通过创新精益管理解决焦粉携带难题的实践

赵玉林 许海滨(玉门油田分公司炼油化工总厂，甘肃 玉门 735200)

0 引言

某炼厂有一套50万吨/年延迟焦化装置，采用双面辐射、多点注汽、自动顶底盖机、PRC 除焦联锁控制系统等先进工艺。2019年是该套装置建成后的第二次大检修，也是首次全面检修。在检修塔器时发现，该套装置的分馏单元、吸收稳定的再吸收塔、大油气线均存在严重的结焦和焦粉携带问题，清理出焦粉焦块400 余小袋，6台换热器因焦粉携带产生了严重的垢下腐蚀而被迫更换管束。既大幅增加了检修工作量，也危害安全平稳开炼。且在下游的柴油加氢装置(焦化柴油是该装置原料)的原料换热器中发现大量携带焦粉，对下游装置也造成了冲击。

1 焦化装置结焦状况

1.1 检修期间暴露出的结焦问题

炉管结焦不均匀，上薄下厚油性大。加热炉出口管线结焦严重管线结焦严重，平均厚度20mm，最厚的位置达到55mm。清出焦块深黑光泽、硬度大。

分馏塔内存在严重结焦情况：各段集油箱均有不同程度焦粉沉积，柴油、重蜡抽出集油箱焦粉极多，已到达人孔下缘，并伴有明显黄色物质。轻蜡、顶循集油箱焦粉很少，相对干净。塔底将军帽以下焦粉沉积较多，上部进料浮阀卡死。塔底蛇形塔盘上有大面积硬焦，人工清理不动，最后使用电锤强行清理，清出焦块致密坚硬。分馏塔底清理用时10天。蜡油下回流、塔底搅拌器、塔底上下回流等四路返塔分布管均被硬焦堵实。

柴油侧线涉及换热器、空冷均存在严重结焦，且腐蚀严重：空冷A-143AB结垢及焦粉沉积较多，伴有黄色物质。

再吸收塔内塔盘存在焦粉较多，清理困难，类似分馏塔柴油段；吸收稳定单元其他三塔相对干净。再吸收塔清理用时1周，其余三塔用时2天完成。

焦炭塔顶至分馏塔大油气线内严重结焦20mm左右，机械清焦用时33天清理80m大油气线。

E101～E105 五组原料换热器均存在不同程度抽芯困难，加热抽出后发现管束表面有粘油、粉焦。

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1.2 正常运行期间的结焦情况

焦炭塔顶油气出口短节存在结焦，最厚时堵塞约1/2 管径，造成焦炭塔压力偏高。正常操作压力0.14MPa，在达到0.16MPa以上时即安排打开短节闷头进行清理；一般每15～20天即安排清理短节闷头一次，堵塞约1/3～1/2管径，清理出的是硬焦；东塔结焦情况明显比西塔要严重。

分馏塔底循环油过滤器需定期清理，最厚时占过滤器圆截面的2/3。根据过滤器压差达到0.2MPa 以上时即组织清理；一般每周需清理过滤器一次，清理出大约1袋子焦粉；清理出的是粉焦，有时会有较大焦块。由于需要频繁清理，岗位员工劳动强度较大，且存在重大作业风险。

日常检维护柴油、轻蜡、重蜡蒸汽发生器时，发现柴油蒸汽发生器内焦粉较多，有些已聚结成焦块，并伴有黄色物质；柴油蒸汽发生器堵漏三次，在检修时整体更换管束。柴油与富吸收油换热器E-105 因为管束结焦堵塞，长期停用。

2 全员共同参与解决生产运行难题

针对检修期间暴露出的结焦问题，焦化车间在全车间范围内开展大讨论活动，并召集技术能手、业务骨干，发动了一起“头脑风暴”，认真分析出现焦粉携带及结焦存在的原因，并从广度上讨论了今后的工作措施：

(1)分馏塔的焦很明显地分为两部分：一部分是上部的粉焦，主要是系统携带的；另一部分是塔底的硬焦，主要是从焦炭塔携带的焦粉与热油在塔底长期高温作用结焦。

(2)分馏塔底温度在385℃左右，蒸发段在400℃，且分馏塔底上下部回流量实际控制2～3t/h，失去洗涤作用；在检修期间也发现分配管结焦结死。焦粉不能在塔底洗涤下来，大量焦粉被高汽速携带上移，进而在蜡油集油箱聚集。

(3)需要核算焦炭塔线速。线速过大极易造成焦粉携带。

(4)小给汽时汽量过大，可能会导致焦粉携带到分馏塔单元。分馏塔底清理出的焦块，有些实际上是焦层高时，小给汽带水冲击，造成线速较大，携带焦块。

(5)急冷油以蜡油为主，有时使用污油作急冷油，间歇使用，每天切换两次；由于污油中杂质多、重组分多、含水多，性质不稳定，容易造成局部线速超标，加剧焦粉携带。

(6)再吸收塔的焦粉是柴油被污染后携带过去的；分馏塔抽出侧线携带焦粉在换热器等低流速部位存在严重沉积。

(7)按照焦化装置经验，高于360℃的部位极易发生结焦，尤其是在有焦粉携带条件下。按照经验，温度每上升2～4℃，反应速率将增加一倍。新焦化装置比原30 万吨/年焦化装置的分馏塔底温度要高15～20℃。

3 焦粉携带及结焦的深层次原因

3.1 焦粉在焦炭塔的动力学研究

焦炭塔的孔塔线速一般要求不大于0.2m/s，在生焦过程中该速度一般在0.12～0.16m/s 左右。焦粉颗粒会随着这股上升气流而爬升：大粒径爬升距离较小，会逐渐沉降至泡沫层并生焦；小粒径容易随气流携带出焦炭塔；中等粒径会在焦炭塔中有明显攀升，如超出当前有效空高，则会随气流携带至后续设备，进而加剧后续设备结焦。根据参考文献，分析焦粉颗粒在此过程中受力并分析，可以得到两个明显界点：粒径低于500μm 的，将会一直随气流携带；粒径高于1500μm 的，被携带高度较低，可以认为不会随气流快速攀升。而500～1500μm 粒径的，将随气流快速携带，随着有效空高降低，携带量也急剧增加。因此控制有效空高具有极大意义，是控制焦粉携带的重要一环。

3.2 急冷油的注入分析

在生焦过程中，在焦炭塔顶部注入急冷油，能够起到降温洗涤的作用。新焦化装置设计急冷油使用焦化重蜡油，在油气短节底部三点注入，可以形成较大的喷射扇面，并可将部分小焦粉颗粒黏结在一起形成大颗粒粒径，能有效减少焦粉携带。在实际生产中，有时采用污水油、催化油浆作急冷油，这些物料含水量较高，急冷油注入量只有1t/h 左右，比正常注入量2.5t/h严重偏低，起到的降温洗涤作用不明显。且污水油、催化油浆组分比重蜡油更重，雾化效果极差，不能形成喷射扇面，部分重组分在大油气线入口处聚结，形成严重的焦炭塔出口短节结焦。焦炭塔出口短节结焦，一般每半个月就需要清理一次。

4 焦粉携带预防控制措施及效果检验

4.1 焦炭塔单元的操作优化

(1)核算空塔线速在0.15m/s 左右，在设计0.2m/s 以内。

(2)调整特阀用汽、底盖机用汽，减少蒸汽进入塔内增加空塔线速风险。

(3)控制切换速度，防止切换冲击；小给汽前注意脱水，防止带水冲击。

(4)严格控制生焦过程中的有效空高：控制日常生焦高度不大于15m(切焦检尺)，此时生焦末期时，有效空高约为6～8m左右；焦层高于11m 时，在生焦末期及时注入消泡剂。

(5)严防加热炉进料量和分馏塔顶压力的大幅波动，防止焦炭塔空塔线速大幅波动导致焦粉携带。

(6)优化污水油做急冷油注入的方式，减少带水冲击，减少急冷油中重组分在油气出口的聚集。当焦炭塔顶压力超过0.16MPa 时，及时组织清理油气出口短节。

在焦炭塔单元采用的主要操作思路是“稳定操作、减少波动，控制空高、减少携带”。

4.2 分馏塔单元的操作优化

(1)稳定分馏塔底下部循环油量，保障上下部两路进料不小于7t/h，保障合理的洗涤量，实现分馏塔单元中第一阶段的焦粉洗涤

(2)控制循环油与原料换热器E-105 合理开度，保障取热效果；控制分馏塔底蒸发段气相温度不大于390℃，比之前降低约10℃；控制分馏塔底液相温度不大于370℃，比之前降低约15℃。通过以上措施，降低分馏塔底液相温度，避免高温结焦加速风险，防止塔底结硬焦。

(3)加大分馏塔上部回流量，优先提高和稳定二中、一中、柴油上回流的循环量，充分保障顶循环回流量，提高塔盘内回流量，提高焦粉洗涤效果。经计算，内回流量比之前提高约1 倍，充分保障内回流，减少焦粉的夹带上行。

(4)适度控制顶循下回流、柴油下回流、蜡油下回流，将内回流洗涤的焦粉从上往下逐层下降到分馏塔底，并最终从分馏塔底过滤器洗涤出来。

在分馏塔单元采用的主要操作方案是“稳定操作、减少波动，回流压制，热量下移、焦粉下移，减少焦粉上行量和减少高温结焦区”。

4.3 其他单元的操作优化

稳定控制加热炉进料量，提高原料入炉温度，严格控制炉管表皮温度，做好机械清焦的计划。

跟踪原料质量，减少焦粉、固含在原料换热器内的沉积；杜绝高含水原料进缓冲罐造成的冲击。

4.4 优化调整效果对比

分馏塔底过滤清焦频次由之前的1 次/周降至1 次/月；清理出的焦粉量降至之前的1/3，且不再有大焦块。

焦炭塔顶油气出口短节清理频次由之前的1 次/2 周降至1 次/月，最长可达45 天不用清理；清理时，结焦量降至之前的1/4，危害性大幅降低。

柴油侧线抽出使用滤纸过滤，每500mL 在滤纸上焦粉颗粒不到之前的1%以下。

5 结语

焦化装置焦粉携带是一项系统性难题，在现有条件下实施整体优化策略控制焦粉携带具有十分现实的意义，不仅压制住了过量的焦粉携带，还实现了整体能量优化，节能效果也十分显著。而在此过程中产生的产品质量效益与热量平衡之间的矛盾，在优先考虑保障基本产品指标和长周期指标之后，继续寻找新的效益平衡点，进一步从前端控制、基于现实来保障装置的长周期平稳开炼。