焦化大負(fù)荷生產(chǎn)下的設(shè)備分析

周梓桐

（中石油云南石化有限公司生產(chǎn)一部 昆明）

一、概述

延遲焦化工藝是目前最深的脫碳工藝過程，也是重質(zhì)殘?jiān)洼p質(zhì)化最成熟的技術(shù)之一。隨著國(guó)內(nèi)高硫高酸重質(zhì)原油加工能力的逐步提高，特別是原油變重變差，導(dǎo)致煉油廠的渣油加工能力不足，輕重原油購(gòu)買成本的差異、商品渣油及燃料油出廠嚴(yán)重影響了煉油廠的效益，所以多套延遲焦化裝置進(jìn)行了大負(fù)荷操作。

煉化延遲焦化設(shè)計(jì)為每年220萬噸（3爐6塔設(shè)計(jì)），先期實(shí)施建設(shè)焦化2爐4塔每年140萬噸延遲焦化，處理量渣油為166.67 t/h，設(shè)計(jì)循環(huán)比0.8，2014年10月大負(fù)荷生產(chǎn)期間焦化單元每天加工渣油221.86 t/h，焦化單元負(fù)荷率133.1%。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，煉化延遲焦化提高了加工負(fù)荷，同時(shí)也帶來了一些問題。

二、某煉化延遲大負(fù)荷生產(chǎn)下設(shè)備主要參數(shù)分析

1.焦炭塔

焦炭塔是焦化裝置的核心設(shè)備，焦化的裂解和縮合生焦反應(yīng)在焦炭塔內(nèi)進(jìn)行，焦炭塔是焦化裝置的反應(yīng)器，操作時(shí)直接影響到加熱爐、分餾塔、吹汽放空塔、冷切焦水系統(tǒng)和焦炭裝運(yùn)系統(tǒng)等。

（1）焦炭塔空塔氣速（表1）。

表1 焦炭塔內(nèi)物料（2爐4塔）

焦炭塔參數(shù)：焦炭塔直徑9 m；焦炭塔反應(yīng)壓力0.185 MPa；焦炭塔反應(yīng)溫度420℃。

每支焦炭塔的摩爾數(shù)：n1=n/2。

每支焦炭塔的體積流量：v=nRT/P。

焦炭塔截面積：S=3.14×R2。

焦炭塔氣速：u=v/s。

根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算出焦炭塔空塔氣速為0.136 m/s。目前關(guān)于焦炭塔空塔氣速的計(jì)算方法存在差異，而且氣速也不能過高，部分設(shè)計(jì)部門采用的焦炭塔極限氣速是0.15 m/s。國(guó)內(nèi)同類企業(yè)經(jīng)驗(yàn)氣速是0.135 m/s，由于某原油性質(zhì)決定，某原油設(shè)計(jì)焦炭塔空塔氣速為0.1 m/s，而2014年10月大負(fù)荷生產(chǎn)情況下，焦炭塔空塔氣速已經(jīng)超出設(shè)計(jì)值。特別是在焦炭塔換塔后小吹汽情況下，更容易引起泡沫夾帶。

（2）焦炭塔的安全空高。焦炭塔的高度根據(jù)焦炭產(chǎn)率、生焦時(shí)間、泡沫層高度來確定。在確定焦炭塔高度時(shí)應(yīng)留有一定的安全空高，安全空高一般為塔頂切線離泡沫層頂部的距離，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的焦炭塔一般安全空高≥5 m，泡沫層約為3～5 m，而某焦炭塔頂切線高度為31.8 m，安全空高按照5 m，泡沫層高度按照3 m計(jì)算，生焦高度應(yīng)≤23.8 m，焦化大負(fù)荷生產(chǎn)下，空高越大，焦炭塔的利用率越低，但油氣在塔內(nèi)的停留時(shí)間延長(zhǎng)，有利于泡沫層氣泡的破裂，對(duì)減少油氣線和分餾塔內(nèi)結(jié)焦有利。根據(jù)2014年10月焦炭塔焦高趨勢(shì)圖分析，焦炭塔安全空高富裕度很小，泡沫夾帶嚴(yán)重。

（3）存在問題。焦炭塔空塔氣速過高，安全空高過低引起泡沫夾帶嚴(yán)重，從而造成分餾塔有堵塞現(xiàn)象。

2.分餾塔

（1）循環(huán)比。從目前國(guó)內(nèi)焦化生產(chǎn)情況看，原油性質(zhì)逐年惡化，原油評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)2013年1月殘?zhí)?5.7%，瀝青質(zhì)13.1%，2014年1月殘?zhí)?6.3%，瀝青質(zhì)14.9%，密度呈上升趨勢(shì)，焦化裝置加工原料性質(zhì)越來越重質(zhì)化和劣質(zhì)化（高瀝青質(zhì)原料），采用較小的循環(huán)比操作時(shí)，焦炭塔不同程度的出現(xiàn)了彈丸焦的傾向，引起焦炭塔振動(dòng)以及彈丸焦處理和分餾塔下部結(jié)焦等問題，嚴(yán)重影響了裝置的安全和長(zhǎng)周期穩(wěn)定生產(chǎn)。

(3)打開本地電腦中的參數(shù)文件后，點(diǎn)擊圖23所示的“寫入數(shù)據(jù)記錄”按鈕，系統(tǒng)即圖24所示的進(jìn)入寫入記錄過程中。

2014年10月大負(fù)荷生產(chǎn)期間，某煉化延遲焦化車間每天處理量在8700 t，在此負(fù)荷下，由于焦化爐負(fù)荷的限制，焦化循環(huán)比約為0.62，2009年1#某煉化延遲焦化裝置進(jìn)行了標(biāo)定，循環(huán)比最低可以控制在0.58（只運(yùn)行1天），而當(dāng)循環(huán)比降至0.58時(shí)，壓力開始慢慢上升，直至8 h以后，壓力開始加速上升和急劇波動(dòng)，有生成彈丸焦的跡象和傾向。在加熱爐輻射出口壓力出現(xiàn)急劇波動(dòng)后停止標(biāo)定，根據(jù)原油性質(zhì)變化情況來看，循環(huán)比0.62已經(jīng)是極限（設(shè)計(jì)循環(huán)比0.8）。

（2）存在問題。在大負(fù)荷生產(chǎn)情況下，循環(huán)比控制較低，輻射油性質(zhì)變差，輻射油瀝青質(zhì)含量較高，分餾塔底過濾器和輻射泵入口過濾器堵塞嚴(yán)重。

3.加熱爐

加熱爐是整個(gè)裝置的核心單元設(shè)備，決定了操作周期與經(jīng)濟(jì)效益。在提高裝置加工能力方面，為確保加熱爐的安全運(yùn)行，應(yīng)關(guān)注加熱爐的質(zhì)量流量、輻射爐管外壁溫度、平均熱強(qiáng)度等幾方面問題

（1）焦化加熱爐質(zhì)量流速。為了避免由于爐管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流速過大而引起加熱爐熱負(fù)荷不足，應(yīng)控制爐管內(nèi)質(zhì)量流速每秒＜1800 kg/m2，由于某原油性質(zhì)決定，2#焦化質(zhì)量流速設(shè)計(jì)每秒1500 kg/m2。

根據(jù)焦化單元循環(huán)比0.65，常壓渣油221.86 t/h，焦化爐管外徑114.3 mm，壁厚10 mm進(jìn)行計(jì)算，焦化爐質(zhì)量流速為每秒1820.918 kg/m2，爐管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流速過大而引起加熱爐熱負(fù)荷不足或爐管的表面熱強(qiáng)度過大而引起爐管結(jié)焦。

（2）輻射爐管外壁溫度。管焦的導(dǎo)熱系數(shù)很小，實(shí)驗(yàn)測(cè)得僅為鋼管導(dǎo)熱系數(shù)的1/10，爐管結(jié)焦是導(dǎo)致操作后期爐管外壁溫度升高或損壞的根本原因。提量后，結(jié)焦前體物生成速率勢(shì)必增加，要想確保相同的結(jié)焦速率，必須提高結(jié)焦前體物的脫落速率。

需要說明的是，盡管出口處介質(zhì)溫度最高，最高油膜溫度不一定在出口處，特別是燃燒不正常，導(dǎo)致火焰舔管，造成爐管表面局部熱強(qiáng)度大的時(shí)候，火焰舔管處油膜溫度反而最高。

進(jìn)行提高加工能力操作時(shí)，由于2#焦化加熱爐材料為T9，加熱爐爐膛溫度控制在≤800℃，管壁溫度≤630℃，同類裝置爐膛溫度控制在≤840℃，管壁溫度≤650℃，這主要是由爐管材質(zhì)和原料性質(zhì)決定，合理控制加熱爐爐管的平均熱強(qiáng)度，避免爐管由于局部過熱出現(xiàn)過早結(jié)焦、表面氧化爆皮、滲碳等現(xiàn)象。

（3）存在問題。相對(duì)常減壓-焦化裝置而言，提高加工能力后，由于脫鹽設(shè)備的不配套，普遍存在裝置輻射爐管的結(jié)焦（結(jié)鹽）問題。

四、防范措施

（1）降低小吹汽流量，減少油氣的焦粉夾帶。建議適當(dāng)降低小吹汽流量，小吹汽量控制在2.5 t/h。

（2）急冷油、消泡劑在焦炭塔切換后延遲30 min切換。

（3）焦化爐注汽量與焦化原料量之比≥1.5%，保持爐管內(nèi)合適的介質(zhì)流速及升溫速率，避免爐管結(jié)焦，使產(chǎn)品分布更為合理。

（4）爐管內(nèi)質(zhì)量流速范圍控制在每秒≤1650 kg/m2。

（5）焦炭塔安全空高＜9 m時(shí)，縮短生焦周期，生焦周期由30 h更改為24 h。

（6）根據(jù)原油性質(zhì)變化，2#焦化循環(huán)比設(shè)防值0.65，焦化加工量每天應(yīng)控制在4432.8 t（2爐4塔）。

以上防范措施，應(yīng)盡可能的滿足。超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)值及設(shè)計(jì)富裕度選擇合適的裝置負(fù)荷，并制定詳細(xì)方案進(jìn)行。

五、建議

國(guó)內(nèi)各個(gè)焦化裝置都對(duì)提高處理量進(jìn)行了嘗試，若實(shí)施不當(dāng)會(huì)對(duì)裝置構(gòu)成嚴(yán)重影響。因此建議采取以下措施來確保安全生產(chǎn)。

1.加熱爐

為了避免因爐管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流速過大而引起加熱爐熱負(fù)荷不足，應(yīng)控制爐管內(nèi)質(zhì)量流速每秒≤1800 kg/m2。合理控制加熱爐管表面平均熱強(qiáng)度、油膜溫度等參數(shù)，避免爐管由于局部過熱或油膜溫度過高（＞530℃）出現(xiàn)結(jié)焦、表面氧化等現(xiàn)象。建議加熱爐爐膛溫度控制在≤820℃，且爐膛各點(diǎn)溫度檢測(cè)值之差≤30℃，爐管外壁溫度≤600℃（Cr5Mo材料）或≤650℃（Cr9Mo材料）。保持爐管內(nèi)合適的介質(zhì)流速及升溫速率，避免爐管結(jié)焦，使產(chǎn)品分布更為合理，應(yīng)確保加熱爐注汽（水）量與焦化原料量之比＞1.5%。輻射出口溫度控制在490～502℃，避免由于反應(yīng)溫度過低或過高而降低裝置的經(jīng)濟(jì)性或使生產(chǎn)周期縮短。為了使提高加工能力與節(jié)能有效結(jié)合起來，加熱爐在操作中應(yīng)控制：排煙溫度≤170℃，排煙CO含量≤100×10-6，出對(duì)流氧含量≤5%，爐體外壁溫度≤80℃，確保加熱爐運(yùn)行熱效率≥90%。在確保加熱爐穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，盡量避免硫腐蝕對(duì)設(shè)備造成的損壞，燃料系統(tǒng)應(yīng)保持壓力≥0.3 MPa，H2S含量≤20×10-6。

管理方面要通過加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡檢、進(jìn)一步完善加熱爐運(yùn)行監(jiān)控手段（增加壁溫檢測(cè)點(diǎn)、紅外測(cè)溫儀定期檢測(cè)等），確保加熱爐始終處于正常燃燒狀態(tài)，避免非正常燃燒狀態(tài)導(dǎo)致介質(zhì)結(jié)焦速率激增，造成爐管損壞。

2.焦炭塔

加強(qiáng)消泡劑的優(yōu)選，降低泡沫層高度。泡沫層高度一般是3～6 m，當(dāng)向焦炭塔內(nèi)注入消泡劑后，泡沫層的高度應(yīng)減少30%～50%，在關(guān)注消泡劑運(yùn)行效果的同時(shí)，盡量選擇低硅或無硅型，使用含硅消泡劑時(shí)，建議加氫裝置增設(shè)補(bǔ)硅催化劑，以延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。

適當(dāng)降低小吹汽流量，減少油氣的焦粉夾帶，避免油氣線及分餾塔底部高溫部位的結(jié)焦。焦炭塔切換前安全空高較低，小吹汽初期焦炭塔內(nèi)空塔氣速較高，易造成油氣中夾帶大量焦粉，建議適當(dāng)降低小吹汽流量。建議急冷油、消泡劑在焦炭塔切換后延遲30 min切換，降低油氣線及分餾塔高溫部位的結(jié)焦傾向。裝置提高處理量后，焦炭塔切換前空高較低，小吹汽初期焦炭塔內(nèi)空塔氣速較高，且油氣溫度較高，焦炭塔內(nèi)泡沫層仍然存在，所以，建議焦炭塔切換30 min后停注急冷油和消泡劑，以降低高溫油氣及泡沫層對(duì)高溫部位的結(jié)焦影響。

利用肉眼檢查、著色滲透檢查、斷面激光遙控系統(tǒng)等檢測(cè)技術(shù)，或采用組合手段等加強(qiáng)焦炭塔的檢測(cè)。通過上述方法進(jìn)行的在線檢測(cè)，既便于確定焦炭塔變化情況及變形速率，還可根據(jù)這些信息確定修補(bǔ)對(duì)策，保證裝置的安全生產(chǎn)。

定期對(duì)焦炭塔的壽命進(jìn)行評(píng)估，以確保裝置的安全生產(chǎn)。由專門的評(píng)估單位采用科學(xué)的分析方法，對(duì)焦炭塔的壽命進(jìn)行評(píng)估，通過分析和檢測(cè)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)并改變影響焦炭塔損傷的過程和操作方法，以達(dá)到延長(zhǎng)焦炭塔使用壽命及消除隱患的目的。

完善焦炭塔料位監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)了解塔內(nèi)的生焦高度，避免泡沫層沖塔。有條件時(shí)應(yīng)對(duì)料位監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)過少、且不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)料位計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，補(bǔ)充監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)＞3點(diǎn)，且最頂部應(yīng)為連續(xù)性料位計(jì)。

3.分餾塔

建議對(duì)分餾塔底循、輻射過濾器采用雙閥切斷，由于介質(zhì)含焦粉，切斷閥盡可能豎立安裝，確保設(shè)備的安全切除。

合理控制分餾塔頂溫度，避免結(jié)鹽。國(guó)內(nèi)大部分焦化分餾塔頂（頂循段）都有不同程度的結(jié)鹽，加工負(fù)荷提高后情況更加明顯。從煉廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，適當(dāng)提高分餾塔頂溫度至120℃以上，會(huì)改善結(jié)鹽狀況。同時(shí)要增加分餾塔頂部水洗流程，在不停工的條件下，能夠進(jìn)行結(jié)鹽水洗操作。

為了避免重蠟油集油箱結(jié)焦而影響分餾塔操作，應(yīng)注重蠟油集油箱的操作調(diào)整。對(duì)于采用原料進(jìn)分餾塔的焦化工藝技術(shù)，在降低循環(huán)比操作時(shí)，會(huì)造成含有易結(jié)焦成分的夾帶，進(jìn)而上升到重蠟集油箱，長(zhǎng)期操作會(huì)造集油箱結(jié)焦堵死，重蠟油不能抽出，加劇分餾塔的結(jié)焦，影響裝置的正常生產(chǎn)。建議采取控制重蠟油集油箱溫度365℃和適當(dāng)提高循環(huán)比的辦法來解決這一問題。

4.其他方面（吸收穩(wěn)定、氣壓機(jī)、除焦系統(tǒng)）

（1）建立設(shè)備特護(hù)制度，尤其是除焦設(shè)備，確保不會(huì)因?yàn)樵O(shè)備故障影響裝置安全運(yùn)行。應(yīng)成立專門的設(shè)備維護(hù)班組（倒班班組），確保及時(shí)處理設(shè)備故障。

（2）做好除焦前的各項(xiàng)準(zhǔn)備和確認(rèn)工作，根據(jù)焦層高度等情況控制好除焦速度，工藝、設(shè)備等管理人員除制定好生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)外，還要要求操作人員、除焦人員對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行進(jìn)行確認(rèn)，確保裝置的安全生產(chǎn)。

（3）加強(qiáng)腐蝕檢測(cè)。加工過程產(chǎn)生的活性硫?qū)υO(shè)備的腐蝕非常嚴(yán)重，為保證裝置安全運(yùn)行，一定要加強(qiáng)設(shè)備、管線的定期檢測(cè)和高溫部位的巡檢，同時(shí)密切關(guān)注低溫部位的工藝防腐效果。

建議新建焦炭塔采用提高材料（15CrMoR或更高材料）等級(jí)、改進(jìn)裙座形式（采用整體鍛造技術(shù)等）等手段，以提高操作可靠性和延長(zhǎng)焦炭塔疲勞壽命。