“水代汽”技術在185萬t/a延遲焦化裝置中的研究及應用

張家志

(中國石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 210000)

延遲焦化是指采用深度熱裂化的加工工藝將重質渣油轉化為氣體、汽油、柴油、蠟油和焦炭的過程。與其他焦化方式不同點在于其渣油組分以高速經過加熱爐爐管，同時讓渣油加熱升溫到反應溫度(490～500 ℃)進入焦炭塔，在塔內依靠自身的溫度和熱量進行裂解和縮合等系列反應。因其在爐管中流速快，停留時間短，將裂解和縮合反應推遲到塔內進行，因此稱之為延遲焦化[1-2]。本延遲焦化裝置于2008年擴容改造后，裝置規模185萬t/a，循環比0.20，生焦周期20.5 h。在整個生產過程中，蒸汽是極為重要的一個生產成本，除了三點注氣外，消耗蒸汽量最多的操作就是大吹汽冷焦階段，所以為了提高本裝置的經濟效益以及降低其對公司蒸汽管網的沖擊力，所以需要對該操作進行技術改造。

1 大吹汽操作以及相應工藝參數

延遲焦化裝置一般是由一個加熱爐和兩個焦炭塔組成，在同組塔內，一個塔在正常進行生焦操作，另一塔則是處于冷焦除焦階段。焦炭塔冷焦的過程可以分為小吹汽、大吹汽、給水和溢流幾個冷焦步驟[3]。大吹汽階段一般使用1.0 MPa蒸汽作為冷卻介質，主要作用是為了降低塔內焦炭的溫度，保障生焦孔洞暢通，不會造成生焦孔堵塞，為后階段的給水冷焦操作提供便利。同時也將塔內剩余的高溫油氣繼續回收，提高裝置的產品收率，降低焦炭的揮發份，這是整個裝置系統耗汽量最多的過程。按照本裝置一爐兩塔切換操作來計算，根據生焦周期20.5 h，全年總運行8400 h，全年大吹汽約410次，單次約消耗1.0 MPa蒸汽40 t，一年所需消耗的1.0 MPa蒸汽高達 1.64萬噸，且該操作為間歇操作，很容易造成公司蒸汽管網系統的壓力波動，影響蒸汽平衡。具體的工藝參數如表1所示。

表1 焦炭塔大吹汽階段工藝參數

2 “水代汽”節能技術改造

傳統大吹汽工藝流程采用1.0 MPa蒸汽冷焦而不用水作為冷卻介質的原因可能是因為跟蒸汽相比較，水的溫度低很多，二者溫差較大，在冷焦的過程中焦炭的降溫速率過快，會對焦炭塔的塔壁產生較大的熱應力沖擊，從而影響焦炭塔的使用壽命[4]。

經過長時間的試驗研究后，在基于原有的裝置生產工藝流程上，新增一套SS型霧化器，采用了先進可編程邏輯控制系統(PLC)，在智能霧化系統的調節下，部分蒸汽由水替代進行大吹汽操作。在此系統工藝投用后，蒸汽管網波動幅度降低，蒸汽能耗也大大減小，效益明顯提升。

延遲焦化的水系統包括新鮮水、循環水、熱媒水、軟化水和凝結水等等[5]，因此選取合適的水源成了一個新的問題。循環水、新鮮水和軟化水占據了水系統的比例極大，每月的平均消耗量分別為833869噸、815噸和1612噸左右。通過具體的能耗分析表2可以看出循環水、軟化水和除氧水的能耗都極高，唯有裝置內的凝結水進入下游裝置后直接外排，造成了資源的浪費，故采用凝結水作為水源替代，是節能降耗的首選途徑。

表2 不同水源的能耗分析

具體的工藝流程改造如圖1所示。1.0 MPa蒸汽和凝結水通過SS霧化器，凝結水霧化形成微米級的小液滴被高速的蒸汽攜帶作為冷卻介質進入到焦炭塔中，避免了大液滴狀態下的凝結水進入到焦炭塔中與高溫焦炭直接接觸，從而迅速膨脹和汽化，造成焦炭塔壓力驟然升高，更嚴重的會導致炸焦，堵塞生焦孔，對后續給水、放水和除焦工作帶來不利影響。霧化后的凝結水進入焦炭塔后，能夠使焦炭降溫更為均勻，對焦炭塔塔壁的熱應力沖擊更小。

圖1 大吹汽“水代汽”工藝改造流程

3 “水代汽”工藝技術的實施

為保障生產安全性，避免降溫速率過快對焦炭塔產生極大的熱應力沖擊，SS智能噴霧系統結合焦炭塔頂壓、頂溫的變化情況以及塔壁的降溫速率，采用科學算法計算出大吹汽階段水量和蒸汽量的最佳配比方案，在確保焦炭塔生產安全的前提下，節省大吹汽階段消耗的蒸汽量。具體配比方案如表3所示。從下表中可以根據實際操作計算出單塔大吹汽消耗的蒸汽量約為17.5 t，與未改造前40 t的蒸汽消耗量相比，單塔的蒸汽消耗降低了12.5 t，下降了31%。

表3 大吹汽階段水、蒸汽配比方案

為了防止“水代汽”技術的改造對焦炭塔的生產操作帶來不利影響，因此在改造成功以后，對焦炭塔的上、中、下三處的塔壁溫度變化速率情況做了前后對比分析，上、中、下三點的高度分別處于焦炭塔的30.5 m、25.5 m和10.5 m高度處，具體溫度變化如圖2所示。

從圖2中可以明顯看出，用凝結水部分替代1.0 MPa蒸汽進行大吹汽操作后，在吹汽的前期，焦炭塔上、中、下三處的塔壁溫度變化趨勢基本相似，都處于緩慢降溫的階段，但是在大吹汽階段的中后期，改造后的塔壁溫度變化速率顯著加快，且大吹汽階段終點塔壁溫度也比裝置改造前低了10 ℃以上，這也是凝結水溫度遠遠低于1.0 MPa蒸汽溫度所產生的必然結果。

圖2 大吹汽階段上、中、下塔壁溫度變化趨勢

即使改造后塔壁溫度下降速率加快且終點溫度也相對更低，但是在后續的給水冷焦以及放水的操作中，也并未發現有降溫速率過快而造成的生焦孔堵塞，從而引起給水不進或者放水不暢等異常操作。

4 技術改造前后對焦炭質量的影響

改造后的“水代汽”技術應用，除了能加速焦炭塔塔壁溫度的下降速率，也可能會對石油焦產品的質量產生一定影響，因此需要對改造前后石油焦的質量數據進行對比。在Ⅱ、Ⅲ常減壓渣油原料性質、生焦反應參數等條件不變的前提下，對比改造前后石油焦質量數據，具體數據見下表4。從表中石油焦分析數據可以看出，改造前后的石油焦在揮發分、硫含量和灰分等方面差值較小，均能夠達到4B焦炭的行業標準，由此可以說明該技術改造應用對石油焦產品質量基本沒有造成影響。

表4 改造前后石油焦質量對比

5 技術改造前后經濟效益分析

根據本延遲焦化的生焦周期來看，全年總運行時間為 8400 h，大吹汽約為410次，根據單塔大吹汽節約1.0 MPa蒸汽12.5 t來計算，且內部蒸汽價格約為115元/t，則全年產生的經濟效益約為12.5×410×115=589375元。

6 結 論

凝結水部分代替1.0 MPa蒸汽的“水代汽”冷焦技術在延遲焦化應用成功，技術改造后，對后續焦炭塔的給水冷焦操作和石油焦的產品質量并未產生較大影響。大吹汽階段結束后的塔壁溫度比改造前的塔壁溫度低10 ℃以上，且改造后每次大吹汽操作可以節省蒸汽約12.5 t，每年可節省經濟成本約59萬元，也對整個公司的蒸汽管網壓力造成的沖擊降低，提高了系統的運行穩定性。