焦化蠟油焦粉脫除技術研究進展

（中國石油天然氣股份有限公司 石油化工研究院，北京 102206）

延遲焦化工藝具有投資和操作費用少、過程簡單及轉化深度高等優點，被廣泛用于將重油、渣油及瀝青油經脫碳來生產焦化汽油、焦化柴油和焦化蠟油等產品。與直餾蠟油比，焦化蠟油密度和殘炭值高，含有硫、氮、金屬等雜質，且芳烴、膠質含量高，通常不能作為產品直接使用，需要進行后續加工。實際生產中，由于焦炭塔線速過高，使焦化蠟油中不可避免攜帶較高含量的焦粉。攜帶焦粉的焦化蠟油進入后續加工裝置，如催化裂化裝置、加氫裂化裝置等，會給裝置的長周期安全平穩運行及效益帶來一定影響：①在焦化蠟油輸送管道和熱交換器內，焦粉易沉積結垢，堵塞管道或者減弱熱交換器換熱效果，直至停工清洗檢修。②焦化蠟油進入加氫裂化裝置長時間運行后，焦粉會沉積覆蓋在催化劑表面，導致催化劑活性降低甚至失活，生產效率大幅降低。③由焦化蠟油加工得到的汽油、柴油中含有一定量焦粉時，其產品質量不可避免受到影響。

為了降低焦化蠟油焦粉攜帶所帶來的風險，需采取適宜的措施對焦粉進行脫除。文中對目前常見的幾種焦化蠟油焦粉脫除技術的研究現狀和優、缺點進行了總結，以期為焦化蠟油焦粉脫除新技術的研發提供思路，從而實現焦化蠟油后續加工裝置的長周期平穩運行。

1 優化操作條件

在實際生產中，通過優化操作條件減少焦粉攜帶是最直接的措施。影響油氣攜帶焦粉量的主要因素包括焦炭塔的油氣線速、泡沫層高度、塔頂溫度和塔頂壓力。為了縮短油氣在爐管內的停留時間，減少結焦幾率，往往需要提高加熱爐爐管注汽量。但隨著蒸汽量的增加，焦炭塔內油氣線速增大，油氣攜帶焦粉的幾率也增加。注汽（水）量由原料性質、循環比和處理量等因素決定。操作時應根據加工負荷變化情況，及時調整注汽（水）量，防止焦炭塔內油氣線速過大［1］。

可通過適當提高加熱爐出口溫度來優化操作，李金云等［2］將焦化爐出口溫度設計為（495±5）℃，并且在焦炭塔切換四通前2 h及切換四通后1 h的時間內進行變溫操作，將加熱爐出口溫度提高1～2℃，以降低泡沫層高度。王曉強等［3］通過調整不同生焦階段消泡劑的注入量來降低泡沫層高度，從而達到減少焦粉攜帶量的目的。塔頂壓力的降低會使氣相產物體積突變膨脹，導致油氣線速突然增大，易造成焦粉夾帶。在焦炭塔預熱和切塔階段，應及時調整氣壓機轉速，以減少系統壓力波動造成的焦粉夾帶［4］。優化操作條件的措施簡單易行，對減少焦粉攜帶量具有一定的效果，但脫除焦粉的能力有限。

2 沉降分離法

沉降分離法是指利用固體顆粒與流體介質之間的密度差，靠重力或者離心力使固體顆粒在垂直或徑向方向上沉降，從而實現固體顆粒的分離。焦化蠟油中焦粉顆粒密度和粒度都較小，一般的重力沉降法無法將焦粉高效脫除，用于焦化蠟油焦粉脫除的沉降分離法主要有磁絮凝沉降法和旋流分離法。

2.1 磁絮凝沉降法

磁絮凝沉降法是一種通過使懸浮液中固體顆粒與加入的絮凝劑和磁種結合形成磁性絮凝團，磁性絮凝團在磁場作用下加速沉降，從而實現固液快速分離的方法［5-8］。

磁絮凝沉降工藝操作方便，可提高沉降速度，降低原用藥量。美國Concord市污水處理廠自2007年將磁絮凝與磁分離工藝用于污水深度處理系統，處理后的出水質量穩定，懸浮物質量濃度小于5 mg/L，總磷質量濃度小于0.2 mg/L，且磁粉回收率高達99.5%［9］。磁絮凝沉降法較廣泛地應用于污水處理［10-12］，技術較為成熟，為此方法在其他領域的應用奠定了基礎。

陳英等［13］介紹了一種向焦化蠟油加入磁性絮凝劑Fe3O4-EC來去除焦粉的方法，能夠實現焦化蠟油中較小粒徑的焦粉經絮凝團聚后在磁場的作用下的快速沉降，使焦粉脫除效率得到極大提高。 Chen Y 等［14］將 Fe3O4嫁接至殼聚糖（CS）制備了新的磁性納米顆粒（MNP）絮凝劑，能更好地使焦粉顆粒團聚，加快沉降速度，焦粉去除率高于96%。

由此可見，如何獲取或者制備高效磁性絮凝劑是影響磁絮凝沉降法焦粉脫除效率的關鍵。受高性能絮凝磁種材料生產成本及磁種材料匹配回收技術的限制，有關磁絮凝沉降法在焦化蠟油焦粉脫除方面的工業應用報道較少。

2.2 旋流分離法

旋流分離法是利用旋流器離心力場實現具有密度差的兩相分離的方法。混合物經造旋構件進入旋流器后產生高速旋轉，形成穩定的強離心力場，利用兩相密度差實現分離。旋流分離法具有設備體積小、能耗低、結構簡單、易于操作維護和流量調節范圍廣等優點。國內外學者已對固液旋流器進行了大量的研究［15-24］，為將旋流器應用于焦化蠟油焦粉脫除提供了豐富的理論依據，采用旋流分離法脫除焦化蠟油中的焦粉具有良好的應用前景。

Ma L等［25］設計了一種能有效分離急冷油中焦粉的固液旋流器，其對粒徑大于100 μm焦粉的去除率為99%，對其它粒徑焦粉的分離效率超過87%。Wu G等［26］提出了一種除焦粉微旋流器，并對旋流器內兩相流動進行數值模擬，在適當的條件下，對粒徑10 μm以上的顆粒的去除率大于90%。該模擬方法能夠較好地預測微旋流脫焦粉旋流器的分離性能，模擬結果說明該旋流器的分離性能滿足油品脫除焦粉實現凈化的要求。焦化蠟油中焦粉顆粒粒徑較小，對于這種細微顆粒，有學者開發出了直徑為10 mm的微型旋流器［27-30］。雖然微型旋流器能夠分離更小粒徑的固體顆粒，但在較大流量條件下，旋流器能耗增加，而且更易發生堵塞。基于此，李志明等［31］設計了用于分離細小焦粉顆粒的25 mm液固微旋流器，當入口焦粉平均粒徑為 25 μm、體積流量為 0.86 m3/h、分流比為5%時，該微旋流器分離效率高于92%，能得到較好的分離效果。

因此，開發直徑適中且能分離較小粒徑焦粉顆粒的微旋流器，仍將是采用旋流分離法脫除焦粉的研究熱點之一。

3 過濾分離法

過濾分離法是指當流體通過過濾介質時，固體顆粒被截留下來，從而實現固體與流體分離的方法［32-33］。目前，已經報道的用于焦化蠟油焦粉脫除的過濾分離法主要有反沖洗過濾法和陶瓷膜過濾法這2種方法。

3.1 反沖洗過濾法

反沖洗過濾器是目前焦化蠟油焦粉脫除的核心設備，也是應用最多的方法［34-37］。國外Orival公司的ORG［38］系列反沖洗過濾器主要為工業生產提供過濾功能，其出口尺寸適用直徑25.4～508 mm的管道，可去除的顆粒物粒徑低至 10 μm，足以脫除焦化蠟油中絕大部分的焦粉顆粒，且其具有高效的沖洗系統，可極大降低耗水率。Lenzing Technik公司推出了一種新的自動反沖洗過濾器——OptiFil 100［39］，是Lenzing OptiFil的升級產品。該自動反沖洗過濾器具有較高的反沖洗效率和較低的流體損失，可用于高黏度或低黏度介質的過濾，過濾的細微顆粒粒徑在1～25 μm。若將其應用于焦化蠟油焦粉脫除，能有效降低細微焦粉顆粒的含量。但該過濾器結構較為精密，成本較高。

中國石化金陵石化公司煉油廠將廢棄的催化劑制作成顆粒過濾床層，焦化蠟油經過該顆粒床層過濾實現焦粉預處理，當過濾罐壓降增加一定值時，再利用反沖洗裝置進行反沖洗［40］。該方法既能將焦粉有效脫除，又實現了廢物回收利用，具有較好的經濟效益。中海石油惠州煉油分公司通過對引進的美國EATON公司RractoGard V自動反沖洗過濾器進行改造，實現了焦化蠟油焦粉的高效脫除和過濾器長周期平穩運行［41］。劉春巖［42］針對中國石油大慶石化分公司煉油廠的蠟油全自動反沖洗過濾器存在的外甩污油困難、安全閥頻繁啟動等問題，對反沖洗過濾器進行了改進，使得蠟油中的焦粉質量分數由0.01%降低到0.004%，過濾器平均過濾效率高于95%。王成章等［43］對中國石油烏魯木齊石化分公司煉油廠的ZFG-Ⅱ型蠟油自動反沖洗過濾器進行結構優化，使得過濾后蠟油中焦粉質量分數低至0.001%，焦粉脫除效率高于93.38%。

雖然目前反沖洗過濾器基本能夠滿足工業生產需求，但是仍然存在很多問題需要解決，比如易發生堵塞、反沖洗頻率增加、抗干擾能力差、裝置初始和維修成本高等。煉化企業應在優化反沖洗過濾器的結構和工藝參數等方面加大研究力度，以實現焦化蠟油焦粉的高效脫除和過濾器的長周期運行。

3.2 陶瓷膜過濾法

陶瓷膜是由陶瓷材料制成的多孔膜或者致密膜。陶瓷膜具有耐酸堿性好、耐有機溶劑、耐高溫、使用壽命長及可高壓反沖洗再生等優點，被廣泛應用于石油、石化及污水處理等領域中，用于介質的過濾分離［44-46］。

Tze Chiang Albert Ng［47］等設計和制造了不同梯度的陶瓷膜，系統研究了梯度分布對陶瓷膜過濾特性的影響，提出開發梯度多孔膜可以增強其過濾性能。舒健等［48］開展了延遲焦化含硫污水陶瓷膜過濾凈化技術的研究，采用過濾精度為0.05 μm的陶瓷膜處理污水，其平均濁度降低率大于99%，平均除油率大于96%，在工業側線試驗過程中裝置運行穩定。楊積志等［49］提出了一種焦化蠟油凈化裝置專利，將含有焦粉的焦化蠟油輸送至溫度80～300℃、壓力0.05～0.5 MPa的陶瓷碟片膜過濾器進行分離，得到了含焦粉的蠟油和凈化的蠟油。

陶瓷膜過濾法過濾精度高，但也存在膜再生難度大、反沖洗頻率高及使用周期有限等問題。目前不論是對焦化污水還是焦化蠟油中的焦粉脫除，陶瓷膜過濾法仍處于研究階段，相關報道較少。要想實現陶瓷膜過濾法的工業化應用，還需在易再生、易沖洗、高過濾通量的新型陶瓷膜方面開展大量研究。

4 其他可借鑒方法

移動床過濾技術是一種新型的連續過濾技術，與反沖洗過濾器相比，不用再單獨進行反沖洗過程，可以在過濾的同時對濾料進行沖洗。該技術目前主要用于污水處理［50-52］，還未見有用于焦化蠟油焦粉脫除的報道。

Meng X等［53］根據互溶原理提出了采用萃取技術分離焦化廢水中的焦粉。孫曉霞［54］采用靜電分離法分離重催油漿和蠟油油漿中的催化劑顆粒，并對比分析了2種油品中顆粒的分離效果。李強等［55］提出了一種連續式油漿靜電分離裝置及分離系統和分離方法，用于脫除催化油漿中的催化劑顆粒。該裝置分離效率較高，沖洗過程和凈化過程互不干擾，可實現連續生產。

這些分離方法并沒有直接用于焦化蠟油中焦粉顆粒的脫除，但也存在選擇的可能性，可為焦化蠟油焦粉脫除研究提供其他思路。

5 結語

焦化蠟油是由延遲焦化工藝得到的餾分油，其黏度高且含有較多焦粉顆粒，直接進入后續加工裝置會引起設備堵塞、結焦及催化劑失活等問題。因此選用適宜的焦化蠟油焦粉脫除方法是保證焦化蠟油后續加工裝置長周期、高質量運行的關鍵。

目前，磁絮凝沉降法和陶瓷膜過濾法用于焦化蠟油焦粉脫除仍處于研究階段，還需要開展更多研究來實現工業應用。反沖洗過濾法被廣泛用于焦化蠟油焦粉脫除過程，但仍需對設備清洗、堵塞等問題開展研究。旋流分離法在焦化蠟油焦粉脫除領域具有良好的應用前景，但需要在高濃度、高處理量旋流器開發方面作進一步的研究。僅靠單一技術難以將焦化蠟油中的焦粉完全去除，可以通過研制新型組合式分離裝備，采用焦化蠟油梯級脫固工藝，來提高焦化蠟油中焦粉顆粒的脫除率。應開發出投資成本低、體積小、可連續長周期運行、分離效率高且資源綜合利用率高的新型焦化蠟油脫固裝置和技術，來保證后續加工裝置的高效運行。