延迟焦化装置焦炭塔挥发线结焦原因及预防措施
Outline:
郭小安
,
张德龙
,
龚文武
,
刘春岩
,
盖敬民
收稿日期：2011-02-15；修回日期：2011-05-27
作者简介：郭小安：男，1981年生，2006年毕业于宁夏大学化学工程与工艺专业。助理工程师，从事延迟焦化装置技术管理工作，发表论文1篇.
摘要：针对大庆石化公司炼油厂120×104 t/a延迟焦化装置焦炭塔顶因挥发线结焦而使塔顶压力持续升高的问题进行了分析和预测。对本装置各种操作条件进行了标定，标定结果表明，加热炉出口温度越高、装置处理量越小、不掺炼催化油浆、注入消泡剂等措施实施后，降低了焦炭塔泡沫层的高度，以减缓焦炭塔挥发线结焦速度，对实现装置长周期运行提供了有力保障。
关键词：焦炭塔 挥发线 结焦 泡沫层 标定
Coking Causes and Prevention Measures of Coke Tower Volatile Lines in Delayed Coking Unit
Outline:
Guo Xiaoan
,
Zhang Delong
,
Gong Wenwu
, et al
PetroChina Daqing Petrochemical Company Refinery Delayed Coking Workshop, Daqing 163711, Heilongjiang
Abstract: Analysis and forecasting were made in this paper aiming at the problem of top pressure of coke tower of 1200×103t/a delayed coking unit in the refinery of Daqing Petrochemical Company rises continuously causing by volatile lines coking. Various operation conditions of the unit are calibrated, the results show that the higher the furnace outlet temperature, the smaller processing capacity of the unit, After taking a series of measures such as stopping blending with FCC slurry oil, injecting defoamer and so on, the height of foam layer in coke tower was decreased so as to slow down the coking rate of the volatile lines, which provides a strong guarantee for long-term operation of the unit.
Key words:
coke tower volatility line coking foam layer calibration
大庆石化公司120×104 t/a延迟焦化装置于2008年9月建成投产，该装置采用一炉两塔的工艺路线，装置设计循环比为0.5，以大庆减压渣油及催化油浆和乙烯焦油为原料，主要产品为干气、液态烃、汽油、柴油、蜡油和焦炭。焦化过程是对重质油进行无催化剂的热破坏加工，加热到一定的温度，在焦炭塔内发生一系列的热裂解和缩合反应，随着处理量的逐步加大，焦炭塔泡沫层及空高与安全生产的矛盾更加突出，带来的直接后果是焦炭塔泡沫夹带严重，把来不及沉降下来的焦粉带到分馏塔底部后，又通过分馏塔底循环油进入加热炉管，焦粉在炉管内形成结焦因子，加剧辐射炉管的结焦，进而形成恶性循环。另外，焦炭塔油气携带大量焦粉使焦炭塔顶挥发线结焦倾向加大，焦炭塔顶压力升高，严重影响焦化装置的平稳运行[1]。
1 焦炭塔运行现状
1.1 焦炭塔压力持续升高原因分析
2010年6月~12月，焦化装置焦炭塔压力由0.18 MPa持续上升至0.22 MPa，造成焦炭塔压力升高的可能原因有三个方面：一是后路的分馏系统结焦或堵塞；二是焦炭塔顶出口结焦；三是挥发线结焦。下面对各影响因素进行逐一分析。
1.1.1 后路分馏系统结焦或堵塞
(1) 分馏塔油气线入口被焦块堵塞。由于焦炭塔顶压力是每天逐渐升高，而非突然升高，因此排除了焦块卡堵分馏塔油气线入口的可能性。
(2) 分馏塔底焦粉淤积，逐渐封堵分馏塔油气线入口。自2009年5月装置检修后，分馏塔底过滤器及塔底循环泵P1109入口过滤器都没有清理过，但泵P1109一直运行正常，说明分馏塔底淤积的焦粉量非常少，因此排除了分馏塔底焦粉淤积并逐渐封堵分馏塔油气线入口的可能性。
(3) 分馏塔盘结焦或堵塞。2010年6月~12月，分馏塔压降由0.013 15 MPa升至0.015 58 MPa，仅升高了0.002 43 MPa；且分馏系统各侧线抽出温度及回流量均正常，因此可以排除分馏塔盘结焦或堵塞的可能性。
通过以上分析，可以排除后路分馏系统结焦或堵塞造成焦炭塔压力升高的可能性。
1.1.2 焦炭塔顶部塔口结焦
2010年9月，在分别对T1101A、T1101B进行清焦时发现：T1101A顶部塔口约有20 mm结焦厚度，T1101B顶部塔口约有10 mm结焦厚度。T1101A顶部塔口清焦后塔顶压力由0.206 MPa下降至0.191 MPa，压力仅降低0.015 MPa；T1101B顶部塔口清焦后塔顶压力由0.195 MPa下降至0.189 MPa，压力仅降低0.006 MPa，说明焦炭塔顶部的塔口清焦对降低焦炭塔压力的作用不明显。
11月再次对T1101B顶部塔口进行清焦，观测焦炭塔顶部塔口无明显结焦现象，清焦后焦炭塔压力仅降低0.001 MPa，因此没有再对T1101A进行清焦。
通过以上分析说明：焦炭塔顶部塔口结焦不是造成焦炭塔压力升高的主要原因。
1.1.3 油气线结焦堵塞
(1) 油气线环阀严重结焦堵塞
2010年12月1日，车间对焦炭塔油气线环阀进行了测试，缓慢将阀位由100%关至65%(正常生产时处于全开状态)，在关阀初期阀体较沉，并听到焦块脱落的咯噔声，随后反复开关过程中阀体变轻。但阀位恢复至100%后焦炭塔压力未降低，因此可以排除油气线环阀结焦堵塞的可能性。
(2) 环阀前的油气线结焦情况
a.油气线“死点”处结焦。T1101A、T1101B环阀前的油气线各有6个弯头，弯头处存在油气局部返混现象，因此结焦倾向比直管段严重，但其结焦程度并不影响整个系统的流动性。
b.挥发线直管段结焦。焦炭塔预热时油气逆向流动且流程较长，挥发线内温度变化较大，存在带液的可能性，进一步促进挥发线结焦。焦炭塔吹汽时油气速度增加，焦粉携带量增大，诱发挥发线结焦。如图 1所示。
2009年5月，焦化装置运行8个月，检修时发现挥发线平均结焦厚度约13 mm。检修后至今装置已运行19个月，由此可推断目前挥发线结焦更严重。
(3) 环阀后的油气线结焦情况
环阀后的油气线处于连续运行工况，不存在急冷急热，且大部分为水平直管段，因此结焦速度可能比环阀前慢。
通过以上分析，焦炭塔挥发线结焦是造成焦炭塔压力升高的主要原因。
2 焦炭塔挥发线结焦情况
焦炭塔T1101A挥发线结焦情况对比见表 1。
表 1
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表 1 焦炭塔T1101A挥发线结焦情况对比表
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焦炭塔挥发线结焦情况说明：
在2010年7月~8月及10月~11月时间段内，焦炭塔压力升高、油气线结焦速度加快，主要是因为装置处理量增加了。即7月处理量由3 600 t/d提高至3 800 t/d，8、9月降至3 500 t/d，10月处理量由3 500 t/d提高至3 700 t/d(设计3 429 t/d)。
2010年9月对T1101A、B顶部塔口各清焦一次，塔顶压力及挥发线压降略有下降。
2010年6月~11月，焦化车间开始间歇掺炼油浆，期间焦炭塔油气密度组成有所变化，结焦厚度变化出现偏差。
2.1 挥发线结焦厚度验证
2009年5月，焦化装置运行8个月，检修期间实测焦炭塔挥发线结焦平均厚度约13 mm，与2010年6月计算的结焦厚度基本吻合。
2.2 挥发线结焦厚度预测
若按目前焦炭塔挥发线结焦速度为0.123 mm/d来预测，2011年4月末焦炭塔顶压力达到0.26 MPa左右，累计结焦厚度将达到50 mm。
2.3 焦炭塔压力高的影响
随着焦炭塔压力的升高，反应深度增加，其结果是气体和焦炭收率增加，液体收率下降[3]。尤为重要的是：焦炭塔压力升高容易导致焦炭塔塔底盖机泄漏着火，存在安全隐患。
3 焦炭塔挥发线结焦的原因分析
高温渣油在焦炭塔内发生裂解、缩合反应时的不完全产物，即介于油气和焦炭的中间产物，容易形成泡沫层[4]。随着泡沫层的升高，大量焦粉可能随油气进入挥发线中，进一步沉积后造成挥发线结焦。
尽管焦炭塔采用了中子料位计、注急冷油、注消泡剂等技术，但焦炭塔挥发线结焦始终是生产中不可避免的问题。
影响焦炭塔泡沫层高度的因素有四点：一是加热炉出口温度；二是装置处理量；三是掺炼催化油浆；四是消泡剂使用效果。下面对各影响因素逐一分析。
3.1 加热炉出口温度对泡沫层的影响
加热炉出口温度对泡沫层的影响详见表 2。
表 2
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表 2 加热炉出口温度对泡沫层的影响对比表
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从表 2看出：在相同的操作条件下，加热炉出口温度越高，焦化反应越剧烈，因而裂解深度越大，相应的泡沫层高度越低。操作数据表明：加热炉出口温度每提高1 ℃，泡沫层高度可降低约0.76 m。
3.2 处理量对泡沫层的影响
处理量对泡沫层的影响详见表 3。
表 3
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表 3 处理量对泡沫层的影响对比表
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从表 3可以看出：在相同的操作条件下，处理量越低，换塔前泡沫层到达焦炭塔筒体的高度越低。若处理量降低100 t/d，则泡沫层到达焦炭塔筒体高度降低约0.83 m。
3.3 掺炼催化油浆对泡沫层的影响
掺炼催化油浆对泡沫层的影响详见表 4。
表 4
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表 4 掺炼催化油浆对泡沫层的影响对比表
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从表 4可以看出：在相同的操作条件下，掺炼油浆相对于不掺炼油浆，干气和焦炭收率均增加，泡沫层到达焦炭塔筒体的高度增加约0.16 m。
3.4 消泡剂对泡沫层的影响
消泡剂对泡沫层的影响详见表 5。
表 5
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表 5 消泡剂对泡沫层的影响对比表
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从表 5可以看出：在相同的操作条件下，注入消泡剂可抑制泡沫层的生成速度和泡沫层高度，减少油气中的焦粉夹带，从而减少挥发线的结焦。操作数据表明：注入消泡剂后焦炭塔泡沫层平均降低约0.6 m。
4 措施
根据以上标定结论，结合装置实际情况和以往的生产经验，拟采取以下措施降低焦炭塔挥发线结焦速度。
4.1 提高加热炉出口温度
由于加热炉出口温度越高，焦化反应越剧烈，因而裂解深度越大，相应的泡沫层高度越低。自2010年12月8日，将加热炉出口温度由原来的(498±1) ℃提高至(500±1) ℃，在相同操作条件下，泡沫层降低了1.52 m。
4.2 适当降低处理量
焦炭塔焦粉(或泡沫)的夹带量大小主要与塔内的油气线速度及安全空高有关。当装置处理量高时，油气线速度增大，容易导致焦粉(或泡沫)因无法沉降而带到挥发线内，从而加快结焦速度。2011年1月，车间将处理量由3 650 t/d降至3 500 t/d。
4.3 停止掺炼油浆
由于油浆是催化裂化装置的产物，其族组成中主要是无侧链、少侧链和短侧链的稠环芳烃，它们在焦炭塔内反应很少转化为具有高附加值的汽油和柴油馏分，而主要是经脱氢缩合生成气体和焦炭。车间自2010年12月14日停止掺炼催化油浆后，焦化干气收率下降，焦炭塔内油气速度降低，以减缓焦炭塔挥发线结焦速度。
4.4 增大消泡剂注入量
借助焦炭塔中子料位计可准确监测焦炭塔泡沫层高度，保证装置的安全生产。为了降低焦炭塔内泡沫层的高度，防止油气携带焦粉(或泡沫)进入挥发线，通常需在焦炭塔顶部注入消泡剂。自2010年12月6日起，开始增大消泡剂注入量。当第二个中子料位计(焦炭塔筒体8 m位置)达到30%液位时，开始从焦炭塔顶注入消泡剂，注入量约60 μg/g(相对原料)，当第三个中子(焦炭塔筒体12 m位置)达到30%液位时，开两台消泡剂泵，注入量约100 μg/g，目的是减少泡沫层在高点的停留时间。中子料位计位置如图 1所示。
4.5 减少污油回炼频率
焦化装置污油回炼采用做为焦炭塔急冷油的方式进行，由于污油较重，不能完全汽化，一部分液相很容易附着在挥发线上引起结焦。另外，在污油回炼时，有时因含水等组分造成挥发线温度大幅度波动，很容易造成挥发线部分结焦的剥离、脱落，脱落的焦块进入后路系统，可能造成瓦斯阀或分馏塔循环油系统的堵塞。
为解决上述问题，该厂焦化装置将大于150 ℃的焦炭塔预热凝缩油直接并入分馏塔，减少污油回炼量；同时加强污油罐脱水，降低污油急冷油含水量。
4.6 控制焦炭塔平稳操作
切塔过程中，要通过压缩机对系统压力进行控制，如果操作不当，压力波动较大，会加重焦炭塔内的泡沫产生，从而导致泡沫失控并溢出，引发焦炭塔冲塔，将大量焦粒带入挥发线中，造成挥发线严重结焦。因此，焦炭塔吹汽、冷焦过程应缓慢，避免供汽供水速度过快，将泡沫带入挥发线中，从而减缓挥发线结焦速度。
5 结论
通过对焦化装置各种工况的标定并结合实际生产经验，用大量的数据证明了通过提高加热炉出口温度、适当降低装置处理量、停止掺炼油浆、增大消泡剂注入量、减少污油回炼频率、控制焦炭塔平稳操作等措施，可以有效降低泡沫层高度，减少油气携带焦粉(或泡沫)进入挥发线，从而减缓焦炭塔挥发线结焦速度，控制焦炭塔顶压力升高速度，实现装置的长周期安全稳定生产。
| [1] |
杨长文.浅谈超稠原油焦化实现长周期运行的技术措施[C].中国石油延迟焦化技术交流第三届焦化年会, 2008, 142-126.
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| [2] |
蒋维钧, 余立新. 化工原理流体流动与传热[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005: 28-35.
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| [3] |
瞿滨. 延迟焦化装置技术问答[M]. 北京: 中国石化出版社, 2007: 15-16.
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| [4] |
瞿国华. 延迟焦化工艺与工程[M]. 北京: 中国石化出版社, 2008: 451-452.
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2011, Vol. 40