減壓塔填料結焦原因分析及應對措施

(中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東 青島 266555)

某煉油廠12 Mt/a常減壓蒸餾裝置采用KBC減壓深拔技術，減壓塔自上而下共設有5段填料，塔底汽提段采用浮閥塔盤。Ⅰ段至Ⅲ段填料材質為0Cr18Ni9,Ⅳ,Ⅴ段為316L。在2015—2019年第三生產周期發生嚴重結焦的是第Ⅴ段，即洗滌段填料。該段采用的是組合填料形式，上部為波紋填料，底部為垂直格柵填料。在2011—2015年第二個生產周期，該段填料曾經發生過結焦，但結焦程度較輕，為保證設備的長周期運行，在2015年檢修時對該段填料進行了整體更換。在2019年檢修期間，發現洗滌段填料結焦情況比上一生產周期更加嚴重。

1 減壓塔填料結焦情況

在檢修期間，通過減壓塔內部檢查確認，第Ⅳ段及以上部分填料基本沒有出現結焦情況，第Ⅴ段填料即洗滌段局部結焦比較嚴重，填料上部結焦形態為油泥狀，越接近填料中下部，結焦越嚴重，結焦產物呈硬質焦塊狀(見圖1)。

圖1 減壓塔洗滌段填料結焦形貌

分別對減壓塔洗滌段填料中、下部焦狀樣品進行分析，結果見表1。

表1 洗滌段填料焦狀樣品分析

通過對樣品組成進行分析，樣品中元素大部分為碳，質量分數為69.32%和79.50%，判斷該樣品為結焦產物。樣品中金屬含量較低，這部分金屬一部分來自原油本身，另一部分為高溫硫腐蝕產物。洗滌段填料上部的油泥，是在停工期間柴油超級清洗過程中產生：柴油清洗時，洗滌油段流量僅為100 t/h左右，達不到填料最低噴淋密度要求，導致一些機械雜質和黏油等附著在填料表層而形成表層油泥。而填料中、下部的硬質焦塊，判斷是在生產過程中產生。

2 結焦原因分析

2.1 原料性質

統計該煉油廠2011—2015第二生產周期和2015—2019第三生產周期加工原油品種及數量，結果見表2。

表2 第二、第三生產周期原料統計

通過對比第二周期和第三周期加工原料發現：總加工量以及主要加工原油品種變化不大，但第三周期加工伊重原油的比例明顯提高，伊重原油相比另外幾個油種殘炭、膠質和瀝青質含量更高，結焦傾向性更大[1]。另外，從第三生產周期開始回煉儲運罐區重污油，其性質較差，機械雜質含量較高，容易在填料層內形成垢物，加劇填料結焦。

2.2 操作參數

統計該煉油廠第二周期和第三周期減壓爐出口溫度、減壓塔洗滌油流量等與洗滌段填料結焦密切相關的運行參數(剔除異常工況條件下的極值)，并與設計值作比較，結果見表3。

由表3可以發現，第三周期減壓爐平均出口溫度為422 ℃，較上周期平均低2 ℃，較設計值低4 ℃，減壓塔閃蒸段平均溫度為397 ℃；洗滌油流量最低不小于180 t/h，高于設計值166.3 t/h。

第三生產周期操作參數波動不大，均未超過設計控制要求，操作參數的變化并不是導致填料結焦的原因。另外，運行末期，減壓塔各運行參數、減壓深拔效果和產品質量指標等均未發現明顯異常，因此判斷洗滌段填料屬于局部區域結焦，填料尚能滿足減壓塔分離要求，檢修時填料拆解過程中也證實了這一點。

表3 減壓系統相關操作參數

2.3 異常工況

在第三生產周期，由于外部電網線路故障，導致該煉油廠現場設備供電中斷，裝置被迫緊急停工。減壓塔各中段回流突然中斷，特別是洗滌段，其溫度在390 ℃左右。洗滌油中斷后，填料層內局部過熱，加快了重質油品裂化和縮合反應，從而導致結焦[2]。這些焦塊停留在填料層內，導致填料層潤濕不均勻，局部潤濕不足，進一步加劇結焦[3]。洗滌油的突然中斷是洗滌段填料結焦的重要原因。

2.4 設備問題

通常情況下，比表面積在125～200 m2/m3的規整填料，推薦最小洗滌油的噴淋密度在0.5 m3/(m2·h)左右。噴淋密度與洗滌油的流量、性質和洗滌段壓力等操作參數有關[4]，利用HYSYS流程模擬軟件建立仿真模型，以設計加工量12 Mt/a為基準，洗滌段殘壓3.8 kPa條件下，得到不同洗滌油量對應的氣液相負荷數據[5]，并計算出噴淋密度(見表4)。

表4 不同條件下洗滌段填料噴淋密度

由表4可知，為滿足最小噴淋密度要求，洗滌油流量應控制在160 t/h以上，最小不得低于150 t/h。按照2015—2019年第三生產周期的洗滌油流量為180～200 t/h，在正常生產的條件下，理論上完全滿足噴淋要求，但在檢修過程中，發現洗滌油個別噴頭出現了堵塞的情況。噴頭堵塞導致洗滌段填料局部區域得不到充分潤濕，是洗滌段填料結焦的另一個重要原因。

2.5 加工負荷

該煉油廠于2015年第二次大檢修時進行了擴能改造，加工量由10 Mt/a擴大至12 Mt/a，但減壓系統未進行同步改造，通過優化操作參數，按最初設計負荷的110%操作。另外，自2017年底起，為改善下游柴油加氫裝置原料性質而降低常三線95%餾出點，常三線柴油拔出量降低，導致減壓塔實際操作負荷進一步上升。減壓塔負荷的增大，對洗滌段填料結焦有一定促進作用。

3 結論及建議

3.1 結焦原因

(1)全廠停電和緊急停工，導致洗滌油突然中斷，致使填料層局部過熱；

(2)洗滌油個別噴頭堵塞，導致局部填料潤濕不均勻；

(3)劣質原油及重污油摻煉比例提高和減壓塔加工負荷的增大，一定程度上加劇了洗滌段結焦。

3.2 建議措施

(1)控制劣質原油的加工比例，控制重污油摻煉比例，每次摻煉不超過150 t/h。

(2)操作參數嚴格按照減壓塔設計要求，并保證一定的安全裕量。日常操作中，嚴格監控洗滌段填料壓力降，發現異常時，及時調整。

(3)做好異常工況應急響應，嚴格控制減三線集油箱液位不低于40%，防止減三線泵抽空導致洗滌油突然中斷。建議在減二線泵出口和洗滌油管道增加一條跨線，在洗滌油突然中斷時，可由減二線臨時代替洗滌油，防止洗滌段填料局部過熱。

(4)對減壓塔洗滌油噴頭全部疏通、清洗，堵塞嚴重的噴頭進行更換，避免因設備原因導致填料結焦。

(5)進行工藝技術改造，常壓塔增加常四線以便蠟油直接送至下游裝置,從而降低減壓塔負荷。