加工重質原油延遲焦化裝置設備和管道結焦問題及改進措施

吳振華

(中國石化塔河煉化有限責任公司煉油第一作業部，新疆 庫車 842000)

1 延遲焦化裝置設備和管線結焦

塔河煉化公司2號焦化裝置設計加工能力為2.2 Mt/a，焦化反應部分第一期設計為“兩爐四塔”，后期改為“三爐六塔”，工藝流程見圖1。

圖1 常減壓焦化聯合裝置簡易流程示意

加工原料為塔河常壓渣油，設計循環比為0.8，生焦周期30 h，年開工時間8 400 h。塔河原油密度高、硫含量高、黏度大、鹽含量高、膠質和瀝青質含量高、輕組分含量低，焦炭產量高。比如2019年塔河常渣與科威特減渣性質比較，殘炭含量相當，分別是23.1%和23.2%；瀝青質相差大，分別是20.3%和12.7%；說明塔河焦化原料體系穩定性差。加工過程中容易生焦，影響裝置長周期穩定運行，容易造成大油氣線不暢、隔斷閥和進料閥堵塞、塔底過濾器、底循泵入口管線堵塞等問題，進而引發輻射泵抽空、加熱爐聯鎖、非計劃停工等事故。因此，有必要分析焦化裝置各部位結焦原因，采取針對性的措施減緩結焦。

分餾塔底進料分配器結焦情況見圖2。輻射進料控制閥結焦情況見圖3。焦化爐管結焦情況見圖4。分餾塔底過濾器積存焦炭情況見圖5。結焦是焦化裝置最大的難題，輻射進料控制閥、焦化加熱爐管、焦炭塔大油氣線、油氣隔斷閥、焦化分餾塔底發生結焦，嚴重影響裝置正常平穩生產。如果輻射進料控制閥結焦或卡焦，一定需要切輻射控制閥副線，此舉不僅增加工作量，而且存在輻射進料控制閥聯鎖停爐和次生事故的風險。另外四通閥前壓力引壓管堵塞，也會造成聯鎖失效。

圖2 分餾塔底進料分配器結焦

圖3 輻射進料控制閥結焦

圖4 焦化爐管結焦

圖5 分餾塔底過濾器積存焦炭

2 結焦原因分析

焦化反應機理[1]見圖6。

圖6 焦化反應機理

焦化反應是在高溫條件下熱破壞加工渣油的一種方法，其目的是為了得到石油焦、汽油、輕柴油、裂化餾分油和氣體。焦化過程是一種分解和縮合的綜合過程。原料油一般加熱到350 ℃后開始熱裂解，分子中最弱的C—C鍵首先斷裂，低分子產品以氣相逸出，而液相中的各自由基則反應生成更穩定的芳烴或縮合成稠環芳烴，隨著溫度的升高反應加劇，分子量大的縮合產物繼續脫氫縮合，最后成為焦炭[2]。

2.1 原油性質惡劣結焦傾向高

塔河重質原油評價數據對比見表1。

表1 塔河重質原油評價數據對比

從表1可以看出，塔河重質原油的殘炭、膠質、瀝青質、金屬含量一直在高位運行，原油經過常壓蒸餾后，上述組分會進一步升高，渣油經過高溫反應后會裂解、縮合，芳烴組分斷裂縮合為膠質，膠質縮合為瀝青質，瀝青質最終縮聚為焦炭[3]。塔河原油殘炭值比較高，會加劇結焦傾向；原油中瀝青質含量大于膠質含量，導致常壓渣油分散性變差，增加結焦傾向。

塔河原油物料平衡見表2和表3。

表2 常壓物料平衡

表3 焦化物料平衡

相比系統內其他煉油廠，塔河原油輕油收率低，焦炭產率高。

2.2 爐出口溫度影響

焦化加熱爐出口溫度是裝置裂解和縮合反應的關鍵參數，爐出口溫度低，反應深度低，泡沫層高度增加，泡沫層攜帶大量粉焦至分餾塔引起塔底結焦，部分粉焦隨輻射進料帶入焦化爐管，累積形成結焦中心。防結焦的根本途徑在于降低結焦前體物生成速率，增加結焦前體物脫落速率。一般采取提高爐出口溫度降低泡沫層高度，延緩分餾塔底部結焦。但是爐出口溫度控制過高，或晃電停電造成加熱爐進料中斷，導致爐管表面溫度過高，反應深度加大，物料提前裂解縮合，也造成爐管嚴重結焦。因此，要延緩爐管結焦，從流動層面，需要改善流動效果，使爐管內流體的溫度、速度和濃度分布均勻，縮短流體在爐管內的停留時間；從反應層面，需要降低爐管內的反應深度。

2.3 分餾塔底溫度過高

焦化分餾塔底溫度過高，達到渣油結焦溫度，容易引起塔底結焦，進而堵塞分餾塔底過濾器，如果切換不及時，會導致輻射泵抽空、加熱爐聯鎖熄爐等事故。近年來塔河常渣殘炭在23%以上，瀝青質在20%以上，比同類裝置的減渣性質還要差，體系穩定性差，在加工過程中極易生焦。根據研究塔河常渣在360 ℃時開始生焦，同類裝置減渣380 ℃生焦，在綜合考慮物料平衡、輕質油收率、產品質量等經濟技術指標前提下，需要降低分餾塔底溫度。

2.4 焦炭塔氣速偏高

焦炭塔氣速主要受焦化爐管注汽影響，本裝置焦化爐管注汽為三點注汽，分別在對流室入口、輻射室入口、輻射室出口。盡管多點注汽能延緩渣油在爐管結焦，但注汽量過小，造成渣油流速降低，在爐管內停留時間增加，渣油裂解縮合反應增加，裝置輕收增加，爐管內生焦增加。爐管注汽過大導致焦炭塔氣速過高，使焦炭塔內生成的焦粉攜帶至大油氣線,造成管線結焦、閥門卡澀；焦粉還會帶入焦化分餾塔，造成塔盤堵塞，塔底結焦。老塔小吹汽時，蒸汽用量過大，也會造成氣速過高，泡沫焦由大油氣線帶入分餾塔[4]。

2.5 生焦高度過高

焦炭塔的安全空高一般控制不小于3 m，泡沫層高度一般在6 m左右，焦炭塔的安全生焦高度為焦炭塔的切線高度減去安全空高和泡沫層高度。如果焦層高度超過焦炭塔的安全空高，泡沫層中焦粉被油氣攜帶至油氣線及分餾塔，容易造成大油氣管線、焦炭塔特閥、分餾塔底等設備結焦。

2.6 循環比過小

循環比是延遲焦化裝置重要操作參數，該參數決定焦化原料性質的好壞，對裝置負荷、能耗水平、產品分布、產品質量影響很大。塔河原油性質惡劣，容易結焦，焦化設計采用0.8大循環比。曾經為降低能耗，將循環比降低至0.75，結果導致分餾塔底部嚴重結焦。循環比恢復到0.8，結焦趨勢減緩。

2.7 消泡劑注入不當

焦炭塔泡沫層中的焦粉與油形成穩定的表面張力，消泡劑具有低表面張力、分散性好的特點。當消泡劑高速、垂直注在泡沫層表面時，原來穩定的表面被破壞，泡沫層中的焦粉與油氣沉降分離。裝置負荷變化或生焦周期調整時，如果注入消泡劑量偏小，或注入時間過遲，就不能有效降低泡沫層高度，從而引發相關設備結焦。

2.8 急冷油注入方式不合理

為防止焦炭塔油氣線結焦，在焦炭塔頂大油氣線上注入急冷油(一般為蠟油)，控制油氣出塔溫度在420 ℃以下。急冷油還有洗滌焦炭塔油氣和防止焦粉經油氣攜帶去分餾塔的作用。如果急冷油注入點距離焦炭塔頂油氣出口過遠，就只能降低注入點后的油氣溫度;而注入點以前的溫度很高，容易造成蠟油中的重組分二次裂解結焦。

2.9 回煉污油影響

由于原油性質惡劣，電脫鹽切水產生較多污油，且雜質較多、性質復雜，一般采取沉降脫水后進電脫鹽回煉或加溫脫水作為焦化急冷油回煉。急冷油回煉污油時，如果流量、溫度和壓力等控制措施不到位，就容易造成油氣隔斷閥結焦卡澀，造成換塔時間延遲等。

3 改進措施

3.1 加強原料監控

日常生產過程要密切監控原料性質變化，如渣油密度、殘炭、膠質、瀝青質、四組分和鹽含量等指標，跟蹤對比設計和工藝指標變化。原料性質變化時要及時調整操作，保持裝置運行參數平穩。尤其是關注渣油中膠質變化，因為膠質在高溫條件下，容易縮合成瀝青質，進一步縮合成焦炭。在塔河原油中摻煉少量輕質原油，能明顯降低焦炭產率，2019年在裝置做了原油摻輕試驗，原油密度變化見圖7，焦化物料平衡見表4。

圖7 順北油摻煉原油密度變化

表4 順北油摻煉焦化物料平衡匯總

摻煉順北原油后，隨著摻煉比例的增加，焦化裝置輕質油收率逐步增加，焦炭收率逐步降低。

3.2 控制焦化爐出口及分餾塔底溫度

充分考慮減少泡沫焦、減緩爐管結焦、降低能耗、提高輕收等多種因素后，2018年以來，焦化爐出口溫度逐漸由490 ℃降至485 ℃。

其他企業焦化分餾塔底溫度一般控制在 360 ℃，加工塔河原油，控制塔底溫度越低，結焦傾向越小。2018年以來，通過對上返塔回流量和蒸發段溫度控制，逐步將塔底溫度由370 ℃降至350 ℃，延緩了分餾塔底部結焦，塔底過濾器清焦周期從3個月延長至6個月。

3.3 控制適宜注汽量

焦化爐管注汽過大會導致爐管氣速增加，甚至超過設計氣速，導致攜帶焦粉能力增加。在處理量增加或降低的工況下，要及時調整三點注汽量。注汽量一般隨爐管分支進料量的變化而調整，當進料量降低時需要適當提高注汽量，以增加爐管內介質流速，防止結焦。注汽量設計為加熱爐進料的1%～3%。適當降低特閥汽封蒸汽和老塔小吹汽量，也可降低焦炭塔氣速，減少泡沫焦攜帶[5-6]。2018年以來，對爐管注汽進行優化調整，注汽總量由550 kg/h降低到450 kg/h，重點降低第三點注汽量，焦炭收率由32.84%降低到 32.61%，爐管表面溫度、燒焦頻次均保持正常。

3.4 合理控制生焦周期

縮短生焦周期能提高裝置處理量，生焦周期長短決定焦炭塔焦層高度。生產中應該根據裝置加工負荷大小以及原料性質變化，及時調整生焦周期控制焦炭塔焦層高度。在焦炭塔切換生產前，必須提前注入消泡劑,從而有效降低焦炭塔泡沫層高度，保證焦炭塔有足夠安全空高，防止泡沫層攜帶。2018年以來，逐步將生焦周期由36 h調整到30 h生焦。

3.5 控制適宜循環比

由于塔河渣油屬于容易結焦的原料，因此需要采取大循環比來平衡好降低能耗、增加負荷、優化產品分布、延長運行周期之間的矛盾。采取大循環比雖增加一些能耗，但能改善原料性質，使原料中瀝青質含量降低、芳烴與瀝青質的比值增大，有利于抑制焦化爐管結焦。循環比增大還能增加焦化爐管流速，減緩爐管結焦。在控制大循環比的同時，合理增加蠟油的內回流，既可以防止蠟油箱下部塔盤干板，又加大對蠟油箱下部焦粉的洗滌作用，延緩蒸發段以下塔盤結焦。定期對塔底循環泵過濾器清焦，確保塔底循環系統正常，通過循環攪拌作用消除塔底流動死區，避免塔底焦粉沉積結焦。2018年以來，循環比由0.8逐步提到0.82，塔底過濾器結焦情況有所改善。

3.6 控制適宜急冷油注入量

焦炭塔頂注入急冷油控制塔頂溫度，可以減緩油氣在大油氣線內結焦。如果急冷油注入過小，焦炭塔頂溫過高，大油氣線的結焦趨勢增加；如果急冷油注入過大，急冷油大量汽化，攜帶高溫油氣增加，使塔頂超溫;因此要控制適宜的急冷油注入量。2018年以來，控制焦炭塔頂溫度425 ℃時打入急冷油，控制揮發線溫度為415±5 ℃。急冷油量控制在15 t/h，性質以焦化蠟油為主，2021年計劃采用5 t/h減一線部分代替焦化蠟油，改善急冷油性質，減少急冷油中的重組分二次裂解結焦風險。

3.7 有效注入消泡劑

注入的消泡劑質量分數為50 μg/g。2018年以來，在焦炭塔換塔前，特別是在焦炭塔第二點密度上升之前6 h提前注入消泡劑，使得泡沫層高度下降3 m，有效減少泡沫層攜帶至分餾塔結焦風險。在裝置負荷變化和生焦周期調整后需要及時調整消泡劑注入量。

3.8 控制污油回煉操作

急冷油回煉污油是全廠污油平衡的重要措施，但焦炭塔頂油氣隔斷閥結焦卡澀與污油回煉密切相關。2018年以來，重點采取3個措施：一是油氣隔斷閥開關時禁止污油回煉;二是嚴格控制污油回煉量，控制每塔回煉量小于4 t/h;三是提高油氣隔斷閥吹掃壓力，使其超過0.6 MPa，盡量縮短污油中雜質及結焦物質在閥體停留時間。關注分餾塔底壓差變化，及時切換過濾器并清焦，防止造成輻射泵抽空等嚴重后果。

4 結 論

塔河渣油的特點是膠質、瀝青質含量高，重金屬含量高，極易生焦。大油氣線隔斷閥結焦卡澀和焦化分餾塔底結焦,造成頻繁切換塔底過濾器;焦化爐管結焦造成在線燒焦頻次增加，這些問題都對裝置長周期安穩運行造成影響，并且增加能耗，增加勞動強度。通過采取控制合適的焦化分餾塔底溫度、注汽量、循環比和生焦周期，有效注入消泡劑，優化急冷油注入方式，合理控制焦炭塔污油回煉操作等措施，能夠減緩焦化裝置各部位結焦，為裝置長周期運行提供保證。