延遲焦化裝置焦粉攜帶問題研究

李西春 東營聯合石化有限責任公司 東營 257000

延遲焦化是減壓渣油首先在加熱爐中吸收熱量，再在焦炭塔內發生深度裂解和縮合反應，最后被轉化為氣體、汽油、柴油、蠟油和焦炭的熱加工過程[1]。渣油被加熱到焦化反應溫度之后，迅速進入焦炭塔內進行焦化反應。渣油在焦炭塔進行反應的過程中，通常沿其高度分為3個主要區域，下部是焦炭層，中部是高黏度的瀝青質和膠質(就是通常所說的泡沫層)，泡沫層上部為油氣層。當焦炭塔內的焦層達到一定的高度時，焦粉就會進入分餾塔并對后續生產造成困擾，即發生焦粉攜帶問題。焦粉進入到下一個環節，會給整個生產工藝帶來不利的影響：輕則使汽油加氫、柴油加氫或者加氫裂化工藝原料過濾器反沖洗頻繁，造成生產波動，并產生大量含油污水，增加企業生產成本；重則使焦粉進入到汽油加氫、柴油加氫或者加氫裂化工藝，產生以下不良影響：①堵塞換熱器的通道，影響換熱效果，增加能耗，嚴重時需進行清堵處理，影響裝置長周期運行；②沉積在催化劑的表面，引起催化劑中毒，降低催化劑使用壽命。

本文將首先分析延遲焦化裝置焦粉攜帶的原因，然后從工藝和設備角度分別提出焦粉攜帶的控制措施。

1 焦粉攜帶原因

發生焦粉夾帶進入分餾塔的兩個最基本條件：① 油氣具備足夠的線速;② 泡沫層具有足夠的厚度。油氣的線速越大，它能夾帶的焦粉顆粒粒徑就越大，夾帶的焦粉量也越多；泡沫層的高度越高，焦炭塔上部的氣相空間也就越小，即通常所說的“空高”越小，油氣夾帶的焦粉也就越多[ 2 ]。焦粉攜帶原因列舉如下：

(1)焦炭塔料位過高

近幾年，原油來源多樣化、原料品質日趨劣質化，使得焦化生焦率不穩定，造成焦炭塔內料位不穩定。料位過低，不能充分利用焦炭塔的容積，影響裝置能力；料位過高，則可能出現焦粉夾帶進入分餾塔的風險，影響裝置的安全生產。

(2)吹汽量過大

焦炭塔換塔后，老塔進行冷焦處理，此時塔內仍在繼續發生裂解和縮合反應。因此，焦層上方存在一定高度的泡沫層和軟焦層，若吹汽量過大，會大幅提升油氣線速，進而出現焦粉夾帶現象。

(3)焦炭塔壓力低

焦炭塔塔頂壓力的平穩是抑制焦粉夾帶的重要影響因素之一。操作壓力降低，使產生的氣相產物體積膨脹，促使油氣線速突然增加，同時會使泡沫層的厚度上升，兩者的突然變化，很容易引起焦粉夾帶事件發生。而加熱爐出口溫度、焦炭塔塔頂溫度、壓縮機轉數大小以及系統壓力等都會影響塔頂壓力。

(4)爐管注汽量過大

為減緩爐管結焦，國內通常采用對爐管注汽或注水的方法來提高原料油在爐管內的流速，以縮短爐管內停留時間，減少結焦機會。但注汽量越大，焦炭塔內油氣線速也就越大，也就越容易發生焦粉夾帶現象。

(5)預熱時間縮短

焦炭塔是間歇操作的設備，在切塔前都要進行預熱。一般情況下，油氣預熱時間控制在4～6h。大多數煉廠通常采取縮短生焦周期的方法實現提高處理量的目的，不可避免地對焦炭塔操作程序進行調整，在此過程中，油氣預熱時間就很有可能被縮減。據調研，一些煉廠的預熱時間甚至縮減到3h。這種加快預熱的操作方法嚴重加劇了焦粉夾帶的程度，有時甚至會引起一次性大量焦粉夾帶的發生。這是因為焦炭塔生產塔的塔頂壓力大約在0.15MPa左右，而預熱塔的塔頂壓力要經歷一個逐步升壓的過程，其初始壓力一般在0.05MPa左右，因此，大幅度的調整將引起兩塔塔頂壓力的大幅波動，加劇上層焦粉的擾動，也就加重了焦粉夾帶問題。

(6)其他因素

焦化裝置在生產操作過程中，對焦炭塔內油氣線速和泡沫層厚度有直接或間接影響的因素很多，如原料性質、處理量、加熱爐口溫度、輕重污油回煉量和質量、分餾塔洗鹽操作及富氣壓縮機的運行工況等，這些因素都能在一定程度上影響焦炭塔的正常運行，嚴重時會導致焦粉夾帶進入分餾塔的發生。

2 焦粉攜帶控制措施

針對焦粉攜帶問題產生的原因，本文從工藝和設備角度提出了焦粉攜帶控制措施，列舉如下：

2.1 工藝角度

本文以某公司230萬t/a延遲焦化裝置的運行為例，從以下幾方面提出了工藝控制焦粉攜帶措施。

(1)消泡劑品種的選擇及注入控制：向焦炭塔內注入消泡劑不僅可以抑制泡沫層厚度、提高焦炭塔有效容積率和防止焦粉夾帶，而且能夠起到改善焦化汽柴油質量、減少焦炭中起泡含量、提高焦炭機械強度和電導、減少過熱結垢、延長裝置連續生產周期的作用。同時，該方法具有簡單易行和成本低廉的特點，因此，被國內外大多數焦化裝置所采用。但消泡劑的消泡效果受其品種、注入位置、注入量和注入時間的影響，應針對不同原料性質確定消泡劑品種，消泡劑注入量應根據焦炭塔料位及時調整，并制定專門消泡劑調整方案。

(2)焦炭塔空高的控制：行業內焦炭塔空高控制在13m左右，為了控制焦炭塔空高，車間采取了如下措施：① 原料殘炭控制<20.5%；② 加工量控制單爐不超3300t/d，兩爐不超6571t/d；③ 車間制定空高15m報警值，空高15m時反應主操聯系車間管理人員，調整原料殘炭或降低加工量；④ 根據焦炭塔的中子料位計及時調整加工量和切四通時間，焦炭塔第二個料位計見料位后，增加預熱速度,一個小時內切四通，若達不到條件，則申請降低加工量。

(3)切四通操作：小給汽流量控制，設計焦炭塔小給汽流量為4.2t/h，現在控制在3.5t/h；焦炭塔生焦后期和切四通后改放空塔前的時間段內，避免使用污油做急冷油，避免焦炭塔壓力波動和焦粉帶入分餾塔內；壓縮機ccc控制系統手動控制時，提前調整，控制分餾塔壓力波動范圍不超0.015MPa；切四通前焦炭塔預熱溫度塔底≥330℃，塔頂溫度≥380℃；在小給汽和改放空階段，底循上返塔流量控制平穩，嚴禁降低底循上返塔流量，保證油氣洗滌效果。

(4)焦炭塔壓力控制：焦炭塔壓力控制，是通過壓縮機ccc控制系統調節分餾塔壓力實現的，壓縮機ccc控制系統手動控制時，提前調整，控制分餾塔壓力波動范圍不超0.015MPa，ccc控制系統即使手動調節也比傳統505控制系統更加平穩。

(5)爐管注汽量：爐管注汽是為了保證爐管線速，減緩爐管結焦趨勢，注汽量通過控制爐管出入口壓差和對流室入口壓力進行調整，控制爐管出入口壓差≥0.75MPa，對流室入口壓力≥1.05MPa，現在每個加熱爐注汽量為1.5～1.6t/h，設計值為1.6t/h，爐管注汽在設計范圍內。

(6) 焦炭塔預熱速度：焦炭塔預熱時間都在6h左右，滿足一般要求的4～6h，不存在預熱過快情況。

(7) 其他控制因素：蠟油做焦炭塔急冷油時，使用熱蠟油，增加急冷油對焦粉的洗滌流量；爐出口溫度控制在495℃，滿足設計要求；油氣放空閥和進料隔斷閥注汽采用間斷注入；循環比按照設計的0.2～0.4進行控制。

2.2 設備角度

通過對同行業相同裝置調研，發現目前通過延遲焦化裝置設備改造以減少焦粉攜帶問題的方案分為兩類。一類是分餾塔內改造(增加分餾塔噴淋設施)；一類是分餾塔外改造(增加預過濾器或在罐區沉降等)。

(1)分餾塔內改造

分餾塔內改造措施主要為增加分餾塔噴淋設施。本文以海科石化和昌邑石化為例說明分餾塔內改造的效果。

海科石化在未進行改造前，不能進行直供操作。分餾塔內改造(增加分餾塔噴淋設施)后焦化汽柴油和常減壓混合柴油可直供加氫，加氫過濾器每班反沖洗2次左右。

昌邑石化在焦化裝置分餾塔內增加洗滌設施后，直供加氫仍然帶焦粉嚴重，將加氫反沖洗過濾器由25μm改為50μm的過濾精度后，加氫過濾器反沖洗頻次明顯降低，每天強制反沖洗一次。

昌邑石化和海科石化對分餾塔增加噴淋洗滌設施后均反映效果不太理想，對人員操作要求和加工負荷要求較高，操作彈性降低，且增加的洗滌設施會出現堵塞噴嘴的情況，整個運行周期(2年)內會有不同程度結焦情況，結焦后不能進行在線處理，影響裝置提高負荷和產品質量穩定。因此，建議分餾塔內改造(增加分餾塔噴淋設施)需進行考察論證、規避風險后方可進行。

(2)分餾塔外改造

分餾塔外改造的措施主要包括增加預過濾器、在罐區沉降等，配合加氫精制裝置混合原料反沖洗過濾器。采取分餾塔外改造的案例如下：

①增加預過濾器，焦化汽柴油直供加氫精制

河北鑫海化工在焦化汽柴油沒有實現直供加氫的情況下，在焦化出裝置前增加了一臺40μm預過濾器，準備直供。揚子石化和荊門石化在焦化裝置汽柴油出裝置前增加一套自動反沖洗過濾器，過濾精度50μm，焦化汽柴油直供加氫精制，同時加氫精制裝置設置混合原料反沖洗過濾器，過濾精度25 μm，每4～8h反沖洗一次。

②在罐區沉降，焦化汽柴油不直供加氫精制

新海石化、玉皇盛世、京博石化、東明石化目前均采取了將焦化汽柴油在罐區沉降的措施，沉降后再進加氫精制裝置混合原料反沖洗過濾器，運行良好。但在罐區沉降會增加裝置能耗和投資，不利于熱聯合節能，以前述裝置為例說明如下：

能耗增加量計算如下：按照加氫110%負荷計算，焦化汽柴油不直供，進入罐區沉降，則需增加熱量為110%×190萬t/a×(125-50℃)× 2.2MJ/(t·℃)=3.4485×108MJ/a，需消耗加熱蒸汽量為3.4485×108MJ/a /(2837MJ/t)=12萬t/a(3.5MPa飽和蒸汽)，電耗相對于蒸汽忽略不計。

另外，在罐區沉降可以降低污油回煉量(每天38t)，由于其量小不考慮污油熱量損失和電耗。

在罐區沉降也會增加裝置投資，需要單獨設置一個沉降罐，按照24h沉降計算，罐容至少需要3000m3。

綜上所述，兩類設備改造方案相比，分餾塔內部改造(增加分餾塔噴淋設施)效果不樂觀，分餾塔外部改造(增加預過濾器或在罐區沉降等)效果明顯。而分餾塔外部改造方案中，增加預過濾器(焦化汽柴油直供下游加氫精制裝置)與在罐區沉降(焦化汽柴油不直供下游加氫精制裝置)相比，可節約能耗、減少投資、降低企業加工成本，具有較大優勢。

3 結語

延遲焦化裝置焦粉攜帶問題嚴重影響下游裝置平穩運行，焦粉進入后續加工環節，會對整個生產工藝造成不利影響。本文通過詳細分析焦粉攜帶原因，從工藝和設備角度提出了焦粉攜帶控制措施。

(1)工藝方面：本文以某230萬t/a延遲焦化裝置的運行為例，從消泡劑品種的選擇及注入控制、焦炭塔空高的控制、切四通操作、焦炭塔壓力控制、爐管注汽量、焦炭塔預熱速度等方面提出了工藝控制焦粉攜帶措施。

(2)設備方面：提出了兩類延遲焦化裝置設備改造方案以減少焦粉攜帶問題，同時針對不同改造方案，以同行業實際應用情況分別說明了其改造效果。結果表明，分餾塔外改造中增加預過濾器方案(焦化汽柴油直供下游加氫精制裝置)與其余設備改造方案相比，具有較大優勢。