以水代汽智能噴霧技術在延遲焦化裝置的應用

唐銘辰，郭文婷，李 林

中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司煉油運行三部，甘肅蘭州730060

某公司延遲焦化裝置設計處理量120萬t/a，為一爐兩塔流程，焦炭塔生焦周期24 h，焦炭塔切塔后需要進行小吹汽、大吹汽、給水冷焦等一系列操作。其中，大吹汽操作一般使用1.0 MPa蒸汽為介質，主要是降低焦炭溫度，確保生焦通道暢通，為后續給水冷焦創造條件，同時最大限度汽提焦炭中的高溫油氣，增加裝置液體收率，并確保焦炭質量合格［1］。大吹汽時間2 h，消耗1.0 MPa蒸汽18 t/h，年消耗1.0 MPa蒸汽在1.2萬噸以上（開工時間按8 400 h計），能源消耗量大。因此，如何通過優化改造降低焦炭塔大吹汽過程中的蒸汽用量，顯得尤為重要。延遲焦化工藝中傳統的大吹汽過程用蒸汽而不用水作為冷卻介質，主要是因為用水冷焦降溫速度過大會造成急冷炸焦，導致焦炭塔生焦孔道堵塞；較大的溫降速度會對焦炭塔塔壁產生較大的熱應力沖擊，從而影響焦炭塔的使用壽命［2］。為實現大吹汽過程中的節能，部分同類裝置采用污水場浮渣、油泥及活性污泥［3-5］、含水污油［6］、凈化水［7-9］、高濃度污水［10］部分代替大吹汽蒸汽，在一定程度上起到了節省蒸汽的作用。但是，由于浮渣、油泥及活性污泥、含水污油成分復雜，會造成石油焦質量的波動；凈化水中化學需氧量（COD）較高，會導致冷焦污水COD高；高濃度污水水質較差，在環保要求日益嚴格的情況下，會導致冷焦污水水質變差，焦池異味大。新型的以水代汽智能噴霧技術采用智能霧化器將除氧水霧化成微小液滴，代替大部分1.0 MPa蒸汽作為焦炭塔大吹汽介質，不僅能達到降低蒸汽消耗的目的，而且能避免直接以水冷焦帶來的問題，實現冷焦過程的安全平穩運行。

1 技術改造原理及方案

1.1 技術改造原理

技術改造過程中以水代汽智能霧化原理如圖1所示。以1.0 MPa蒸汽作為動力源，經抽吸的作用形成射流與除氧水混合，通過直接熱交換，形成飽和水，然后通過高效智能霧化設備將飽和水霧化成微米級的小霧滴，以霧化飽和水替代部分1.0 MPa蒸汽作為大吹汽介質，既避免了水直接進入焦炭塔生焦層時因局部汽化、體積迅速膨脹而造成炸焦、堵塔的事故風險，又能促使焦層冷卻更均勻，塔壁溫度應力影響較小。

圖1 以水代汽智能霧化原理

1.2 技術改造方案

從汽包給水泵出口引出除氧水，輸送進入霧化器液相入口，1.0 MPa蒸汽從焦炭塔大吹汽管線引出進入智能霧化器汽相入口，除氧水經智能霧化器霧化后進入焦炭塔，穿過生焦通道，降低焦炭塔內的溫度梯度，確保焦炭塔的安全運行，智能噴霧系統工藝流程如圖2所示。同時，通過PLC控制系統，自動控制蒸汽和水的流量，大吹汽期間實行全自動控制，可以降低操作人員勞動強度。

圖2 智能噴霧系統工藝流程

2 智能噴霧系統控制方案

智能噴霧系統通過PLC控制系統對大吹汽過程的水汽配比進行自動控制，在大吹汽過程中出現焦炭塔溫降、壓力超過給定值后，系統會提示報警并自動停止運行，除氧水控制閥自動關閉，蒸汽控制閥保持原有閥位，可以手動調節蒸汽控制閥進行大吹汽冷焦。智能噴霧系統投用后，由于大吹汽介質用量減少，為保證焦炭質量及冷焦效果，大吹汽時間延長至2.5 h，因此，該系統投用以來，按照表1的水汽比方案進行控制。

表1 不同時間的水汽配比

3 技術改造效果

3.1 主要操作條件

大吹汽智能噴霧系統投用期間，其主要操作條件為：加熱爐出口溫度為493～499℃，焦炭塔頂壓力為0.13～0.18 MPa，1.0 MPa蒸汽壓力為0.6～1.2 MPa，除氧水溫度為94℃。

3.2 焦炭塔溫度、壓力變化情況

智能噴霧系統投用前后焦炭塔溫度、壓力變化情況如表2所示。由表2可知：焦炭塔上、中、下塔壁溫度及焦炭塔壓力與投用前變化不大，溫度、壓力變化趨勢與投用前一致。智能噴霧系統投用期間沒有發生焦炭塔壓力超標以及管線振動、炸焦、蒸汽水混合后水擊等其他不良后果，在大吹汽前1 h，塔壁溫度下降速度相對較快，主要是因為大吹汽初期焦炭塔溫度還處于較高時段，與進入焦炭塔的大吹汽介質溫差較大，對焦炭的冷卻速率較快，溫度下降相對較快，但沒有超過設定的40℃/h溫降速率；在大吹汽1 h后，焦炭塔塔壁溫度下降速度放緩，能滿足焦炭塔冷焦的需要。

表2 投用前后焦炭塔溫度、壓力變化

3.3 蒸汽、除氧水消耗以及石油焦揮發分變化情況

智能噴霧系統投用前，焦炭塔大吹汽時間2 h，蒸汽消耗量36 t；智能噴霧系統投用后，焦炭塔大吹汽時間延長至2.5 h，蒸汽消耗量20 t，除氧水消耗量11.6 t，兩者的前后變化情況如表3所示。由表3可知：智能噴霧系統投用后，每次大吹汽期間可節省蒸汽16 t，蒸汽耗量比投用前節省44.4%，但要增加除氧水消耗11.6 t。

智能噴霧系統投用前后焦炭塔中石油焦揮發分的變化情況也見表3，由表3可知：智能噴霧系統投用前石油焦揮發分在9.2%～9.6%；智能噴霧系統投用后，石油焦揮發分在8.7%～8.8%，石油焦揮發分低于投用前，主要是大吹汽時間較之前延長半小時，焦炭揮發分較低，滿足NB/SHIT 0527—2019石油焦（生焦）標準中揮發分≤12%的要求。因此，智能噴霧系統的投用對石油焦產品質量無影響，后期可根據石油焦揮發分適當減少大吹汽時間，以便達到最佳的節能效果。

表3 投用前后蒸汽、除氧水及石油焦揮發分消耗變化

4 節能效果和經濟效益評價

4.1 節能效果

按照裝置年加工量120萬t、年開工時間8 400 h計算，全年焦炭塔大吹汽350次，智能噴霧裝置系統投用前后的能耗變化情況如表4所示。由表4可知：智能噴霧系統投用前每年大吹汽消耗蒸汽量12 600 t；智能噴霧系統投用后每年大吹汽消耗蒸汽量7 000 t，消耗除氧水4 060 t，該裝置的綜合能耗可實現每噸原料降低0.356 3 kgEo。

表4 投用前后能耗變化

4.2 經濟效益

大吹汽智能噴霧系統投用后，在降低能耗的同時，也間接增加了公司的經濟效益，系統投入前后經濟效益的比較見表5。由表5可知：大吹汽智能噴霧系統投用后，可節約蒸汽5 600 t/a，增加除氧水用量4 060 t/a，最終計算可得出實現增效94.06萬元/年。

表5 投用前后經濟效益比較

5 結論

1）120萬t/a延遲焦化裝置大吹汽智能噴霧系統投用后，每次大吹汽過程節省1.0 MPa蒸汽16 t，蒸汽耗量比投用前節省44.4%，另外增加除氧水消耗11.6 t，可實現每噸原料降低能耗0.356 3 kgEo，實現增效94.06萬元/年。

2）120萬t/a延遲焦化裝置大吹汽智能噴霧系統投用后，大吹汽過程中焦炭塔上、中、下塔壁溫度及焦炭塔壓力與投用前變化不大，溫度、壓力變化趨勢與投用前一致，投用期間沒有發生焦炭塔壓力超標以及管線振動、炸焦、蒸汽水混合后水擊等其他不良后果，且石油焦揮發分較投用前略有下降，可以滿足質量指標要求。