焦炭塔晃動和焦粉攜帶原因分析及處理措施

高權坤，楊靖(山東昌邑石化有限公司，山東 濰坊 261300)

0 引言

延遲焦化裝置是重質油輕質化的重要手段，由于其具有投資成本低、經濟效益好等優點，在世界范圍內得到廣泛推廣。隨著原料性質的不斷惡化，原有的工藝參數和設備不能滿足原料加工的要求，要根據原料性質的變化，不斷進行技術改造和優化操作。延遲焦化裝置在運行過程中出現了一些問題，影響裝置正常運行，值得各企業關注。延遲焦化裝置原料在高溫下反應生成NH3、HCl等反應產物，NH3和HCl溶于水形成NH4Cl溶液，分餾塔塔頂析出的銨鹽與焦粉等混合結垢，造成分餾塔壓降增大，影響正常操作[1-2]。隨著減壓渣油性質變重，以及回煉的催化油漿攜帶催化劑固體顆粒，加快了加熱爐爐管結焦，造成能耗損失，加熱爐效率下降[3]。

近期公司延遲焦化裝置出現焦炭塔晃動，對裝置的安全生產構成了威脅，對原料的性質和工藝參數等方面進行了原因分析，并針對問題采取有效的處理措施，解決了焦炭塔晃動問題。在檢修過程中發現大油氣線和分餾塔內部結焦問題，進行了原因分析，提出了降低焦粉攜帶問題的處理措施，為裝置開工后長周期運行提供了方法指導。根據原料性質的變化，及時調整工藝參數，加強裝置日常精細化操作，避免此類問題的發生。

1 延遲焦化裝置工藝原理

公司的延遲焦化裝置是由荊門煉化工程設計有限公司設計，加工處理量為100萬噸/年，原料主要為減壓渣油，同時摻煉3%～8%的催化油漿，采用“一爐雙塔”工藝流程。延遲焦化裝置包括三大部分：焦化部分、吸收穩定部分和脫硫部分。焦化部分包括加熱爐區、焦碳塔區、分餾區、放空區、冷切焦水處理區、水力除焦和石油焦裝車區。延遲焦化裝置的工藝原理是以渣油等重質油為原料，經加熱爐加熱到高溫，迅速轉移到焦炭塔中進行深度熱裂化反應，減輕加熱爐管的結焦程度，焦化過程產生的油氣從焦炭塔頂部進入分餾塔底部進行分餾，獲得富氣、粗汽油、柴油、蠟油、重蠟油等產品，在焦炭塔底部生產焦炭，經除焦系統處理，獲得石油焦。富氣經吸收穩定裝置脫除液化氣組分，經脫硫裝置處理后得到凈化干氣并入燃料氣管網，用作加熱爐燃料；吸收穩定裝置穩定塔塔頂獲得的液化氣，經脫硫裝置處理后，用作氣體分離裝置的原料；粗汽油經吸收穩定裝置脫除輕組分后得到穩定汽油，將其與柴油混合在一起作為汽柴油加氫裝置的原料；一部分蠟油作為焦炭塔頂急冷油，維持反應油氣溫度和減少焦粉攜帶，一部分蠟油外送，作為催化裂化裝置的原料；重蠟油抽出作為回流，可緩和汽油、柴油及蠟油夾帶焦粉的現象，可以控制輕蠟油抽出的質量。

2 延遲焦化裝置焦炭塔晃動原因分析及處理措施

2.1 焦炭塔晃動原因分析

根據延遲焦化裝置工藝原理可知，焦炭塔是高溫油氣反應和焦炭生成的場所，焦炭塔的穩定操作至關重要。近期焦炭塔出現晃動，造成焦炭塔塔底的地腳螺栓松動，對裝置的安全生產構成了威脅，通過降溫降量等手段緩解了焦炭塔晃動，優化工藝參數調整，避免晃動進一步加劇，造成安全生產事故。

彈丸焦的形成是焦炭塔晃動的主要原因，而焦化原料性質是形成彈丸焦的內在因素，瀝青質含量高的原料容易形成彈丸焦[4-5]。可以通過NB/SH/T 0509—2010《石油瀝青四組分測定法》測定焦化原料中的飽和分、芳香分、膠質和瀝青質，根據瀝青質的含量指導生產。焦炭塔內氣體速度也是造成塔晃動的原因之一，氣體速度越大，對焦炭塔的沖擊力越大，越容易造成焦炭塔晃動[5]。影響氣體速度的因素有原料性質、反應溫度、反應壓力、循環比、加熱爐注汽量等，通過調整這些參數，將焦炭塔內氣體速度維持在合適的范圍內，保證焦炭塔穩定操作。

對常減壓裝置來的減壓渣油的餾程進行了分析，初餾點為243 ℃，510 ℃對應的餾出量為10%，說明減壓渣油中輕組分較多，對焦炭塔的沖擊力較大，這可能是造成延遲焦化裝置焦炭塔晃動的根本原因。

2.2 焦炭塔晃動處理措施

延遲焦化裝置焦炭塔出現晃動后，采用降溫降量的方法調整，避免焦炭塔大幅晃動，但這是以降低加工量為代價，為了保障焦化裝置在平穩生產的前提下滿負荷運行，調整了原料性質，優化了分餾塔-加熱爐-焦炭塔操作。

焦化原料性質越輕，對焦炭塔的沖擊力越大，通過控制常減壓裝置減壓塔和催化裂化裝置分餾塔操作，加大渣油和催化油漿拔出深度，降低輕組分含量；焦化原料中瀝青質較高時，可以通過加大分餾塔的循環比，抑制彈丸焦的形成。增大循環比會降低延遲焦化裝置加工量，在保證焦炭塔穩定操作的前提下，盡量采用較低的循環比，一般循環比要維持在0.1～0.5區間范圍內。

反應溫度越高，焦炭塔內油氣反應速度越快，氣體速度越大，對焦炭塔的沖擊力越大，越有利于彈丸礁的形成，越容易發生焦炭塔晃動問題，因此要嚴格控制反應溫度。但反應溫度不是越低越好，較低的反應溫度會造成油氣反應不徹底，出現粘油，堵塞出焦口，造成嚴重的生產事故，一般控制反應溫度在485～500 ℃范圍內。

較高的壓力能抑制彈丸礁的形成，但較高的壓力會降低液體收率，影響經濟效益，同時對焦化裝置設備材質要求也越高，控制指標一般不大于0.23 MPa，但一般不把壓力作為調節焦炭塔操作的手段。控制好加熱爐注汽量，在保證加熱爐管不結焦的前提下，盡量減少蒸汽的用量，避免注汽量過大，氣體速度增大，造成焦炭塔壓力波動，甚至焦炭塔晃動。

通過對以上各參數進行調整，消除了焦炭塔晃動隱患，加工量也恢復到滿負荷水平。要加強日常巡檢，監控好焦炭塔塔底地腳螺栓松動情況，以及油氣管線的支吊架起作用情況，發現問題及時修復，保障焦炭塔的穩定操作。

3 焦粉攜帶原因分析及處理措施

3.1 焦粉攜帶原因分析

在檢修期間，發現延遲焦化裝置大油氣線和分餾塔內部結焦，焦層較厚。大油氣線結焦，使得油氣進入分餾塔的通道變窄，增大了焦炭塔壓力，影響液體收率和裝置長周期運行；分餾塔內部結焦，塔底焦粉較多，焦粉隨塔底油進入加熱爐、焦炭塔，造成管線和設備的磨損等問題，部分焦粉進入干氣、液化氣、汽油、柴油等產品中，對下游裝置的運行造成很大的危害。焦粉隨干氣和液化氣進入脫硫裝置，加快設備腐蝕，會堵塞過濾器造成壓降增大，還會造成脫硫劑發泡，影響脫硫效果。干氣含硫較高，經加熱爐燃燒后排放的尾氣二氧化硫超標；液化氣含硫較高，經氣體分離裝置得到的產品硫含量不合格。焦粉隨汽油和柴油進入汽柴油加氫裝置，加快設備磨損，嚴重的情況下焦粉進入加氫反應器，積聚在催化劑表面，造成壓降增加，嚴重影響裝置的安全運行。焦粉攜帶會造成裝置的多個位置結焦，因此清焦工作強度很大，影響裝置運行時間，必然影響裝置的加工量。

延遲焦化裝置整體上說屬于連續操作裝置，但對于焦炭塔來說，屬于間歇操作生產工藝，按照24 h生焦周期操作。焦炭塔工序包括趕空氣、試壓、預熱、換塔、小吹氣、放空、大吹氣、給水、放水、除焦等，各工序操作不當，會造成焦炭塔壓力波動，塔內氣體速度變化，出現焦粉攜帶問題。除了焦炭塔工序影響焦粉攜帶以外，生產過程中各工藝參數的控制也是重要的影響因素。焦炭塔油氣氣體速度較快和安全空高不足，會造成油氣攜帶反應不完全的泡沫層內的焦粉進入大油氣線以及分餾塔[6-7]。焦粉攜帶是焦化裝置普遍存在的問題，減少焦粉攜帶的關鍵是加強日常精細化操作，保障裝置的長周期運行。

3.2 焦粉攜帶處理措施

殘炭值是延遲焦化裝置結焦傾向的指標，焦炭產率一般為原料殘炭值的1.5～2.0倍[8]，利用國家標準GB/T 17144—2021《石油產品 殘炭的測定 微量法》測定原料的殘炭值，推測出焦炭的收率，用于指導焦炭塔的切塔時間。

要平穩操作每一道焦炭塔工序，尤其是預熱階段和小吹氣階段。預熱階段，要維持老塔壓力穩定，不能出現壓力大幅度降低，造成油氣氣體速度增加，造成攜帶焦粉；小吹汽階段，蒸汽速度過快，會攜帶焦粉進入油氣大線和分餾塔，對管線和設備造成損壞，因此要控制注入焦炭塔的蒸汽速度。

在較高的反應溫度下，油氣在焦炭塔內的反應深度大，可以有效降低泡沫層高度，但反應溫度過高，同時也增加了氣體速度，造成更多的焦粉攜帶量，因此需要合適的反應溫度。在較高的壓力下，能降低焦炭塔內油氣氣體速度，抑制焦粉攜帶，但較高的壓力會降低液體收率，影響經濟效益，一般不把壓力作為降低焦炭塔焦粉攜帶的調控手段。

加熱爐注汽量大，抑制了加熱爐管結焦，但會造成焦炭塔氣體速度增大，增加焦粉攜帶的機率，因此加熱爐注汽量要根據裝置加工量調控在合適的范圍內。

中子料位計常用于焦炭塔上部、中部、下部的焦炭層高度、泡沫層高度和水層高度的測量，其工作原理是將中子源與中子管裝在焦炭塔壁的同一個位置上，利用測量被測物含H、C密度的變化來測得焦炭的高度。中子料位計指示值小于8%為油 氣，8%～33%為 稀 泡，33%～55%為濃泡，55%～80%為焦炭，80% 以上為水。

利用中子料位計實時監測焦炭泡沫層高度和焦炭層高度，泡沫層高度較高時，要及時加入適量的消泡劑(消泡劑加入量根據泡沫層情況進行調整)，降低泡沫層高度，提高焦炭塔利用率。當焦炭層高度較高時，及時調整加工量和切塔，避免焦炭塔空高太小，造成焦粉攜帶問題。

延遲焦化裝置以蠟油作為焦炭塔的急冷油，起到維持塔頂溫度和降低焦粉攜帶的作用，根據焦化裝置加工量，及時調整急冷油的加入量，維持塔頂溫度在420 ℃左右。在裝置正常運行過程中要保持急冷油不斷注入，嚴格控制急冷油的溫度和流量，減少發生焦粉攜帶問題。

通過對以上各參數進行調整，減少焦粉攜帶。在裝置運行過程中，要加強中控樣品狀態的觀察，發現焦粉攜帶問題，要及時分析焦粉攜帶原因，采用有效的措施進行調整，避免焦粉攜帶問題擴大化。

4 結語

延遲焦化裝置焦炭塔晃動對裝置的生產運行造成較大的安全隱患，需要從原料性質、反應溫度、反應壓力、循環比、加熱爐注汽量等因素加以控制，抑制彈丸焦的生成和焦炭塔氣體速度，避免此類事故的發生。焦粉攜帶會導致大油氣線和分餾塔結焦，對焦炭塔-分餾塔-加熱爐的穩定操作和焦化產品下游裝置運行造成不利影響，加快管道和設備的磨損，需要從原料性質、反應溫度、反應壓力、加熱爐注汽量、小吹汽速度、急冷油加入量、消泡劑加入量等參數著手進行調節，保障裝置的長周期運行。

影響延遲焦化裝置焦炭塔晃動和焦粉攜帶問題的因素有很多，在調整時要綜合考慮不同參數變化對這兩類問題的影響。原料性質是產生這些問題的內在原因，定期做好焦化原料瀝青質、殘炭、餾程和密度的分析工作，為焦化裝置正常生產提供數據支撐，根據原料的變化，實時調整工藝參數。

焦炭塔氣體速度大是造成這兩種問題的外在原因，氣體速度與反應溫度、反應壓力、循環量等因素有關。反應溫度要控制在合適的范圍內，既要防止彈丸焦形成造成焦炭塔晃動，也要保證反應徹底，防止焦粉攜帶。反應壓力較高，可以抑制這兩種問題的發生，但壓力一般不作為調整的手段。

要維持合適的循環量，既要防止彈丸焦形成，同時保障延遲焦化裝置的加工量。要及時調整急冷油的加入量，避免塔頂溫度大幅度波動，減少焦粉的攜帶量。泡沫層較高時，及時調整反應溫度，加入消泡劑，較低泡沫層高度。

通過這些措施的調整，避免了焦炭塔出現晃動問題，減少焦粉攜帶給裝置運行帶來的危害，保障了裝置的長周期運行。