延遲焦化焦炭塔頂大油氣線結焦原因及應對措施

摘要：玉煉50萬t/年的延遲焦化裝置加工原料為減壓渣油，原料設計殘炭值為18。自2016年常減壓車間實施減壓深拔加工工藝后，使得焦化原料性質急劇惡化渣油殘炭值等各項指標均超過設計值，加之同時回煉水處理污油合力之下帶來一系列不利影響，其中以焦炭塔頂大油氣線出口處結焦加速最為明顯，嚴重影響裝置日常安全生產。本文結合現場實際通過原料性質、回煉污油方式等多個方面深入分析導致結焦加速的原因，并針對具體原因給出了具體解決措施及建議，使得焦炭頂大油氣線結焦速度得到有效控制。

關鍵詞：延遲焦化 ?大油氣線 ?急冷油 ?措施

Coking Causes and Countermeasures of Large Oil and Gas Line on the Top of Delayed Coking Coke Tower

ZHAO Yulin

（Oil refining and chemical plant of Yumen Oilfield Branch，?Yumen， Gansu Province，?735200?china）

Abstract： The processing raw material of Yulian's 500?000 t?/ a delayed coking unit is vacuum residue， and the design carbon residue value of the raw material is 18. Since the implementation of vacuum deep drawing process in the atmospheric and vacuum distillation workshop in 2016， the properties of coking raw materials have deteriorated sharply， and various indicators such as residual carbon value of residue have exceeded the design value. In addition， a series of adverse effects have been brought under the combined force of waste oil treatment of recycled water. Among them， the coking acceleration at the outlet of the large oil and gas line on the top of the coke tower is the most obvious， which seriously affects the daily safety production of the unit. Combined with the actual situation of the site， this paper deeply analyzes the causes of coking acceleration from the aspects of raw material properties and waste oil recycling methods， and gives specific solutions and suggestions for specific reasons， so that the coking speed of the oil-gas line at the top of coke can be effectively controlled

Key Words： Delayed coking large oil and gas line quench oil

焦炭塔是焦化熱裂解及縮聚反應的主要場所，作為延遲焦化裝置的關鍵設備，其操作是否平穩，運行是否正常決定了裝置能否長周期開煉。玉煉延遲焦化采用一爐兩塔工藝，于2014年底正式投產運行。隨著原料性質的惡化及受回煉全廠污油的影響，裝置在運行過程中出現了比較嚴重的結焦問題，其中包括焦炭塔頂、分餾塔底及加熱爐爐管的結焦，焦炭塔頂大油氣線結焦速度最快。油氣線根部結焦嚴重時，造成焦炭塔頂壓力升高，塔內反應深度隨之加深產出更多氣體，使得焦炭塔頂壓力進一步升高，形成惡性循環短期內即可達到塔頂壓力設防值。受壓力影響大油氣線氣速亦隨之升高從而加速了其后路流程焦粉攜帶，最終造成分餾塔底及加熱爐爐管結焦加速。而加熱爐管的結焦必須通過停工機械清焦來消除，因此要實現裝置長周期平穩運行則必須從源頭上解決焦炭塔頂大油氣線根部結焦的問題。

1?大油氣線根部結焦現狀

玉煉延遲焦化裝置焦炭塔頂出口大油氣線第一個彎頭處采用三通的形式，因此可以利用老塔除焦的間隙打開上封頭法蘭對大油氣線根部垂直段進行人工清焦。每次清焦前需要搭建腳手架，檢維修人員松開螺栓打開封頭，除焦班人員才能通過自制的一系列清焦工具進行清焦作業。加之管線結焦較難清除，因此為保證清焦效果，除焦時間需適當延長，直接影響焦炭塔后續一系列操作，在生焦周期不變的前提下，縮短了新塔的預熱時間，長期看對焦炭塔的安全生產是極為不利的。

每次打開大油氣線封頭發現結焦是比較嚴重的，主要結焦部位集中在焦炭塔頂油氣出口的垂直段，具體見圖1。結焦部位最大焦層厚度約為150mm，油氣線實際孔徑不足50mm（見圖2）可見結焦情況已十分嚴重。

2?大油氣線結焦原因分析

2.1?原料性質變差

經過2016年大檢修，玉門煉化總廠常減壓車間通過采用減壓深拔技術進一步提高了原油拔出率，同時也給下游的延遲焦化帶來一定的影響，主要表現為原料性質的變化，詳見表1。

由表1可知減壓渣油的各項性質，包括密度、殘炭、凝點、鹽含量較深拔前全部升高，其中殘炭值較深拔前升高了93.4%，超出設計值約30%。從密度、殘炭、凝固點三方參考可知，深拔后的減壓渣油性質更加劣質化，已經超過最初的設計值，相關資料也表明劣質的原料將無疑增大延遲焦化易結焦部位比如大油氣線、分餾塔底、爐管等的結焦速率。資料也表明殘炭值的升高直接導致焦炭收率的增加，根據康氏殘炭計算公式，石油焦收率一般為殘炭值的1.6倍左右。在處理量、生焦周期不變的情況下使得焦炭塔焦層升高，空高降低縮短了泡沫層與塔頂的距離，更易形成泡沫夾帶。一旦部分結焦前體附著到大油氣管線將大大提高結焦速度，最終導致堵塞造成塔壓升高，形成惡性循環。

2.2?急冷油性質變差

裝置大部分時間用的是蠟油作為焦炭塔急冷油，同時伴隨間歇處理其他裝置的污油、浮渣、催化油漿等，最開始直接通過輻射泵進口進加熱爐輻射進料段，這樣輻射流量波動時，易導致加熱爐爐管結焦。后面先引污油至污油罐，再進行沉淀脫水。V504的油一部分是從放空塔底轉過來的，放空塔底油是改放空時焦炭塔過來的，改放空時我們回煉三泥作小給水，也就是說三泥一部分成份落入放空塔底，再轉到V504和污油一起作急冷油，又帶到分餾塔底，導致分餾塔底結焦，產生如下弊端。（1）加劇加熱爐爐管結焦，聚集在爐管彎頭處，還將導致爐管清焦難度加大，不能將爐管內焦子徹底清理干凈。（2）導致分餾塔底結焦，分餾塔底過濾器需要倒換后人工每月清理一次，且屬于一級危險作業。（3）由于污油中不可避免的雜質存在，將促進重油生焦，增大了生焦速率，所以在相同周期內，焦炭塔焦層高度將會顯著升高，在生焦后期塔內空高也相應變低。（4）急冷油性質變化的影響，蠟油做急冷油大概在3t/h，污油作急冷油時量比較小，冷卻效果好約1t/h，主要是含水，在含水嚴重時，增加油氣汽速，會把焦粉帶進分餾塔，對分餾塔影響大，明顯感覺分餾塔各部負荷高、溫度高。在焦炭塔頂氣相負荷相近的前提下，以污油為介質的急冷油雖達到了降低塔頂溫度的目的，但因其自身溫度偏低且含水導致了急冷油注入量的降低，削弱了急冷油的洗滌作用從而造成大油氣管線結焦加劇。（5）污油中雜質、含鹽較高，較多雜質易堵塞管線及流量計。在以上幾種影響的合力作用下，使得焦炭塔頂大油氣線根部結焦加速。

2.3?急冷油注入方式不合理

玉煉遲焦化裝置目前急冷油注入均分為三路，俯視間隔120°并與油氣方向呈45°斜插在焦炭塔頂大油氣管線的根部。根據歷次現場清焦情況認為大油氣線根部豎直管段結焦最為嚴重。經過分析討論認為以上注入方式不夠均勻，尤其在采用污油做急冷油期間較低的流量導致情況進一步惡化。這樣的急冷油不能使高溫油氣均勻冷卻，油氣線截面溫度分布是不均勻的且存在一定的溫差，沒有冷卻的高溫油氣繼續發生縮合反應經過一段時間最終在管線上也形成了一定的焦層。噴射不均的急冷油對泡沫層和焦粉洗滌效果差，不清潔的油氣進一步加大反應深度和速率。

3?應對措施及建議

3.1?改善原料性質

面對原料的劣質化的現狀，第一步考慮能否通過改善原料性質來解決問題。由表1可知殘炭高是其中最重要的影響因素，降低原料殘炭的方法有兩個：一是加氫;二是調和。由于玉煉沒有渣油加氫處理單元因此從現實情況及成本控制等多個方面考慮實現難度較大。故從原料調和入手結合煉廠實際又有兩個思路：一是調和組分來自外部，如催化油漿;二是調和組分來自內部，如焦化自產循環油、重蠟油。

（1）用催化油漿來調和。催化油漿是催化裂化裝置分餾塔底的餾出物，其密度與減壓渣油相當，組成特點是芳烴含量高而膠質、瀝青質較減壓渣油卻低得多，殘炭值一般在13%左右。因此用催化油漿作為調和組分理論上是可行的，但需要注意的是油漿中含水及固體顆粒含量需要嚴格控制，一般要求不得含水同時固含不大于6g/l。參考其他單位摻煉催化油漿經驗，關鍵是如何有效控制油漿固含，經過各種摻煉方式的嘗試論證總結以往經驗教訓認為，利用焦化裝置罐區現有儲罐組成油漿脫固罐組，對催化油漿進行有效脫固處理是目前符合玉煉廠情且最優的解決方式。

（2）用循環油、重蠟油來調和。循環油和重蠟油均為焦化分餾塔餾出，循環油為塔底餾出，重蠟油是靠近分餾塔底的塔側餾出。循環油殘炭值一般在8%，而重蠟油殘炭值不足1%，二者初餾點均在300℃以上，可見均滿足調和組分的要求但重蠟油明顯更優。玉煉延遲焦化裝置采用的是可調循環比工藝，循環比在0.1～0.2之間可調，設計循環比控制在0.15。不同于催化油漿，循環油及重蠟油均為焦化裝置自產物，調和實際上實現了一種內循環，而循環油因為有8%左右的殘炭值在循環過程中無疑會有部分焦炭產物生成，即增加了焦炭產率這與我們的初衷是相悖的。所以采用殘炭值低的多重蠟油來代替循環油作為調和組分是更為合理的，于是利用2019年裝置大檢修窗口期，車間經過研究討論實施了焦化重蠟油回煉技改項目。主要內容為將裝置自產重蠟油自蒸汽發生器E124出口引至原料緩沖罐V102，同時增設楔式流量計、調節控制閥、熱電阻等。通過DCS直觀控制重蠟油回煉量，監控回煉溫度。技改投用一年多焦炭塔頂大油氣線結焦情況得到了明顯緩解，且裝置產品分布無明顯變化。

3.2 優化工藝參數精細化操作

在加工負荷不降的前提下如何確保裝置長周期開煉，由上述原因分析可知關鍵是如何控制焦炭塔泡沫層高度。而泡沫層的高度除了主要受原料性質的影響外，同時還與裝置加工量、焦炭塔進料溫度、焦炭塔油氣線速等因素有關。通過優化工藝參數降低焦炭塔泡沫層高度主要有以下措施。

（1）焦炭塔進料溫度的影響。焦炭塔進料溫度越高反應深度加深泡沫層隨之降低，反之升高。因此較高的進料溫度是有利于降低焦炭塔泡沫層高度的，但較高的進料溫度也將導致加熱爐爐管結焦速率增加。權衡考慮兩者優先控制加熱爐出口溫度在498℃，又通過加厚轉油線保溫層的方式以減少散熱損失使得焦炭塔有較高的進料溫度。

（2）加熱爐出口采用變溫操作。在焦炭塔切換前1～2h，適當提高加熱爐出口溫度至499～500℃，不但有利于焦炭塔泡沫層高度的降低，還能起到提高液收和石油焦質量的效果。

（3）嚴格控制焦炭塔氣速。首先控制加熱爐爐管注氣量平穩，其次嚴格控制焦炭塔切換后小吹汽量不高于4t/h。補充一點，尤其注意控制切換后焦炭塔老塔進料隔斷閥，閥前閥后給汽不宜過大。

（4）對焦炭塔放空閥操作遵循多次少許的原則，嚴禁野蠻操作，防止老塔壓力大幅下降，使產生的氣相產物增多，流速增大，促使泡沫夾帶量增多。同時對于儀表出現假值或失靈時，要求班組及時發現及時聯系儀表人員進行處理，防止長時間盲操作。盡量在減小波動幅度上下功夫，提高預判能力，切換前提前調整壓縮機，提前調整分餾塔側線等。

（5）精細壓縮機的操作調整。日常生產中壓縮機是吸收穩定實現富氣分離的關鍵設備，不但是吸收穩定系統的前提同時也承擔著調節分餾塔頂壓力及間接控制焦炭塔頂壓力乃至整個系統壓力控制的關鍵作用。一旦分餾塔頂壓力波動必然帶動焦炭塔頂壓力波動，由此帶來的系統性沖擊是容不得半點馬虎的，必須及時得到有效且精準的控制，特別到焦炭塔生焦后期和切換前后要嚴禁分餾塔頂壓力大幅波動。對于分餾塔頂壓力建議在此期間執行更為嚴格的控制規定，這就需要通過對壓縮機轉速及防喘振調節閥的精確控制來實現。對于焦炭塔切換這種可預見的操作擾動，必要時可對壓縮機工作點進行提前調節。

（6）優化消泡劑注入。消泡劑是一種表面活性劑，其作用機理是以液滴形式進入泡沫膜后，引起泡沫膜表面張力不均勻，從而加速泡沫破裂。實際生產中利用中子料位計通過消泡劑加注及停注試驗，發現消泡劑的加注能夠有效抑制焦炭塔泡沫層的形成。消泡劑的消泡效果除了與其本身性質密切相關外，還與它的注入方式有關。

一般焦化消泡劑注入時間為切換前4h，切換后即停止的間歇注入方式。結合生產實際經過研究討論認為根據加工負荷及焦炭塔焦層情況，適當延長消泡劑注入時間對消減焦炭塔泡沫層是有利的，即提前加注時間同時推遲停注時間的方式。細化消泡劑注入管理規定，在消泡劑注入前期通過現有流程將蒸汽注入塔內，保證消泡劑在未啟用前管線暢通。最后在焦層達到一定高度開始注入消泡劑時，停止蒸汽注入，改為消泡劑注入。這一舉措不僅防止了消泡劑管線注入口的結焦，也能將焦層控制在安全范圍內，從而確保了焦炭塔的安全平穩運行。

3.3 改變急冷油注入方式

建議將目前急冷油注入由三點斜插式改為通過增設環型分配器注入。根據現場焦粉粒徑、焦粉數量等情況，構建焦炭塔頂及大油氣線內流體模型，經過相關數據分析采集計算出環型分配器的相關參數，最終實現管線內均勻的攔截截面，既有效洗滌焦粉又能大大降低油氣截面的溫差。

慎重選擇急冷油。急冷油有兩個作用，即降溫和洗滌。三泥作為急冷油降溫效果是達到了，但是由于溫度較低只有30～50℃（蠟油作急冷油溫度為70～80℃）且含水較多，因此流量偏小導致洗滌效果很差，所以對于處理量較小的焦炭塔急冷油在組分選擇上應避免過高的含水，最好是具有較高溫度的油相。從長遠考慮，污油能否分類，或者通過過濾等手段處理一下再引進罐，進罐后再經過沉降分離脫除其中大部分含水以便焦化裝置可得到更好的回收利用。

4?結語

延遲焦化裝置的結焦問題一直以來都是裝置長周期正常生產運行的難點，本文結合現場實際從原料性質、急冷油改變、日常操作3個方面對焦炭塔頂大油氣線結焦原因進行了較為全面的分析，找出了結焦的關鍵影響因素并給出了詳細具體的應對優化措施及建議，有利于焦化裝置的長周期平穩開煉。

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作者簡介：趙玉林（1984—），男，本科，工程師，研究方向為石油煉制。