105 因為管束結焦堵塞，長期停用。

2 全員共同參與解決生產運行難題

針對檢修期間暴露出的結焦問題，焦化車間在全車間范圍內開展大討論活動，并召集技術能手、業務骨干，發動了一起“頭腦風暴”，認真分析出現焦粉攜帶及結焦存在的原因，并從廣度上討論了今后的工作措施：

(1)分餾塔的焦很明顯地分為兩部分：一部分是上部的粉焦，主要是系統攜帶的；另一部分是塔底的硬焦，主要是從焦炭塔攜帶的焦粉與熱油在塔底長期高溫作用結焦。

(2)分餾塔底溫度在385℃左右，蒸發段在400℃，且分餾塔底上下部回流量實際控制2～3t/h，失去洗滌作用；在檢修期間也發現分配管結焦結死。焦粉不能在塔底洗滌下來，大量焦粉被高汽速攜帶上移，進而在蠟油集油箱聚集。

(3)需要核算焦炭塔線速。線速過大極易造成焦粉攜帶。

(4)小給汽時汽量過大，可能會導致焦粉攜帶到分餾塔單元。分餾塔底清理出的焦塊，有些實際上是焦層高時，小給汽帶水沖擊，造成線速較大，攜帶焦塊。

(5)急冷油以蠟油為主，有時使用污油作急冷油，間歇使用，每天切換兩次；由于污油中雜質多、重組分多、含水多，性質不穩定，容易造成局部線速超標，加劇焦粉攜帶。

(6)再吸收塔的焦粉是柴油被污染后攜帶過去的；分餾塔抽出側線攜帶焦粉在換熱器等低流速部位存在嚴重沉積。

(7)按照焦化裝置經驗，高于360℃的部位極易發生結焦，尤其是在有焦粉攜帶條件下。按照經驗，溫度每上升2～4℃，反應速率將增加一倍。新焦化裝置比原30 萬噸/年焦化裝置的分餾塔底溫度要高15～20℃。

3 焦粉攜帶及結焦的深層次原因

3.1 焦粉在焦炭塔的動力學研究

焦炭塔的孔塔線速一般要求不大于0.2m/s，在生焦過程中該速度一般在0.12～0.16m/s 左右。焦粉顆粒會隨著這股上升氣流而爬升：大粒徑爬升距離較小，會逐漸沉降至泡沫層并生焦；小粒徑容易隨氣流攜帶出焦炭塔；中等粒徑會在焦炭塔中有明顯攀升，如超出當前有效空高，則會隨氣流攜帶至后續設備，進而加劇后續設備結焦。根據參考文獻，分析焦粉顆粒在此過程中受力并分析，可以得到兩個明顯界點：粒徑低于500μm 的，將會一直隨氣流攜帶；粒徑高于1500μm 的，被攜帶高度較低，可以認為不會隨氣流快速攀升。而500～1500μm 粒徑的，將隨氣流快速攜帶，隨著有效空高降低，攜帶量也急劇增加。因此控制有效空高具有極大意義，是控制焦粉攜帶的重要一環。

3.2 急冷油的注入分析

在生焦過程中，在焦炭塔頂部注入急冷油，能夠起到降溫洗滌的作用。新焦化裝置設計急冷油使用焦化重蠟油，在油氣短節底部三點注入，可以形成較大的噴射扇面，并可將部分小焦粉顆粒黏結在一起形成大顆粒粒徑，能有效減少焦粉攜帶。在實際生產中，有時采用污水油、催化油漿作急冷油，這些物料含水量較高，急冷油注入量只有1t/h 左右，比正常注入量2.5t/h嚴重偏低，起到的降溫洗滌作用不明顯。且污水油、催化油漿組分比重蠟油更重，霧化效果極差，不能形成噴射扇面，部分重組分在大油氣線入口處聚結，形成嚴重的焦炭塔出口短節結焦。焦炭塔出口短節結焦，一般每半個月就需要清理一次。

4 焦粉攜帶預防控制措施及效果檢驗

4.1 焦炭塔單元的操作優化

(1)核算空塔線速在0.15m/s 左右，在設計0.2m/s 以內。

(2)調整特閥用汽、底蓋機用汽，減少蒸汽進入塔內增加空塔線速風險。

(3)控制切換速度，防止切換沖擊；小給汽前注意脫水，防止帶水沖擊。

(4)嚴格控制生焦過程中的有效空高：控制日常生焦高度不大于15m(切焦檢尺)，此時生焦末期時，有效空高約為6～8m左右；焦層高于11m 時，在生焦末期及時注入消泡劑。

(5)嚴防加熱爐進料量和分餾塔頂壓力的大幅波動，防止焦炭塔空塔線速大幅波動導致焦粉攜帶。

(6)優化污水油做急冷油注入的方式，減少帶水沖擊，減少急冷油中重組分在油氣出口的聚集。當焦炭塔頂壓力超過0.16MPa 時，及時組織清理油氣出口短節。

在焦炭塔單元采用的主要操作思路是“穩定操作、減少波動，控制空高、減少攜帶”。

4.2 分餾塔單元的操作優化

(1)穩定分餾塔底下部循環油量，保障上下部兩路進料不小于7t/h，保障合理的洗滌量，實現分餾塔單元中第一階段的焦粉洗滌

(2)控制循環油與原料換熱器E-105 合理開度，保障取熱效果；控制分餾塔底蒸發段氣相溫度不大于390℃，比之前降低約10℃；控制分餾塔底液相溫度不大于370℃，比之前降低約15℃。通過以上措施，降低分餾塔底液相溫度，避免高溫結焦加速風險，防止塔底結硬焦。

(3)加大分餾塔上部回流量，優先提高和穩定二中、一中、柴油上回流的循環量，充分保障頂循環回流量，提高塔盤內回流量，提高焦粉洗滌效果。經計算，內回流量比之前提高約1 倍，充分保障內回流，減少焦粉的夾帶上行。

(4)適度控制頂循下回流、柴油下回流、蠟油下回流，將內回流洗滌的焦粉從上往下逐層下降到分餾塔底，并最終從分餾塔底過濾器洗滌出來。

在分餾塔單元采用的主要操作方案是“穩定操作、減少波動，回流壓制，熱量下移、焦粉下移，減少焦粉上行量和減少高溫結焦區”。

4.3 其他單元的操作優化

穩定控制加熱爐進料量，提高原料入爐溫度，嚴格控制爐管表皮溫度，做好機械清焦的計劃。

跟蹤原料質量，減少焦粉、固含在原料換熱器內的沉積；杜絕高含水原料進緩沖罐造成的沖擊。

4.4 優化調整效果對比

分餾塔底過濾清焦頻次由之前的1 次/周降至1 次/月；清理出的焦粉量降至之前的1/3，且不再有大焦塊。

焦炭塔頂油氣出口短節清理頻次由之前的1 次/2 周降至1 次/月，最長可達45 天不用清理；清理時，結焦量降至之前的1/4，危害性大幅降低。

柴油側線抽出使用濾紙過濾，每500mL 在濾紙上焦粉顆粒不到之前的1%以下。

5 結語

焦化裝置焦粉攜帶是一項系統性難題，在現有條件下實施整體優化策略控制焦粉攜帶具有十分現實的意義，不僅壓制住了過量的焦粉攜帶，還實現了整體能量優化，節能效果也十分顯著。而在此過程中產生的產品質量效益與熱量平衡之間的矛盾，在優先考慮保障基本產品指標和長周期指標之后，繼續尋找新的效益平衡點，進一步從前端控制、基于現實來保障裝置的長周期平穩開煉。