充分发挥现有焦化装置的作用.doc

提高现有焦化装置的能力适应重质原油的加工中国石化工程建设公司2007年2月4日1概述随着国内高硫高酸重质原油加工能力的逐步提高，国内现有炼油厂的加工路线、装置配套规模、工艺技术方案和设备材质也逐渐暴露出许多问题。特别是原油变重，渣油产量增加，导致炼油厂的渣油加工能力不足，具统计，中国石化2006年延迟焦化装置的加工能力超过100%仍然有部分渣油需要外买，严重影响了炼油厂的经济效益。为适应国内高硫高酸重质原油的加工，要求进一步提高延迟焦化装置的处理能力。提高延迟焦化装置的处理能力主要有两方面的措施，一是通过新建和扩能改造使焦化装置处理能力增加，二是通过调整操作条件和适当的技术改造充分发挥现有焦化装置的加工能力。降低循环比、缩短生焦时间和适当的提高操作压力是提高现有装置处理能力的有效措施。2降低装置的循环比循环比的概念通常有两种不同的表示方法:一种是进加热炉的总流量(或辐射进料量)和新鲜原料量的比值(或对流进料量),公式为:联合循环比=(新鲜原料量+循环油量)/新鲜原料量，该种方法表示的循环比一般大于1.0。 另一种是进加热炉的循环油流量和新鲜原料量的比值(或对流进料量), 公式为:循环比=循环油量/新鲜原料量。该种方法表示的循环比一般小于1.0。当无循环油量时，循环比为零，有时叫单程操作。循环比小于0.2时为低循环比，循环比小于0.05时为超低循环比。循环油为焦炭塔产生最重馏分时为自然循环，循环油为焦炭塔产生非最终馏分如轻蜡油、重柴油等时为馏分油循环。循环比能显示加热炉中循环油或回炼油所占的比例。在新鲜原料中掺入焦化装置反应自产的循环油,一是改变了新鲜原料的性质,使联合油的四组分比例结构发生变化,热转化反应发生变化，直接影响着产品的分布和产品性质以及加热炉的结焦倾向；二是增加了加热炉的进料量，提高了加热炉的热负荷，直接影响着加热炉的处理量和能耗；三是增加了焦炭塔的生焦量和气体体积流量，影响着焦炭塔的处理能力；四是增加了分馏塔的过剩热量和气体负荷，影响着分馏塔的处理能力。由此可见， 降低循环比可以提高现有焦化装置的主要设备加热炉、焦炭塔、分馏塔、冷换设备和机泵加工新鲜原料的能力。表2-1为以沙轻减压渣油（>535）为原料，循环比对产品分布、蜡油性质和炉进料油性质的影响。 表2-1项目名称循 环 比0.00.10.20.4产品收率m%富气7.938.228.539.01汽油12.6013.8614.3115.70柴油24.0824.3125.6727.51蜡油28.3426.5522.5317.68焦炭26.5027.0628.9630.10蜡油性质密度d20 g/cm30.96120.95950.95930.9571粘度V100 mm2/s5.974.9074.9033.358康残 m%1.901.280.860.78干点 510484479465炉进料：密度d20 g/cm31.00000.99940.9963粘度V100 mm2/s273.6191.582.39康残 m%17.115.613.4沥青质 m%5.705.304.10 从表2-1可看出： （1）单程和低循环比下液收高，焦炭收率低,蜡油收率高，但柴油收率低、汽油收率略低。 （2） 单程和低循环比下蜡油变重、变稠、残炭升高，必然会影响到下游装置。（3） 低循环比下焦化炉进料油性质变差，特别是康氏残炭和沥青质含量提高，必然会影响到焦化炉运行周期。表2-2为以沙轻减压渣油（>535）为原料，针对100万吨/年的焦化装置，循环比对加热炉负荷、焦炭塔油气量和分馏塔过剩热的影响。表2-2项目名称循 环 比0.00.10.20.4产品收率m%富气7.938.228.539.01汽油12.6013.8614.3115.70柴油24.0824.3125.6727.51蜡油28.3426.5522.5317.68焦炭26.5027.0628.9630.10加热炉有效热104Kcal/h2121230724952872焦炭塔油气量m3/h17784206642304028160焦炭塔油气线速m/s0.0910.1040.1160.141焦炭塔切线空高m/s6.86.45.24.5分馏塔过剩热104Kcal/h1240.451423.881591.411916.89从表2-2可看出：（1）循环比由0.4降低到0.1，加热炉热负荷降低约20%。反之，加热炉的热负荷不变，加工新鲜原料量可提高约20%。（2）循环比由0.4降低到0.1，焦炭塔油气线速降低约25%。如果，焦炭塔油气线速不变，加工新鲜原料量可提高约30%以上。但是焦炭塔的容积受到限制，循环比由0.4降低到0.1，焦炭塔切线空高仅增加1米，24小时生焦加工新鲜原料量可提高约10%左右，因此必须配合缩短生焦时间。（3）循环比由0.4降低到0.1，分馏塔过剩热减少约25%，分馏塔的回流量减少约25%，即分馏塔的回流约有25%的余量，估计冷换和机泵基本不改造可提高处理量约1015%。虽然循环比降低会提高液收和装置的处理能力，但是也会给装置增加许多不利因素,在设计和操作中应给予考虑。（1）蜡油质量降低，影响下游加工装置-加氢裂化装置和催化裂化装置的操作。主要是焦化蜡油的残炭提高，以沙轻减压渣油（>535）为原料的焦化装置，循环比由0.4降低到0.1，焦化蜡油的残炭由0.78%提高到1.28%，同时焦化蜡油的氮含量和金属含量也会增加，焦化蜡油作催化原料时会提高烧焦率，影响催化剂的寿命；焦化蜡油作加氢裂化原料时会增加撇头次数，也会影响催化剂的寿命；因此采用降低循环比来提高焦化装置处理能力时，应进行全厂平衡，避免对炼油厂的生产造成较大的影响。针对焦化装置可增加重蜡油抽出，通过重蜡油抽出量来调节去加氢裂化焦化蜡油的质量。重蜡油可考虑去渣油加氢或重油催化处理，也可以作为燃料油的调和油外买。（2）分馏塔蒸发段的洗涤油量减少，焦化产品携带焦粉，影响下游加工装置-加氢精制装置和脱硫装置的操作。循环比降低使蜡油抽出集油箱下的回流量减少，换热挡板和洗涤板持液量降低，影响洗涤效果，使焦炭塔来的焦粉上移进入产品当中，同时换热挡板干板还会导致塔板结焦。因此应优化分馏塔的工艺操作和设计、改进塔内构件的结构设计、加强焦化产品的过滤。（3）加热炉进料变差，影响加热炉的连续操作周期。通常采用如下几种方式来判断焦化原料的结焦倾向：a、 用四组分中的胶质和沥青质来表征焦化油的结焦倾向，含胶质和沥青质多的容易结焦。b、H/C原子比来表征焦化油的结焦倾向，H/C原子比越小容易结焦。C、油品的残炭值来表征焦化油的结焦倾向，残炭值高容易结焦。d、用特性因数来表征焦化油的结焦倾向，特性因数大容易结焦。e、用芳烃/沥青值的比值来表征焦化油的结焦倾向，芳烃/沥青值的比值越小，越容易结焦。f、用钠离子和其他金属离子含量来表征焦化油的结焦倾向，钠离子和其他金属含量高容易结焦。一般情况下，焦化循环油和焦化新鲜进料相比：含胶质和沥青质少、H/C原子比越大、残炭值低、芳烃/沥青值的比值越大、金属含量低，因此针对焦化炉进料而言，循环比越小，其结焦倾向越大，同样条件下加热炉越容易结焦。因此采用降低循环比来提高焦化装置处理能力时，应充分考虑焦化炉的优化设计和操作。改进工程设计和操作防止炉管结焦的主要措施：a、在实际生产和设计中，往往由于需要提高液体产品收率和处理能力而降低循环比，这样在一定处理量下循环比的降低必然导致进加热炉管油品质量降低，炉管内油品的流动和传热变差，滞流内层变厚，造成紧靠管壁的油品温度上升，从而使结焦情况更容易发生。比较好的解决方法应该是根据需要适当增加注水量或注汽量来改善油品的流速和流动方式，避免炉管过早出现结焦。采取馏分油循环，用轻蜡油、重柴油代替较重的循环油，改善加热炉进料性质。B、加热炉操作中应尽量保持各管程中工艺介质流量、注水或注汽量相同，避免出现偏流现象，否则极易造成管内结焦。处理量变化时，应及时调整注汽量。C、在确保炉内各管程流量均衡的情况下，还应严格控制辐射室工艺介质出炉温度，严禁超温操作。D、保持良好的供热：点燃所有燃烧器，火焰高度、颜色等应保持一致。火焰燃烧刚劲有力，形状稳定、不发飘。火焰长度应控制在炉膛高度的1/3左右，严禁火焰直接冲刷炉管。 E、注意观测炉管表面温度不超600。炉堂温度不超800。炉管压降基本和开工时压降相差不大。F、为了防止由于停电、泵抽空等原因造成的流量过低或中断，以及由于炉管破裂等原因造成的紧急停工，在加热炉进料设计中应考虑低流量报警，低/低流量联锁自动熄灭、停泵、紧急吹扫等一整套逻辑控制措施，以防止炉管结焦以及炉膛着火燃烧。 G、为了保证加热炉平稳，有效地长周期运行，在燃烧系统设计中考虑燃料气与风的比例控制；引风机入口温度、烟道挡板前温度的高报警、高/高温度联锁自动熄火，停泵、停风机、紧急吹汽等一整套逻辑控制措施。以防止空气过剩系数过大、降低炉热效率和炉管氧化剥皮现象，以及炉膛着火烧坏炉子和引风机。 i 、定期在线清焦、烧焦和计划停炉烧焦，防止结焦程度进一步恶化。J、设计应选用中、小型能量的低NO扁平焰火嘴及扁长形炉膛尺寸，选用适宜的炉膛体积热强度、炉管表面热强度和高管内流速等。尽量采用双面辐射加热炉。K、定期分析原料性质，特别是四组分组成和残炭值，及时调整操作条件。要求常减压装置加强电脱盐，保证减压渣油中钠盐含量不大于10ppm。改善焦炭塔和分馏塔的设计和操作，防止焦炭塔冲塔和携带焦粉。加强分馏塔底渣油的过滤，减少进加热炉原料中的焦粉含量。在加热炉进料中注入缓焦剂，减缓炉管的结焦。降低炉管内的粗慥度，使结焦前体物和焦粉及金属离子不容易附着在炉管内壁，减缓炉管的结焦程度。掺炼催化油浆时，要加强过滤，除去催化剂粉末，减少加热炉进料的固体杂质含量。（4）进料变差，导致弹丸焦的产生。根据国外资料报道和国内经验：API小于7或残碳/沥青质=1.68和1.45的劣质渣油可能产生弹丸焦，国内操作经验是采用较大循环比操作（0.41.0）（如塔合石化的焦化装置、青岛炼化的焦化装置辽河原油焦化装置和克拉玛依原油焦化装置等），尽可能避免产生弹丸焦，保证安全生产。如果不考虑弹丸焦的产生和蜡油质量，循环比可降低，国外许多焦化装置是允许产生弹丸焦的，但是他们大部分都采用了自动卸盖机，其他系统也比较配套。3缩短生焦时间生焦时间是指焦炭塔高温渣油连续进料发生裂化和生焦反应的时间，焦炭塔两个并联间断操作，一个在生焦操作，另一个则在除焦操作，生焦时间一般为1824小时，生焦时间等于除焦时间，焦炭塔从这次进料到下次进料为一个循环，循环操作周期为3648小时。焦炭塔内的高温渣油发生裂化和生焦反应时，产生的油气连续自塔顶流出进入分馏塔，而焦炭停留在塔内。因此进料量、生焦率和生焦时间就决定了焦炭塔的容积，针对现有的焦化装置，焦炭塔的容积已经限定，要提高进料量必须降低生焦率和缩短生焦时间，缩短生焦时间是最有效的措施。在焦炭塔的油气线速不受限制的条件下，缩短生焦时间和提高处理量基本成比例，如生焦时间由24小时缩短到18小时，焦炭塔的处理量提高约25%。通过缩短生焦时间来提高装置的处理能力应考虑如下因素：（1）焦炭塔的空塔气速。据资料报导，国外在焦炭塔内不注入消泡剂时，设计焦炭塔内油气气速一般为0.110.17m/s。在使用消泡剂时，由于泡沫层密度变大，设计焦炭塔内油气速度一般为0.120.21m/s。为减少泡沫夹带，建议采用低的油气速度，国内焦炭塔设计的油气速度一般为0.100.15m/s。而国外焦炭塔设计的油气速度一般为0.150.2m/s，如FW公司焦炭塔设计的允许油气速度为小于0.21m/s。气速大，焦粉携带多，给分馏塔系统减少产品焦粉的压力加大，因此建议油气速度不超过0.150.2m/s。（2）加热炉的热负荷。缩短生焦时间提高装置的处理能力，应核算焦化加热炉的能力是否与之配套，通过适当改造能否满足要求，如果不能满足要求，处理量的增加应根据加热炉能力来确定，然后来计算确定合理的生焦时间。加热炉的改造可以通过降低循环比、更换燃烧器、增加炉管或加大炉管管径、提高炉管表面热强度等措施来实现处理量的提高。（3）分馏系统和压缩机的能力。分馏系统和压缩机的能力有时可以通过改造来提高能力，但是有时受到时间和投资限制，应进行核算确定。（4）除焦操作及相关设备的能力。焦炭塔是间歇操作的设备，当一个塔在进料时，另一个塔在进行除焦操作。除焦操作的工序主要有：向焦炭塔内少量吹汽，把油气吹入分馏塔；向焦炭塔内大量吹汽，该吹汽汽提油气至吹汽放空塔;并在放空系统冷凝冷却回收污油；向焦炭塔内少量给水，给水汽化的蒸汽及油气至放空塔；向焦炭塔内大量给水，水溢流到冷焦水系统的热水罐；排放焦炭塔内的水至冷焦水热水罐；拆卸塔顶、塔底出焦口法兰；采用高压水切除焦炭塔内的焦炭；安装塔顶、塔底法兰；对焦炭塔进行蒸汽试压检查塔顶、底盖的密封性；引另一个焦炭塔的油气对该塔预热，油气自塔引入至塔底再经甩油罐返回到分馏塔。待焦炭塔的温度达到要求后，切换四通阀，该阀正常进料，另一个塔进行上述过程的处理。焦炭塔除焦操作的上述10个步骤需要的时间等于生焦时间，因此每一步的进行都会限制生焦时间的缩短。下表为焦炭塔不同操作周期的操作情况。操作过程操作周期,h24364872生焦12 182436切换塔0.20.20.50.5小吹汽0.30.50.50.5大吹汽1.01.02.02.0小给水0.81.01.53.0大给水2.53.54.55.5排水2.01.53.04.5顶底头盖拆 卸0.20.31.50.5除焦2.54.54.54.0顶底头盖安装0.20.50.50.5试压0.30.50.50.5塔预热升温2.03.54.56.5闲置0.00.00.50.8由此可见，生焦时间由24小时缩短到18小时，吹汽、给水、卸盖和油气预热的时间都应缩短。如果达到同样的冷却和预热效果，必然要提高冷却和预热的速度，或者改变冷却和预热终温。核算放空塔的能力是否满足要求，冷焦水处理系统是否配套，拆卸和安装顶/底盖是否采用了自动化。焦炭塔部分的冷焦及预热操作条件序号项 目单位条 件24小时18小时1油气急冷后温度4204202小吹汽量kg/h259445603大吹汽量kg/h13863184004小给水量kg/h25295355005大给水量kg/h3000003500006预热油气量kg/h 50565685007试压蒸汽量kg/塔 80008000（5）焦炭塔的应力及疲劳寿命。缩短生焦时间，焦炭塔的操作循环周期缩短，冷却和预热的速度加快。根据国外资料报道，缩短生焦时间焦炭塔的使用寿命会大大减少。特别是过渡段的疲劳寿命。过渡段采用整体锻件结构比较适合生焦时间的缩短。（6）焦炭的挥发份。有国外文献介绍，缩短生焦时间6小时，焦炭的挥发份会增加1%。因此在缩短生焦时间的同时应适当提高加热炉出口温度。4焦炭塔顶操作压力反应压力一般是指焦炭塔顶的压力,反应压力对焦化产品分布有一定影响,压力升高,气体和焦炭的收率增加,液体收率减少,焦炭的挥发份提高.反之压力降低,气体和焦炭的收率减少,液体收率增加,焦炭的挥发份降低.为了提高装置的经济效益,通常采用低压设计和操作。国内焦炭塔顶操作压力一般为0.150.20Mpa，国外最低的达到0.10.15Mpa。但是压力太低焦炭塔内泡沫层升高,焦粉易携带并易产生弹丸焦,另外增大了焦炭塔的气体体积流量，势必使焦炭塔的塔径加大，使分馏塔的塔径加大，使压缩机和塔顶冷凝系统的负荷增加。因此针对现有焦化装置，提高处理能力时，如果焦炭塔和分馏塔的塔径受到限制、压缩机的负荷受到限制时，可以考虑适当提高操作压力，压缩机入口压力提高可降低了压缩机的压缩比，分馏塔压力提高可降低塔内的气相体积负荷，焦炭塔压力提高可降低塔内油气线速。 5实现焦炭塔操作的自动化 焦炭塔系统的操作主要包括生焦操作、冷焦操作、除焦操作和预热操作，目前由于进口了四通阀和高温隔断阀并加了控制联锁系统，生焦操作和预热操作基本实现了自动操作，冷焦操作目前大部分还是人工手动操作，给水、吹汽和放水是人工判断，操作水平比较落后。除焦操作虽然有水力除焦自动控制和联锁，除焦仍然是人工操作，特别是塔盖机大部分还是人工手动卸盖，自动化水平差并且不安全。实现焦炭塔操作的自动化，针对冷焦操作应把小吹汽、大吹汽、小给水、大给水、水溢流和放水的阀门改为自动控制阀门，通过不同阶段焦炭塔内的冷却温度或冷却时间及冷却蒸汽或水的流量编制程序及PLC来控制，实现安全自动控制。针对除焦操作首先应实现自动装卸顶/底盖，进一步完善除焦控制系统、开发除焦判断系统，实现除焦全过程的自动化。对生焦操作、冷焦操作、除焦操作和预热操作自动控制系统的优化整合就可以形成焦炭塔操作的自动化。该自动化的形成对统一管理、安全操作、优化操作和节能非常有利。6焦炭塔底自动化卸盖机目前，国内的延迟焦化装置焦炭塔法兰盖采用双头螺柱、螺母连接。拆装法兰盖连接件普遍采用风动扳手人工拆卸，工作环境恶劣，工作时间长，劳动强度大，是炼油厂工作条件较艰苦的岗位之一。此外由于焦炭塔的温度周期性变化，装盖和卸盖时的温度不同，有时造成拆卸双头螺柱的困难；如果塔内的气体未放净，压力较高，开上塔口法兰盖时，由于蒸汽温度较高，易烫伤操作人员，同时塔顶溢出的含硫油气将对操作工的身体健康产生损害。而塔底在用风动扳手人工拆卸连接件时，经常有热水（国内80100，国外18小时生焦的排水温度约120）喷出，烫伤操作人员,当焦化原料变差或操作不当时产生弹丸焦,焦炭塌方对操作人员更加不安全。采用焦炭塔法兰盖自动开合机构,不用人工拆卸安装塔口法兰,操作工远离塔口操作，保障了操作工人的安全。九十年代国外采用了全自动装卸法兰盖技术，这种技术取消了连接法兰的连接件，工人可在远离恶劣的环境控制顶、底盖的装卸，从而提高了延迟焦化装置的自动化水平。近几年国外开发研制了新型的自动开启和关闭焦炭塔塔顶、底盖的设备-除焦隔断卸盖阀，由于这种阀的价格过于昂贵，国内至今没有一家炼厂引进该阀。国内焦炭塔底法兰盖自动装卸机构主要特点：（1） 控制采用机、电、液一体化设计，控制操作安全可靠。（2） 法兰周向均布32个液压螺栓，密封力由碟簧提供，无升温后密封力下降的现象，密封力调节范围大，密封效果好，故障少，使用周期长。钢圈硬密封受力均匀，符合法兰钢圈密封要求。（3） 首次采用带导流管的侧进料方式，不再拆卸进料管，保证进料时焦炭塔温度分布均匀、形成中心冷焦通道。控制采用PLC元件，操作方式分自动，手动两种，所有执行元件均带位置检测。操纵过程均有状态检测显示，自动方式下，单按钮操作，故障调试情况下，采用手动逐一完成动作，控制方式完善，可靠。国内外同类技术的比较国内手动国 外国内自动基本结构人工卸盖，需拆装104个螺栓（其中32个M30,72个M39）。自动移盖，楔形旋压，专用软圈密封，技术先进，但机构复杂，占地面积较大。法兰盖自动开合，碟簧锁紧，通用钢圈硬密封，结构简单，技术可靠，占地面积较小开/关塔盖时间平均一次110 min约25-10min约20 min操作人员至少4人22操作维护操作工序多，劳动强度大，工作时需热紧螺栓故障少；自动化操作水平高，维修专业化要求高故障少；自动化操作水平高，维修专业化要求一般设备维护费用低高中使用成本螺栓损耗、密封钢圈损耗大完全不用上螺栓，但专用软圈密封价格较高完全不用上螺栓，密封钢圈损耗小运行情况：自2006年6月8日至今，8个月的使用，焦炭塔法兰盖自动开合机构设备运行正常，未有影响生产的事件发生。陆续发生的故障都在生产许可的范围内进行了排除，主要发生的故障及改进措施有：（1）侧进料短节与原焦炭塔的连接采用普通螺栓连接，由于原焦炭塔下法兰的变形，和侧进料短节上法兰连接不紧密，经过一个热循环后发生泄漏，后采用在普通螺栓上增加蝶簧的办法来解决了泄漏问题。（2）焦炭塔法兰盖自动开合机构的控制柜增加了钢制带锁的防护罩，防止无关人员误操作。（3）发生一次不能正常开启现象，后采用千斤顶打开了下法兰。经检查是由于蒸汽保护未打开，渣油在导流罩的导向槽内结焦所致。通过强化操作工培训，保证蒸汽流量，未再发生同类事情。7高硫高酸原料的腐蚀目前的焦化装置，尤其是早期设计的焦化装置对高硫高酸原料的适应性较差，主要表现在设备、管线、阀门及仪表的材质上。早期设计焦化装置原料中硫含量按12%（w），大部分设备及管道材质为碳钢。由于进口高硫原油的增加，焦化原料中硫含量提高，有的渣油中硫含量高达57%（w），焦化产品中的硫含量也大幅提高，根据硫腐蚀曲线，硫含量的提高对设备腐蚀速率影响比较大，特别是高温碳钢设备及管道的腐蚀速率大大增加，已不能满足安全生产的需要，应进行更换。按照加工高硫原油标准，焦炭塔和分馏塔应采用整体复合板材料，高温换热器应采用不锈钢管束和复合板壳体，高温管道及管件应采用Cr5Mo、Cr9Mo或其加厚设计。但是高硫原油加工设备选材导则是以原油硫含量大于1.0%为基准编制的，相当于焦化原料的硫含量23%，而目前的焦化原料中硫含量高达57%（w），即使原设计按照该标准执行，其厚度也不能满足长周期安全操作的要求。针对加工高酸原油，虽然大部分酸分配在减压馏分中，但减压渣油中的酸仍占510%，酸值为12.0mgKOH/g的原油，减压渣油的酸值约为3.0mgKOH/g，加工高酸原油的渣油，目前抗硫腐蚀的设备及管道已不能满足要求，应考虑部分设备及管道更换为316L材质。针对高硫高酸渣油，其残炭值和沥青值高的特点，焦炭收率也高，导致焦炭塔容积偏小，影响装置处理量。建议有条件时应加大塔体容积和更换材质，这样既满足加工量的要求，又可提高对高硫高酸原料的适应性。无条件更换时应掺炼部分低硫渣油，降低焦化原料的硫含量，保证装置长期安全运行。