延遲焦化焦炭塔頂大油氣線結(jié)焦原因及應(yīng)對(duì)措施

趙玉林

（玉門油田分公司煉油化工總廠 甘肅玉門 735200）

焦炭塔是焦化熱裂解及縮聚反應(yīng)的主要場所，作為延遲焦化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其操作是否平穩(wěn)、運(yùn)行是否正常決定了裝置能否長周期開煉。玉煉延遲焦化采用一爐兩塔工藝，于2014年底正式投產(chǎn)運(yùn)行。隨著原料性質(zhì)的惡化及受回?zé)捜珡S污油的影響，裝置在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的結(jié)焦問題，其中包括焦炭塔頂、分餾塔底及加熱爐爐管的結(jié)焦，焦炭塔頂大油氣線結(jié)焦速度最快。油氣線根部結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)，造成焦炭塔頂壓力升高，塔內(nèi)反應(yīng)深度隨之加深產(chǎn)出更多氣體，使得焦炭塔頂壓力進(jìn)一步升高，形成惡性循環(huán)，短期內(nèi)即可達(dá)到塔頂壓力設(shè)防值。受壓力影響，大油氣線氣速亦隨之升高，從而加速了其后路流程焦粉攜帶，最終造成分餾塔底及加熱爐爐管結(jié)焦加速。而加熱爐管的結(jié)焦必須通過停工機(jī)械清焦來消除，因此，要實(shí)現(xiàn)裝置長周期平穩(wěn)運(yùn)行，則必須從源頭上解決焦炭塔頂大油氣線根部結(jié)焦的問題。

1 大油氣線根部結(jié)焦現(xiàn)狀

玉煉延遲焦化裝置焦炭塔頂出口大油氣線第一個(gè)彎頭處采用三通的形式，因此，可以利用老塔除焦的間隙打開上封頭法蘭對(duì)大油氣線根部垂直段，進(jìn)行人工清焦。每次清焦前，需要搭建腳手架，檢維修人員松開螺栓打開封頭，除焦班人員才能通過自制的一系列清焦工具進(jìn)行清焦作業(yè)。加之管線結(jié)焦較難清除，因此為保證清焦效果，除焦時(shí)間需適當(dāng)延長，直接影響焦炭塔后續(xù)一系列操作，在生焦周期不變的前提下，縮短了新塔的預(yù)熱時(shí)間，長期看對(duì)焦炭塔的安全生產(chǎn)是極為不利的。

每次打開大油氣線封頭，發(fā)現(xiàn)結(jié)焦是比較嚴(yán)重的，主要結(jié)焦部位集中在焦炭塔頂油氣出口的垂直段，具體見圖1。結(jié)焦部位最大焦層厚度約為150mm，油氣線實(shí)際孔徑不足50mm，詳見圖2，可見結(jié)焦情況已十分嚴(yán)重。

圖1 大油氣線結(jié)焦部位示意圖

圖2 焦炭塔頂大油氣線根部結(jié)焦情況

2 大油氣線結(jié)焦原因分析

2.1 原料性質(zhì)變差

經(jīng)過2016年大檢修，玉門煉化總廠常減壓車間通過采用減壓深拔技術(shù)進(jìn)一步提高了原油拔出率，同時(shí)，也給下游的延遲焦化帶來一定的影響，主要表現(xiàn)為原料性質(zhì)的變化，詳見表1。

表1 深拔前后減渣性質(zhì)對(duì)比

由表1可知減壓渣油的各項(xiàng)性質(zhì)，包括密度、殘?zhí)?、凝點(diǎn)、鹽含量較深拔前全部升高，其中，殘?zhí)恐递^深拔前升高了93.4%，超出設(shè)計(jì)值約30%。從密度、殘?zhí)俊⒛厅c(diǎn)三方參考可知，深拔后的減壓渣油性質(zhì)更加劣質(zhì)化，已經(jīng)超過最初的設(shè)計(jì)值，相關(guān)資料也表明，劣質(zhì)的原料將無疑增大延遲焦化易結(jié)焦部位，如大油氣線、分餾塔底、爐管等的結(jié)焦速率。資料也表明，殘?zhí)恐档纳咧苯訉?dǎo)致焦炭收率的增加，根據(jù)康氏殘?zhí)坑?jì)算公式［1］，石油焦收率一般為殘?zhí)恐档?.6倍左右。在處理量、生焦周期不變的情況下，使得焦炭塔焦層升高，空高降低縮短了泡沫層與塔頂?shù)木嚯x，更易形成泡沫夾帶。一旦部分結(jié)焦前體附著到大油氣管線，將大大提高結(jié)焦速度，最終導(dǎo)致堵塞造成塔壓升高，形成惡性循環(huán)。

2.2 急冷油性質(zhì)變差

裝置大部分時(shí)間用的是蠟油作為焦炭塔急冷油，同時(shí)，伴隨間歇處理其他裝置的污油、浮渣、催化油漿等，最開始直接通過輻射泵進(jìn)口進(jìn)加熱爐輻射進(jìn)料段，這樣輻射流量波動(dòng)時(shí)易導(dǎo)致加熱爐爐管結(jié)焦。后面先引污油至污油罐，再進(jìn)行沉淀脫水。V504的油一部分是從放空塔底轉(zhuǎn)過來的，放空塔底油是改放空時(shí)焦炭塔過來的，改放空時(shí)回?zé)捜嘧餍〗o水，也就是說，三泥一部分成份落入放空塔底，再轉(zhuǎn)到V504和污油一起作急冷油，又帶到分餾塔底，導(dǎo)致分餾塔底結(jié)焦，產(chǎn)生如下弊端。（1）加劇加熱爐爐管結(jié)焦，聚集在爐管彎頭處，還將導(dǎo)致爐管清焦難度加大，不能將爐管內(nèi)焦子徹底清理干凈。（2）導(dǎo)致分餾塔底結(jié)焦，分餾塔底過濾器需要倒換后人工每月清理一次，且屬于一級(jí)危險(xiǎn)作業(yè)。（3）由于污油中不可避免的雜質(zhì)存在，將促進(jìn)重油生焦，增大了生焦速率，所以在相同周期內(nèi)，焦炭塔焦層高度將會(huì)顯著升高，在生焦后期塔內(nèi)空高也相應(yīng)變低。（4）急冷油性質(zhì)變化的影響，蠟油做急冷油大概在3t/h，污油作急冷油時(shí)量比較小，冷卻效果好約1t/h，主要是含水，在含水嚴(yán)重時(shí)，增加油氣汽速，會(huì)把焦粉帶進(jìn)分餾塔，對(duì)分餾塔影響大，明顯感覺分餾塔各部負(fù)荷高、溫度高。在焦炭塔頂氣相負(fù)荷相近的前提下，以污油為介質(zhì)的急冷油雖達(dá)到了降低塔頂溫度的目的，但因其自身溫度偏低且含水，導(dǎo)致了急冷油注入量的降低，削弱了急冷油的洗滌作用從而造成大油氣管線結(jié)焦加劇。（5）污油中雜質(zhì)、含鹽較高，較多雜質(zhì)易堵塞管線及流量計(jì)。在以上幾種影響的合力作用下，使得焦炭塔頂大油氣線根部結(jié)焦加速。

2.3 急冷油注入方式不合理

玉煉遲焦化裝置目前急冷油注入均分為三路，俯視間隔120°，并與油氣方向呈45°斜插在焦炭塔頂大油氣管線的根部。根據(jù)歷次現(xiàn)場清焦情況認(rèn)為，大油氣線根部豎直管段結(jié)焦最為嚴(yán)重。經(jīng)過分析討論認(rèn)為，以上注入方式不夠均勻，尤其在采用污油做急冷油期間，較低的流量導(dǎo)致情況進(jìn)一步惡化，這樣的急冷油不能使高溫油氣均勻冷卻，油氣線截面溫度分布是不均勻的且存在一定的溫差，沒有冷卻的高溫油氣繼續(xù)發(fā)生縮合反應(yīng)，經(jīng)過一段時(shí)間最終在管線上也形成了一定的焦層，噴射不均的急冷油對(duì)泡沫層和焦粉洗滌效果差，不清潔的油氣進(jìn)一步加大反應(yīng)深度和速率。

3 應(yīng)對(duì)措施及建議

3.1 改善原料性質(zhì)

面對(duì)原料的劣質(zhì)化的現(xiàn)狀，第一步考慮能否通過改善原料性質(zhì)來解決問題。由表1可知，殘?zhí)扛呤瞧渲凶钪匾挠绊懸蛩兀档驮蠚執(zhí)康姆椒ㄓ袃蓚€(gè)：一是加氫，二是調(diào)和。由于玉煉沒有渣油加氫處理單元，因此，從現(xiàn)實(shí)情況及成本控制等多個(gè)方面考慮，實(shí)現(xiàn)難度較大，故從原料調(diào)和入手，結(jié)合煉廠實(shí)際，又有兩個(gè)思路：一是調(diào)和組分來自外部，如催化油漿；二是調(diào)和組分來自內(nèi)部，如焦化自產(chǎn)循環(huán)油、重蠟油。

（1）用催化油漿來調(diào)和。催化油漿是催化裂化裝置分餾塔底的餾出物，其密度與減壓渣油相當(dāng)，組成特點(diǎn)是芳烴含量高而膠質(zhì)、瀝青質(zhì)較減壓渣油卻低得多，殘?zhí)恐狄话阍?3%左右。因此，用催化油漿作為調(diào)和組分理論上是可行的，但需要注意的是，油漿中含水及固體顆粒含量需要嚴(yán)格控制，一般要求不得含水，同時(shí)固含不大于6g/l。參考其他單位摻煉催化油漿經(jīng)驗(yàn)，關(guān)鍵是如何有效控制油漿固含，經(jīng)過各種摻煉方式的嘗試論證總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)認(rèn)為，利用焦化裝置罐區(qū)現(xiàn)有儲(chǔ)罐組成油漿脫固罐組，對(duì)催化油漿進(jìn)行有效脫固處理是目前符合玉煉廠情且最優(yōu)的解決方式。

（2）用循環(huán)油、重蠟油來調(diào)和。循環(huán)油和重蠟油均為焦化分餾塔餾出，循環(huán)油為塔底餾出，重蠟油是靠近分餾塔底的塔側(cè)餾出。循環(huán)油殘?zhí)恐狄话阍?%，而重蠟油殘?zhí)恐挡蛔?%，二者初餾點(diǎn)均在300℃以上，可見均滿足調(diào)和組分的要求但重蠟油明顯更優(yōu)。玉煉延遲焦化裝置采用的是可調(diào)循環(huán)比工藝，循環(huán)比在0.1～0.2之間可調(diào)，設(shè)計(jì)循環(huán)比控制在0.15。不同于催化油漿，循環(huán)油及重蠟油均為焦化裝置自產(chǎn)物，調(diào)和實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了一種內(nèi)循環(huán)，而循環(huán)油因?yàn)橛?%左右的殘?zhí)恐?，在循環(huán)過程中無疑會(huì)有部分焦炭產(chǎn)物生成，即增加了焦炭產(chǎn)率，這與改善初衷是相悖的，所以采用殘?zhí)恐档偷亩嘀叵炗蛠泶嫜h(huán)油作為調(diào)和組分是更為合理的。于是，利用2019年裝置大檢修窗口期，車間經(jīng)過研究討論，實(shí)施了焦化重蠟油回?zé)捈几捻?xiàng)目。主要內(nèi)容為將裝置自產(chǎn)重蠟油自蒸汽發(fā)生器E124 出口引至原料緩沖罐V102，同時(shí)，增設(shè)楔式流量計(jì)、調(diào)節(jié)控制閥、熱電阻等，通過DCS 直觀控制重蠟油回?zé)捔?，監(jiān)控回?zé)挏囟取＜几耐队靡荒甓?，焦炭塔頂大油氣線結(jié)焦情況得到了明顯緩解，且裝置產(chǎn)品分布無明顯變化。

3.2 優(yōu)化工藝參數(shù)精細(xì)化操作

在加工負(fù)荷不降的前提下如何確保裝置長周期開煉，由上述原因分析可知，關(guān)鍵是如何控制焦炭塔泡沫層高度。而泡沫層的高度除了主要受原料性質(zhì)的影響外，同時(shí)，還與裝置加工量、焦炭塔進(jìn)料溫度、焦炭塔油氣線速等因素有關(guān)。通過優(yōu)化工藝參數(shù)降低焦炭塔泡沫層高度，主要有以下措施［2］。

（1）焦炭塔進(jìn)料溫度的影響。焦炭塔進(jìn)料溫度越高，反應(yīng)深度加深泡沫層隨之降低，反之升高。因此，較高的進(jìn)料溫度是有利于降低焦炭塔泡沫層高度的，但較高的進(jìn)料溫度也將導(dǎo)致加熱爐爐管結(jié)焦速率增加。權(quán)衡考慮兩者，優(yōu)先控制加熱爐出口溫度在498℃，又通過加厚轉(zhuǎn)油線保溫層的方式以減少散熱損失，使得焦炭塔有較高的進(jìn)料溫度。

（2）加熱爐出口采用變溫操作。在焦炭塔切換前1～2h 適當(dāng)提高加熱爐出口溫度至499～500℃，不但有利于焦炭塔泡沫層高度的降低，還能起到提高液收和石油焦質(zhì)量的效果。

（3）嚴(yán)格控制焦炭塔氣速。首先控制加熱爐爐管注氣量平穩(wěn)，其次嚴(yán)格控制焦炭塔切換后小吹汽量不高于4t/h。補(bǔ)充一點(diǎn)，尤其注意控制切換后焦炭塔老塔進(jìn)料隔斷閥，閥前閥后給汽不宜過大。

（4）對(duì)焦炭塔放空閥操作遵循多次少許的原則，嚴(yán)禁野蠻操作，防止老塔壓力大幅下降，使產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物增多，流速增大，促使泡沫夾帶量增多。同時(shí)，對(duì)于儀表出現(xiàn)假值或失靈時(shí)，要求班組及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)聯(lián)系儀表人員進(jìn)行處理，防止長時(shí)間盲操作。盡量在減小波動(dòng)幅度上下功夫，提高預(yù)判能力，切換前提前調(diào)整壓縮機(jī)，提前調(diào)整分餾塔側(cè)線等［3］。

（5）精細(xì)壓縮機(jī)的操作調(diào)整。日常生產(chǎn)中，壓縮機(jī)是吸收穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)富氣分離的關(guān)鍵設(shè)備，不但是吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的前提，同時(shí)，也承擔(dān)著調(diào)節(jié)分餾塔頂壓力及間接控制焦炭塔頂壓力乃至整個(gè)系統(tǒng)壓力控制的關(guān)鍵作用。一旦分餾塔頂壓力波動(dòng)，必然帶動(dòng)焦炭塔頂壓力波動(dòng)，由此帶來的系統(tǒng)性沖擊是容不得半點(diǎn)馬虎的，必須及時(shí)得到有效且精準(zhǔn)的控制，特別到焦炭塔生焦后期和切換前后，要嚴(yán)禁分餾塔頂壓力大幅波動(dòng)。對(duì)于分餾塔頂壓力，建議在此期間執(zhí)行更為嚴(yán)格的控制規(guī)定，這就需要通過對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及防喘振調(diào)節(jié)閥的精確控制來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于焦炭塔切換這種可預(yù)見的操作擾動(dòng)，必要時(shí)可對(duì)壓縮機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)行提前調(diào)節(jié)［4］。

（6）優(yōu)化消泡劑注入。消泡劑是一種表面活性劑，其作用機(jī)理是以液滴形式進(jìn)入泡沫膜后，引起泡沫膜表面張力不均勻，從而加速泡沫破裂。實(shí)際生產(chǎn)中，利用中子料位計(jì)通過消泡劑加注及停注試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)消泡劑的加注能夠有效抑制焦炭塔泡沫層的形成。消泡劑的消泡效果除了與其本身性質(zhì)密切相關(guān)外，還與它的注入方式有關(guān)。

一般焦化消泡劑注入時(shí)間為切換前4h，切換后即停止的間歇注入方式。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，經(jīng)過研究討論認(rèn)為，根據(jù)加工負(fù)荷及焦炭塔焦層情況，適當(dāng)延長消泡劑注入時(shí)間對(duì)消減焦炭塔泡沫層是有利的，即提前加注時(shí)間同時(shí)推遲停注時(shí)間的方式。細(xì)化消泡劑注入管理規(guī)定，在消泡劑注入前期，通過現(xiàn)有流程將蒸汽注入塔內(nèi)，保證消泡劑在未啟用前管線暢通。最后，在焦層達(dá)到一定高度開始注入消泡劑時(shí)停止蒸汽注入，改為消泡劑注入。這一舉措不僅防止了消泡劑管線注入口的結(jié)焦，也能將焦層控制在安全范圍內(nèi)，從而確保了焦炭塔的安全平穩(wěn)運(yùn)行［5］。

3.3 改變急冷油注入方式

建議將目前急冷油注入由三點(diǎn)斜插式改為通過增設(shè)環(huán)型分配器注入［6］。根據(jù)現(xiàn)場焦粉粒徑、焦粉數(shù)量等情況，構(gòu)建焦炭塔頂及大油氣線內(nèi)流體模型，經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)分析采集，計(jì)算出環(huán)型分配器的相關(guān)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)管線內(nèi)均勻的攔截截面，既有效洗滌焦粉，又能大大降低油氣截面的溫差。

慎重選擇急冷油。急冷油有兩個(gè)作用，即降溫和洗滌。三泥作為急冷油降溫效果是達(dá)到了，但是由于溫度較低只有30～50℃（蠟油作急冷油溫度為70～80℃）且含水較多，因此流量偏小，導(dǎo)致洗滌效果很差，所以對(duì)于處理量較小的焦炭塔急冷油，在組分選擇上應(yīng)避免過高的含水，最好是具有較高溫度的油相。從長遠(yuǎn)考慮，污油能否分類，或者通過過濾等手段處理一下再引進(jìn)罐，進(jìn)罐后，再經(jīng)過沉降分離脫除其中大部分含水，以便焦化裝置可得到更好的回收利用［7-8］。

4 結(jié)語

延遲焦化裝置的結(jié)焦問題一直以來都是裝置長周期正常生產(chǎn)運(yùn)行的難點(diǎn)，本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，從原料性質(zhì)、急冷油改變、日常操作3個(gè)方面對(duì)焦炭塔頂大油氣線結(jié)焦原因進(jìn)行了較為全面的分析，找出了結(jié)焦的關(guān)鍵影響因素，并給出了詳細(xì)具體的應(yīng)對(duì)措施及建議，有利于焦化裝置的長周期平穩(wěn)開煉。