延迟焦化工艺是一种既连续又间歇的工艺，对装置整体而言属于连续操作，对焦炭塔系统而言属于间歇操作。焦炭塔在生产过程中要经历赶空气、试压、油气预热、切塔、小吹汽、大吹汽、给水冷焦、放水、除焦等操作过程[1]。由于其工艺的特殊性，随着焦炭在焦炭塔内的积聚，焦炭塔内料位逐渐升高，当料位过高、油气发泡现象严重时，塔内焦粉会被油气从塔顶带走。因此，通常在料面达到焦炭塔高度的2/3时就停止进料，切换焦炭塔，但油气仍难免会携带焦粉进入分馏塔。其次，在焦炭塔吹汽冷焦的过程中，具有一定线速度的蒸汽在高料位下也会夹带焦粉进入分馏塔[2-3]。因此，分馏塔分离出的焦化汽油、柴油、蜡油及含硫污水中不可避免会携带一定量的焦粉，对延迟焦化装置及下游装置均具有一定的危害。为了减少焦粉携带的不利影响，在目前的研究报道中，采取的技术措施主要有优化操作条件减少焦粉携带、反冲洗过滤器除焦粉、旋流分离法除焦粉、絮凝沉降法除焦粉和陶瓷膜过滤法除焦粉等。以下分析了焦粉产生的原因和危害，并对减少装置焦粉携带的技术措施进行了介绍。
焦粉携带主要存在以下危害：①焦粉随馏分油进入下游汽油加氢、柴油加氢、加氢裂化装置加工时，会在催化剂表面沉积，使反应器床层压降升高、床层发生架桥偏流等，导致催化剂失活；②焦粉进入换热器时，易使换热器结垢堵塞，影响换热效果，甚至需停工清洗，会在下游的酸性水汽提装置汽提塔塔盘上沉积、堵塞、卡住阀孔，严重影响装置的长周期运行；③焦化馏分油中的二烯烃等不饱和烃类易聚合，细小焦粉颗粒对其具有很强的吸附性，易与聚合反应过程中生成的有机大分子化合物黏结在一起，使得焦垢颗粒逐渐长大，从而沉淀结焦堵塞设备[3-4]。
在延迟焦化装置正常生产运行过程中，优化操作条件是减少焦粉携带的最直接措施。可根据加热炉辐射进料流量、炉出口温度、炉管注汽量、焦炭塔塔顶急冷油量等操作数据预测焦炭塔内焦层高度、空塔气速、泡沫层高度等关键工艺参数，对操作条件进行优化。
由于焦炭塔切塔后，老塔需要进行小吹汽冷焦处理，此时老塔上部有一些软焦层和泡沫层，需控制吹汽量，开阀给汽要缓慢，李金云等[5]通过控制老塔小吹汽量在2.5 t/h以下，防止将部分泡沫带入油气大管线进而进入分馏塔。摸索在焦炭塔预热和切换生产时的气压机转速调整幅度，避免系统压力波动幅度过大导致焦炭塔与分馏塔间的系统压力降突变，使焦粉携带量增加。同时，在控制加热炉管表面温度、炉膛温度不超标、焦炭硬度满足除焦要求的前提下，在焦炭塔切换四通阀前2 h及切换四通阀后1 h时间段内实行变温操作，提高加热炉出口温度1~2 ℃，减少泡沫层高度；对分馏塔塔底循环油上下返塔流量进行调整，保持较大的分馏塔塔底循环回流，并加强对分馏塔塔底过滤器的监控和清理，减少焦粉向下游携带及在分馏塔塔底进一步沉积的可能。通过采取以上措施后，分馏塔塔底过滤器清理的频次由20 d左右延长至最长40 d，塔底循环油流量稳定，未发现明显的结焦趋势，表明焦粉携带明显减少。此外，通过采取监控好焦炭塔料位、正确使用消泡剂、稳定焦炭塔压力、根据处理量灵活调整炉管注汽量、合理安排预热速度等措施，对减少焦粉携带也具有一定的效果[6]。
通过优化操作条件减少焦粉携带虽然操作简单，但脱除焦粉效果有限，不能彻底解决焦化油品及含硫污水焦粉携带的问题，还需进一步通过技术改造脱除焦化油品及含硫污水中携带的焦粉，以减小对本装置及下游装置的影响。
采用反冲洗过滤器除焦粉是较为常用的方法，过滤器通常由若干组并联的过滤组件组成，含焦粉颗粒的物料进入反冲洗过滤器后，其中的焦粉颗粒被过滤下来，当过滤器进出口压差大于设定值时，过滤器利用已过滤的清洁原料及自身压力由内向外对滤芯进行自动反冲洗，其余几组正常过滤，反冲洗按顺序逐组执行[3]。
中国石油克拉玛依石化公司为解决焦化含硫污水中焦粉携带的问题，对含硫污水中的焦粉进行了研究，表明其中携带的焦粉颗粒粒径主要集中在25 μm左右，焦粉颗粒大小主要取决于焦炭塔内的油气速度，且随装置周期性生产工艺的变化而波动，粒径分布在5~40 μm，根据污水汽提装置的运行经验，粒径小于25 μm的焦粉颗粒对装置的正常运行影响较小。2010年5月，增设了1套25 μm的自动反冲洗过滤器。该过滤器投入运行后，含硫污水中部分粒径较大的焦粉被脱除，其中焦粉质量浓度可由23 mg/L降至14 mg/L，焦粉脱除率为39.1%，系统运行稳定[7-8]。
中国石油大庆石化公司延迟焦化装置以轻蜡油作为热油机泵机械密封的冲洗油，由于其含焦粉，导致机泵机械密封频繁泄漏，给生产带来安全隐患。同时，轻蜡油含焦粉，直接作为加氢裂化装置原料会影响催化剂寿命。为了解决轻蜡油含焦粉带来的问题，2012年，装置增设了1套ZFG-Ⅱ型轻蜡油自动反洗过滤器，反冲洗介质采用0.7 MPa的稳压氮气，利用稳压氮气对滤芯进行爆破冲洗，迅速将堆积在滤芯表面的杂质清洗掉。轻蜡油自动反洗过滤器在投用初期，运行不稳定，存在反冲洗产生的污油外甩困难、污油泵没有开停状态回讯、过滤器顶部安全阀异常启动等问题。通过采取改变污油泵入口过滤器为普通的篮式过滤器、污油泵机封由双端面干气密封改为P53A机封、增加污油泵开停状态回讯、切削轻蜡油泵叶轮降低泵出口压力防止安全阀起跳等一系列措施，自动反冲洗过滤器运行平稳，满足生产要求，焦粉脱除率达95%以上，有效降低了焦化轻蜡油中的焦粉含量，减小了焦化轻蜡油含焦粉对设备及下游装置的影响[9]。中国石化天津分公司延迟焦化装置采用ZFG-Ⅱ型蜡油自动反洗过滤器(过滤精度为20 μm)后，焦化蜡油焦粉过滤效果见表 1。从表 1可以看出，焦粉脱除率达到80%以上，有效改善了蜡油性质，为下游加氢裂化装置提供了合格的原料[10]。中国石化燕山分公司、中海石油惠州炼油分公司延迟焦化装置也使用了蜡油自动反洗过滤器，在使用过程中针对运行存在的问题进行了相应技术改造，改造后均运行平稳，对焦化蜡油脱除焦粉具有良好的效果[11-12]。
自动反冲洗过滤器除焦粉技术具有过滤精度高、使用效果好、自动化程度高、操作简单、维护方便、占地面积小等优点，目前多用于焦化蜡油及含硫污水中焦粉的脱除，自动反冲洗过滤器对于焦化蜡油脱除焦粉效果较好，焦粉脱除率高，但对于含硫污水，其中的焦粉颗粒粒径较小，脱除相对较为困难，焦粉脱除率仅约40%。
旋流分离技术主要基于离心沉降原理，在延迟焦化装置中多用于冷焦水的除油，在油品及含硫污水除焦粉方面的应用还不多。旋流分离法除焦粉是近几年来发展起来的一种新技术，由于小直径能够产生很大的离心力，微旋流器通常用于微细颗粒，尤其是粒径小于10 μm的分离分级与浓缩，可应用于油品、污水的脱焦粉。
武光照等[13]对焦粉微旋流分离器内液体、固体的流动特性进行了模拟研究，结果表明，在微旋流分离器压降为0.22 MPa、进口速度为9.26 m/s、分流比为8%的进口条件下，粒径为10 μm以上的微粒去除率达到90%以上，该微旋流器可应用于油品净化过程；李志明等[14]设计了一种液-固微旋流分离器，对微旋流除焦粉分离性能进行了考察，在微旋流器进口焦粉颗粒平均粒径为25 μm，流量为0.86 m3/h，分流比为5%时，分离效率在92%以上，分割粒径为6 μm，适用于含焦粉焦化油品的分离净化；汪华林等[15]的发明专利在中国石油独山子石化公司80×104 t/a催焦化柴油加氢精制装置进行了应用，采用旋流分离装置对原料油进行预处理，焦粉质量浓度为6 000 mg/L，原料油经旋流分离后焦粉质量浓度小于300 mg/L、粒径大于30 μm的焦粉颗粒全部得到脱除，旋流器进出口压降≤0.1 MPa。
中国石油兰州石化公司延迟焦化装置分馏塔塔顶酸性水送至下游酸性水汽提装置加工，由于其含焦粉，在汽提塔塔盘上沉积、堵塞、卡住阀孔，影响酸性水汽提装置的正常运行。为解决此问题，采用某技术公司开发的旋流分离技术进行了技术改造，增设酸性水除焦粉系统。该技术具有封闭运行、无工艺污水排放、旋流器内部流场均匀、分离效率高等优点，对粒径≥10 μm的焦粉颗粒物脱除效果良好，其工艺流程见图 1。来自装置分馏塔塔顶回流罐的酸性水经酸性水泵输送至旋流分离器，经分离后，焦粉浓缩至分离器下部，形成酸性水浊液进入焦粉缓冲罐，控制酸性水浊液量为酸性水原料量的2%(w)左右，分离器顶部酸性水清液出装置去酸性水汽提装置加工，焦粉缓冲罐中酸性水浊液收集到一定液位时，在焦炭塔给水冷焦过程中，由酸性水浊液泵输送至焦炭塔，随冷焦水进入焦炭塔。增加酸性水除焦粉系统后，系统运行稳定，酸性水中焦粉质量浓度可由24.50~42.70 mg/L降至2.13~2.75 mg/L，焦粉脱除率达到91%以上，脱除效果良好，减小了携带焦粉对酸性水汽提装置的影响，装置运行平稳[16]。
旋流分离法除焦粉具有投资少、流程简单、操作可靠、分离效率高、焦粉脱除效果好等优点。与自动反冲洗过滤器除焦粉相比，该技术无需切换，运行及维护费用低，压降小且运行稳定，具有良好的应用前景。
絮凝沉降法除焦粉是武汉理工大学开发的一种焦化废水除焦粉方法，采用阳离子型高分子絮凝剂、高分子助凝剂和破乳剂，化学药剂与焦化废水混合后，进行絮凝、沉降分离，焦粉沉入设备底部排出，与焦粉分离的焦化废水进入缓冲罐，由提升泵提升到汽提装置加工。实验室研究结果表明，采用高分子水处理药剂处理含硫废水，可使废水中的焦粉质量浓度由217.5 mg/L降至19.6 mg/L，焦粉脱除率达到91%，同时油质量浓度由862.5 mg/L降至19.8 mg/L，除油率达到97.7%。该技术于2010年在中国石化武汉分公司进行了中试，试验结果见表 2。从表 2可以看出，处理前含硫废水的焦粉质量浓度平均值为114.7 mg/L，处理后的废水中焦粉质量浓度平均值为14.4 mg/L，焦粉脱除率达到87.4%，表明该技术对焦化含硫废水中的焦粉脱除效果较好[17-18]。
采用絮凝沉降法除焦粉脱除率能达到85%以上，焦粉脱除效果较好，但需要消耗水处理剂，导致操作成本增加，该技术中试完成后，工业化应用的报道较少。
陶瓷膜具有耐酸、耐碱、耐有机溶剂、耐高温、机械性能好的优点，可进行高压反冲再生，采用陶瓷膜错流过滤技术进行溶液中细微粒子的分离是可行的。南京化工大学邢卫红等采用陶瓷膜分离技术脱除焦化废水中的焦粉，并对不同孔径膜的处理效果进行了分析，结果表明，0.2 μm的氧化锆陶瓷膜可有效除去废水中的焦粉，废水采用絮凝剂预处理后，1.0 μm的氧化铝陶瓷膜也可达到脱除焦粉的目的，渗透液清澈透明，且过滤通量显著提高，过滤通量是之前的10倍；采用表面活性剂和酸对污染的陶瓷膜进行清洗，并伴有间歇的反向脉冲，可使陶瓷膜得到有效再生，恢复膜的过滤通量[19]。
陶瓷膜过滤法除焦粉目前还处于研究阶段，且已见报道的研究不多，要实现工业化应用还需从提高陶瓷膜的过滤通量、开发简单易行、清洁环保的再生方法等方面开展大量研究工作。
焦粉携带是影响延迟焦化装置及下游装置平稳运行的一个重要问题，在生产过程中优化操作条件是最基本的缓解焦粉携带的方法，需做好焦炭塔的操作优化，从源头控制焦粉的产生，以减小后续除焦粉系统的压力，保证设备设施的长周期运行。絮凝沉降法除焦粉、陶瓷膜过滤除焦粉法目前尚处于研究阶段，若要实现工业化还需开展进一步的研究。通过技术改造采用自动反冲洗过滤器、旋流分离除焦粉技术能最大限度地脱除油品、含硫污水中携带的焦粉颗粒。在各种除焦粉技术方法中，旋流分离技术具有分离效率高、焦粉脱除效果好、流程简单、运行稳定，投资及运行维护费用低等优点，应用前景良好，可在同类装置中推广应用。
2017, Vol. 46 Issue (3): 27-30,35
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