焦化裝置破碎機(jī)問題及處理

石柯

(中石化洛陽工程有限公司,河南 洛陽 471003)

在我國(guó),加工重油的重要手段之一,是通過延遲焦化裝置,將重油生成石油焦,同時(shí)產(chǎn)生油氣等輕組分。截至2012年底,國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的焦化裝置數(shù)量超過100套,總加工能力超過1.1億t/a,僅次于美國(guó),居世界第二位[1]。

延遲焦化是將重油等在其他煉油裝置中無法處理或難以處理的劣質(zhì)原料經(jīng)高溫加熱,通過熱裂化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氣體、液體產(chǎn)品,同時(shí)生成固體石油焦的煉油工藝流程。焦化原料經(jīng)加熱爐加熱至約500 ℃后進(jìn)入石油焦塔進(jìn)行裂化和縮合反應(yīng),裂化反應(yīng)的油氣進(jìn)入分餾塔分餾為焦化富氣、焦化石腦油、焦化柴油和焦化蠟油,縮合反應(yīng)生成的石油焦留在石油焦塔內(nèi)。延遲焦化裝置生焦過程在石油焦塔中完成,一般采用一臺(tái)加熱爐對(duì)應(yīng)兩個(gè)石油焦塔的流程,一個(gè)石油焦塔進(jìn)行裂化反應(yīng)和縮合生焦過程,另一個(gè)石油焦塔則進(jìn)行石油焦的冷卻、除焦和暖塔過程,兩個(gè)石油焦塔的輪流切換形成了一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過程。焦化裝置已成為當(dāng)今煉油廠渣油特別是劣質(zhì)渣油加工的主要手段之一[2]。

石油焦塔中除去石油焦普遍使用水力除焦的方法,其原理是利用高壓水對(duì)石油焦塔內(nèi)的石油焦進(jìn)行切割。切割下來同切焦水一同流入儲(chǔ)焦池,兼?zhèn)鋬?chǔ)存功能的儲(chǔ)焦池露天敞口設(shè)置,池內(nèi)除焦水經(jīng)折流池沉淀、過濾后循環(huán)使用,池內(nèi)石油焦則利用抓斗起重機(jī)一斗一斗地倒料或抓到外運(yùn)火車、汽車上。水力除焦方法簡(jiǎn)易可靠、流程簡(jiǎn)單、投資少,是目前國(guó)內(nèi)外延遲焦化裝置普遍采用的除焦方法。

敞開式的水力除焦方法也帶來一些環(huán)保方面問題,例如:石油焦在抓取和輸送過程中,抓斗、火車或汽車車廂附近存在大量的石油焦撒落情況對(duì)周邊環(huán)境造成污染。而與此同時(shí),露天儲(chǔ)焦池中堆積的石油焦,隨著水分的蒸發(fā),遇風(fēng)則四處飛揚(yáng),污染周圍環(huán)境。

隨著國(guó)家環(huán)保要求的日益提高,目前延遲焦化裝置的除焦方法已不能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,需要實(shí)現(xiàn)封閉式輸送。

目前主流的封閉式輸送技術(shù)主要有三種,一種是中石化廣州工程有限公司/中石化洛陽工程有限公司(LPEC)聯(lián)合相關(guān)單位合作開發(fā)了《安全環(huán)保型延遲焦化石油焦密閉除焦、輸送及存儲(chǔ)成套技術(shù)》,其原理是焦炭塔中的石油焦經(jīng)水力除焦系統(tǒng)切割后,通過底蓋機(jī)進(jìn)入篩分破碎機(jī),破碎后的石油焦與切焦水一起進(jìn)入密閉式脫水倉中,石油焦在脫水倉中經(jīng)攤平、脫水后,通過智能取焦系統(tǒng)控制的垂直螺旋提升機(jī)自動(dòng)輸送至石油焦密閉存儲(chǔ)、輸送及定量裝車系統(tǒng)[3];另一種20世紀(jì)60年代,德國(guó)的TRIPLAN公司首先開發(fā)出石油焦處理系統(tǒng),在德國(guó)卡爾斯魯厄煉油廠建成了第一套封閉式石油焦處理系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)是利用安裝在焦炭塔底部的雙輥破碎機(jī)將石油焦粉碎后,混合除焦水,再利用水漿泵輸送至后續(xù)脫水儲(chǔ)罐進(jìn)行脫水,脫水后的焦炭再利用皮帶機(jī)、螺旋輸送設(shè)備等,外送至需要的場(chǎng)所。最后一種是利用原有焦池結(jié)構(gòu),對(duì)儲(chǔ)焦池進(jìn)行封閉,并對(duì)原抓斗進(jìn)行遠(yuǎn)程操作改造,以達(dá)到環(huán)保驗(yàn)收的要求。其中,前兩種型式,尤其是第一種封閉式輸送技術(shù)目前使用最為廣泛,在應(yīng)用時(shí),均需要對(duì)石油焦進(jìn)行破碎,才能夠?qū)崿F(xiàn)后續(xù)的流程。因此,隨著密閉除焦技術(shù)的推廣,破碎機(jī)在延遲焦化裝置中的應(yīng)用,也變得越來越重要。

1 存在的問題

焦化裝置中使用的多為對(duì)輥式破碎機(jī),如圖1所示型式。破碎機(jī)在焦化裝置使用過程中,在除焦階段,完成水力鉆孔操作后,打開底蓋機(jī)閥門時(shí),上部焦、水混合物進(jìn)入破碎機(jī),出現(xiàn)了水、焦碳混合物將破碎機(jī)上部的軟連接密封法蘭處冒出,甚至出現(xiàn)焦、水混合物從縫隙處射出的情況,同時(shí)破碎機(jī)因出現(xiàn)過流、過壓(變頻故障)觸發(fā)電氣保護(hù)(電機(jī)為變頻起動(dòng)、工頻運(yùn)行)而自動(dòng)停機(jī),后因破碎機(jī)重載無法重新啟動(dòng),導(dǎo)致除焦過程無法完成。

圖1 破碎機(jī)平、立面外形圖

在焦化裝置除焦過程中,破碎機(jī)運(yùn)行期間,出現(xiàn)電機(jī)跳閘現(xiàn)象;每次除焦過程中,都伴隨堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。尤其是在除焦完成水力鉆孔后打開底蓋機(jī)閥門,上部焦、水混合物進(jìn)入破碎機(jī)時(shí),往往會(huì)伴隨焦水噴射及破碎機(jī)過電壓跳機(jī)、過負(fù)荷跳機(jī)等現(xiàn)象。一旦發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象,破碎機(jī)無法進(jìn)行帶載啟動(dòng)電機(jī),又由于整個(gè)流程處于全封閉區(qū)域,難以進(jìn)行故障處理及維修。因此往往會(huì)造成除焦操作的停工,變相地延長(zhǎng)了除焦時(shí)間,而整個(gè)焦化裝置的生產(chǎn)工藝是交替順序進(jìn)行的,一旦一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題,會(huì)對(duì)整個(gè)焦化裝置的加工流程造成影響,降低焦化裝置的處理能力,嚴(yán)重時(shí),甚至?xí)绊懙饺珡S的物料平衡。

2 原因分析

石油焦的除焦工藝,目前在我國(guó),主流采用的是利用高壓水進(jìn)行水力切割除焦的方法,密閉除焦工藝的破碎機(jī)布置,有兩種型式,一種是布置在石油焦塔正下方,一種是布置在溜槽的正下方。這兩種石油焦破碎機(jī)的型式均是采用雙齒輥式破碎機(jī),以中石化開發(fā)的密閉除焦技術(shù)為例,最大進(jìn)料粒度一般≥800 mm,排料粒度150 mm[3],常見的處理量為500～800 t/h,電機(jī)驅(qū)動(dòng),在某些煉廠,還采用變頻調(diào)速。

2.1 破碎機(jī)位置原因

布置方式一如附圖2所示,由于其布置在石油焦塔正下方,物料通過破碎機(jī)時(shí),可以利用石油焦自身的重力,撞擊在破碎機(jī)上,實(shí)現(xiàn)破碎,由于重力的影響,可以增大破碎機(jī)的通過率。同時(shí),由于破碎機(jī)實(shí)際上承受了石油焦墜落造成的沖擊力,因此,這種布置方式,還會(huì)延長(zhǎng)溜槽的使用壽命。這種布置方式的缺點(diǎn)是對(duì)空間位置要求較高,一般改造項(xiàng)目需要對(duì)焦炭塔進(jìn)行相應(yīng)的錐段改造后方可實(shí)施。

圖2 上置破碎機(jī)布置方案

而布置方式二如附圖3所示,由于其布置在溜槽下方,這種布置方式對(duì)空間位置要求不高,但由于石油焦被水力除焦切落后,垂直落在溜槽上,經(jīng)過與溜槽的撞擊,使得石油焦受到了緩沖,其所具有的勢(shì)能減少,不利于物料通過破碎機(jī),往往會(huì)更容易堵塞破碎機(jī);同時(shí)由于石油焦是直接撞擊在溜槽上,也會(huì)減少溜槽的壽命。

圖3 下置破碎機(jī)布置方案

2.2 破碎機(jī)外形原因

以布置方式一為例,該破碎機(jī)進(jìn)料口為方形,但由于焦化裝置中石油焦塔下料口為圓形。因此,實(shí)際上石油焦破碎機(jī)作業(yè)區(qū)域無法覆蓋整個(gè)破碎機(jī)作業(yè)面,僅僅在破碎機(jī)中心部分,減小了破碎機(jī)的工作面積,如圖4所示。

圖4 破碎機(jī)實(shí)際工作區(qū)域示意圖

同時(shí),破碎機(jī)的出料口也為方形,但溜槽口的下料口為圓形,并且破碎機(jī)進(jìn)出口通常是上大下小,造成了一種上大下小,中間粗的容積形狀,進(jìn)一步導(dǎo)致破碎機(jī)出料不暢。

布置方式二由于其布置在溜槽的下方,因此可以通過設(shè)置專門的破碎機(jī)入口,避免進(jìn)料口縮頸的現(xiàn)象,有利于石油焦的進(jìn)出。

2.3 破碎機(jī)短時(shí)功率不足

以破碎機(jī)單臺(tái)處理量500 t/h為例,單塔的石油焦產(chǎn)量為每天產(chǎn)焦炭約900 t,每次水力除焦過程大約3 h。經(jīng)計(jì)算可知,破碎機(jī)平均每小時(shí)僅需處理300 t焦炭,對(duì)于處理量超過500 t/h 的破碎機(jī)來說,破碎機(jī)理論設(shè)計(jì)的破碎能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該焦化裝置的實(shí)際生產(chǎn)需要。

但在實(shí)際應(yīng)用中,由于除焦工藝采用的是利用高壓水切割和打擊焦炭相結(jié)合的方式將焦炭從焦炭塔壁上切落,在這個(gè)過程中,焦炭的掉落具有一定的隨機(jī)性和偶然性,并不是均勻掉落的,擊碎后的石油焦塊粒度不一,即破碎機(jī)處于非均勻受料工況。被切落后的石油焦,又通過焦炭塔底經(jīng)底蓋機(jī)進(jìn)入破碎機(jī)受料口中。

在水力除焦的過程中,除了落料過程的不均勻性外,由于石油焦是附著而非固定在石油焦塔塔壁上,因此,會(huì)出現(xiàn)偶爾短時(shí)石油焦塌方的情況,一旦此情況發(fā)生,會(huì)造成破碎機(jī)瞬間破碎量激增,破碎機(jī)瞬時(shí)破碎能力不足,進(jìn)而引起電機(jī)超電流,破碎機(jī)的停機(jī)的現(xiàn)象。

2.4 變頻保護(hù)過載能力低

該破碎機(jī)使用變頻調(diào)速,在保護(hù)回路中,設(shè)置了變頻器容量保護(hù)回路,變頻器容量過載保護(hù)值。當(dāng)負(fù)荷值超過過載保護(hù)值的時(shí)候,電機(jī)本身并未過載,但卻觸發(fā)了變頻器的容量過載保護(hù),從而引起破碎機(jī)電機(jī)停機(jī)。

底蓋機(jī)開蓋過程中,由于焦炭塔上部為焦粉、泡沫膠及切焦水,因此第一鉆打通時(shí),會(huì)出現(xiàn)大量的切焦水、焦粉、泡沫膠的混合物,自超過破碎機(jī)安裝排平臺(tái)至少25 m以上區(qū)域瞬時(shí)落下,破碎機(jī)齒輥在流固兩相混合物的沖擊下,造成其轉(zhuǎn)速超過電機(jī)額定轉(zhuǎn)速或反轉(zhuǎn),進(jìn)而造成電機(jī)跳機(jī)。

2.5 破碎機(jī)連接口的設(shè)計(jì)

在除焦完成水力鉆孔后打開底蓋機(jī)閥門,上部焦、水混合物進(jìn)入破碎機(jī)時(shí),往往會(huì)伴隨焦水噴射。破碎機(jī)的連接段,常見的有兩種異型連接設(shè)計(jì),一種是直面式,一種是錐面式,如圖5、6所示。直面式破碎機(jī)設(shè)計(jì)連接簡(jiǎn)單,受力好,尤其是對(duì)于均勻受料,處理量相對(duì)較小的破碎機(jī),有著較好的應(yīng)用。但對(duì)于焦化裝置的破碎機(jī),由于高壓水力切焦工藝存在切焦不穩(wěn)定性及具有偶然塌方的可能。一旦發(fā)生這種情況,則破碎機(jī)進(jìn)料口會(huì)堆滿物料,并且會(huì)隨著使用過程中,破碎機(jī)雙齒輥的咬合所產(chǎn)生的楔向力,擠壓上蓋板,進(jìn)而將上蓋板推開,造成焦炭噴射。因此,在焦化裝置的設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)當(dāng)進(jìn)料采用錐面式連接蓋板,避免破碎機(jī)產(chǎn)生楔向力,從而緩解破碎機(jī)連接口處的漏料現(xiàn)象。

圖5 直面式連接段

圖6 斜錐面連接段

同時(shí),在使用了斜錐面后,使用過程中,破碎機(jī)蓋板連接處,還是會(huì)存在滲水、漏料等現(xiàn)象。分析其原因,主要是由于破碎機(jī)一旦發(fā)生了堵轉(zhuǎn),為了快速排除故障,經(jīng)常采用利用水力切焦器鉆孔功能,沖擊堆積在破碎機(jī)上部的焦炭,從而減少破碎機(jī)的負(fù)荷,達(dá)到破碎機(jī)重啟。但由于沖焦鉆頭使用的是高壓水,其水泵揚(yáng)程往往在3 000 m左右,這就造成底部連接處需要承受高達(dá)30 MPa的沖擊,這種沖擊又伴隨高頻的震動(dòng),會(huì)造成連接件的松動(dòng)、失效,進(jìn)而密封面失效,造成沖焦水沖出的現(xiàn)象。

3 改進(jìn)措施

破碎機(jī)一旦安裝,在使用過程中出現(xiàn)以上問題時(shí),由于現(xiàn)場(chǎng)工作條件及裝置需求限制,造成無法改變破碎機(jī)外形尺寸及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土建結(jié)構(gòu)做出大規(guī)模調(diào)整。因此,針對(duì)以上問題和現(xiàn)場(chǎng)條件,可以做如下措施優(yōu)化:

首先,對(duì)于設(shè)置變頻驅(qū)動(dòng)的破碎機(jī),由于變頻器對(duì)于變頻保護(hù),取消了電機(jī)變頻器;

其次,可對(duì)破碎機(jī)進(jìn)行改造,減少齒數(shù)并增大齒距,減少破碎機(jī)不必要的功率輸出;

最后,優(yōu)化水力除焦方案及工藝方案,減少焦炭塌方的可能性。

通過以上改進(jìn),解決了破碎機(jī)的長(zhǎng)周期運(yùn)行問題,確保了裝置的設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行和裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)。對(duì)于新上裝置,考慮破碎機(jī)在焦化使用過程中一旦出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況,往往需要較大的扭矩,因此,除上述優(yōu)化方案外,也可考慮采用液壓馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)裝置,利用液壓馬達(dá)恒扭矩的特性,為破碎機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí),提供較大的驅(qū)動(dòng)扭矩。

3.1 破碎機(jī)改造

破碎機(jī)堵轉(zhuǎn),究其原因,還是由于破碎機(jī)的通過性和破碎能力與焦化裝置的焦炭進(jìn)料量無法匹配。因此,可以通過增大焦炭通過率,使破碎機(jī)的篩分功能變大,減少破碎機(jī)的有效做功。破碎機(jī)破碎最小粒徑小,則齒間隙小,當(dāng)泡沫膠裹挾焦塊通過時(shí),極易造成堵料;而后續(xù)處理設(shè)備,如提升機(jī)、抓斗、皮帶機(jī)等,根據(jù)后續(xù)流程的可接受的最大粒徑,破碎機(jī)的間隙重新設(shè)計(jì),應(yīng)當(dāng)遵循從大原則,在滿足后續(xù)工藝操作的前提下,盡量增大破碎機(jī)的齒間距?？筛鶕?jù)現(xiàn)有條件及后續(xù)工況,為避免破碎機(jī)堵轉(zhuǎn)做出如下改造:1)取消破碎機(jī)側(cè)齒,2)減小破碎機(jī)滾齒直徑,3)減少每臺(tái)破碎機(jī)上的齒數(shù),4)使破碎機(jī)的出料粒度提高。以上種種措施,目的均為增加破碎機(jī)的通過能力,減少破碎機(jī)的實(shí)際做功。

改造后,不但提高破碎機(jī)的通過能力,減少了堵轉(zhuǎn)的可能性,還降低破碎機(jī)的輸出功率,節(jié)約能耗,同時(shí)對(duì)篩分破碎機(jī)的破碎齒布局進(jìn)行優(yōu)化,增加破碎輥之間的輥縫面積,從而降低破碎過程中產(chǎn)生的粉焦量[4]。

3.2 取消電機(jī)變頻增加電機(jī)正反轉(zhuǎn)功能

取消破碎機(jī)的變頻電機(jī),為增大啟動(dòng)力矩,電機(jī)啟動(dòng)時(shí),采用軟啟動(dòng)。避免了由于短時(shí)過載引起變頻保護(hù)停機(jī)。

同時(shí)增加電機(jī)正反轉(zhuǎn)功能,一旦發(fā)生堵料,可以通過正反轉(zhuǎn)操作,恢復(fù)破碎機(jī)的正常工作。

3.3 工藝流程改進(jìn)

破碎機(jī)堵轉(zhuǎn)的根本原因,是由于落料不均勻以及焦炭塌方引起的。首先,為了較少落料不均勻,在切焦時(shí),應(yīng)當(dāng)盡量采用小切距,均勻切焦的方式,較少切焦距離,控制切焦量,使切焦量盡可能的平均。同時(shí),切焦速度要盡可能地慢,切焦鉆頭盡量采用較小孔徑,防止切焦過程中石油焦瞬時(shí)塌落的可能,防止因?yàn)槎虝r(shí)處理量過載引起破碎機(jī)停機(jī)。

該操作雖然較之前的除焦過程略為繁瑣,但目前可實(shí)現(xiàn)通過判斷振動(dòng)信號(hào)的幅值和頻率差異來監(jiān)測(cè)焦炭是否清除完畢的方法[5],并結(jié)合自動(dòng)水力除焦系統(tǒng)陸續(xù)投入使用,可采用自動(dòng)化除焦,減少人工投入。

4 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)有焦化裝置,實(shí)施封閉式改造后,采用的破碎機(jī)布置方式、連接方式以及常見的問題,進(jìn)行了總結(jié)和分析,提出了為滿足焦化裝置使用,而進(jìn)行破碎機(jī)的適應(yīng)性優(yōu)化方案。通過對(duì)破碎機(jī)的適應(yīng)性改造以及流程的部分優(yōu)化,可以在不對(duì)裝置和原設(shè)計(jì)方案做出太大調(diào)整的情況下,解決了破碎機(jī)在焦化裝置中使用的堵塞、超電流及泄露等問題。