焦化蜡油焦粉脱除技术研究进展

（中国石油天然气股份有限公司 石油化工研究院，北京 102206）

延迟焦化工艺具有投资和操作费用少、过程简单及转化深度高等优点，被广泛用于将重油、渣油及沥青油经脱碳来生产焦化汽油、焦化柴油和焦化蜡油等产品。与直馏蜡油比，焦化蜡油密度和残炭值高，含有硫、氮、金属等杂质，且芳烃、胶质含量高，通常不能作为产品直接使用，需要进行后续加工。实际生产中，由于焦炭塔线速过高，使焦化蜡油中不可避免携带较高含量的焦粉。携带焦粉的焦化蜡油进入后续加工装置，如催化裂化装置、加氢裂化装置等，会给装置的长周期安全平稳运行及效益带来一定影响：①在焦化蜡油输送管道和热交换器内，焦粉易沉积结垢，堵塞管道或者减弱热交换器换热效果，直至停工清洗检修。②焦化蜡油进入加氢裂化装置长时间运行后，焦粉会沉积覆盖在催化剂表面，导致催化剂活性降低甚至失活，生产效率大幅降低。③由焦化蜡油加工得到的汽油、柴油中含有一定量焦粉时，其产品质量不可避免受到影响。

为了降低焦化蜡油焦粉携带所带来的风险，需采取适宜的措施对焦粉进行脱除。文中对目前常见的几种焦化蜡油焦粉脱除技术的研究现状和优、缺点进行了总结，以期为焦化蜡油焦粉脱除新技术的研发提供思路，从而实现焦化蜡油后续加工装置的长周期平稳运行。

1 优化操作条件

在实际生产中，通过优化操作条件减少焦粉携带是最直接的措施。影响油气携带焦粉量的主要因素包括焦炭塔的油气线速、泡沫层高度、塔顶温度和塔顶压力。为了缩短油气在炉管内的停留时间，减少结焦几率，往往需要提高加热炉炉管注汽量。但随着蒸汽量的增加，焦炭塔内油气线速增大，油气携带焦粉的几率也增加。注汽（水）量由原料性质、循环比和处理量等因素决定。操作时应根据加工负荷变化情况，及时调整注汽（水）量，防止焦炭塔内油气线速过大［1］。

可通过适当提高加热炉出口温度来优化操作，李金云等［2］将焦化炉出口温度设计为（495±5）℃，并且在焦炭塔切换四通前2 h及切换四通后1 h的时间内进行变温操作，将加热炉出口温度提高1～2℃，以降低泡沫层高度。王晓强等［3］通过调整不同生焦阶段消泡剂的注入量来降低泡沫层高度，从而达到减少焦粉携带量的目的。塔顶压力的降低会使气相产物体积突变膨胀，导致油气线速突然增大，易造成焦粉夹带。在焦炭塔预热和切塔阶段，应及时调整气压机转速，以减少系统压力波动造成的焦粉夹带［4］。优化操作条件的措施简单易行，对减少焦粉携带量具有一定的效果，但脱除焦粉的能力有限。

2 沉降分离法

沉降分离法是指利用固体颗粒与流体介质之间的密度差，靠重力或者离心力使固体颗粒在垂直或径向方向上沉降，从而实现固体颗粒的分离。焦化蜡油中焦粉颗粒密度和粒度都较小，一般的重力沉降法无法将焦粉高效脱除，用于焦化蜡油焦粉脱除的沉降分离法主要有磁絮凝沉降法和旋流分离法。

2.1 磁絮凝沉降法

磁絮凝沉降法是一种通过使悬浮液中固体颗粒与加入的絮凝剂和磁种结合形成磁性絮凝团，磁性絮凝团在磁场作用下加速沉降，从而实现固液快速分离的方法［5-8］。

磁絮凝沉降工艺操作方便，可提高沉降速度，降低原用药量。美国Concord市污水处理厂自2007年将磁絮凝与磁分离工艺用于污水深度处理系统，处理后的出水质量稳定，悬浮物质量浓度小于5 mg/L，总磷质量浓度小于0.2 mg/L，且磁粉回收率高达99.5%［9］。磁絮凝沉降法较广泛地应用于污水处理［10-12］，技术较为成熟，为此方法在其他领域的应用奠定了基础。

陈英等［13］介绍了一种向焦化蜡油加入磁性絮凝剂Fe3O4-EC来去除焦粉的方法，能够实现焦化蜡油中较小粒径的焦粉经絮凝团聚后在磁场的作用下的快速沉降，使焦粉脱除效率得到极大提高。 Chen Y 等［14］将 Fe3O4嫁接至壳聚糖（CS）制备了新的磁性纳米颗粒（MNP）絮凝剂，能更好地使焦粉颗粒团聚，加快沉降速度，焦粉去除率高于96%。

由此可见，如何获取或者制备高效磁性絮凝剂是影响磁絮凝沉降法焦粉脱除效率的关键。受高性能絮凝磁种材料生产成本及磁种材料匹配回收技术的限制，有关磁絮凝沉降法在焦化蜡油焦粉脱除方面的工业应用报道较少。

2.2 旋流分离法

旋流分离法是利用旋流器离心力场实现具有密度差的两相分离的方法。混合物经造旋构件进入旋流器后产生高速旋转，形成稳定的强离心力场，利用两相密度差实现分离。旋流分离法具有设备体积小、能耗低、结构简单、易于操作维护和流量调节范围广等优点。国内外学者已对固液旋流器进行了大量的研究［15-24］，为将旋流器应用于焦化蜡油焦粉脱除提供了丰富的理论依据，采用旋流分离法脱除焦化蜡油中的焦粉具有良好的应用前景。

Ma L等［25］设计了一种能有效分离急冷油中焦粉的固液旋流器，其对粒径大于100 μm焦粉的去除率为99%，对其它粒径焦粉的分离效率超过87%。Wu G等［26］提出了一种除焦粉微旋流器，并对旋流器内两相流动进行数值模拟，在适当的条件下，对粒径10 μm以上的颗粒的去除率大于90%。该模拟方法能够较好地预测微旋流脱焦粉旋流器的分离性能，模拟结果说明该旋流器的分离性能满足油品脱除焦粉实现净化的要求。焦化蜡油中焦粉颗粒粒径较小，对于这种细微颗粒，有学者开发出了直径为10 mm的微型旋流器［27-30］。虽然微型旋流器能够分离更小粒径的固体颗粒，但在较大流量条件下，旋流器能耗增加，而且更易发生堵塞。基于此，李志明等［31］设计了用于分离细小焦粉颗粒的25 mm液固微旋流器，当入口焦粉平均粒径为 25 μm、体积流量为 0.86 m3/h、分流比为5%时，该微旋流器分离效率高于92%，能得到较好的分离效果。

因此，开发直径适中且能分离较小粒径焦粉颗粒的微旋流器，仍将是采用旋流分离法脱除焦粉的研究热点之一。

3 过滤分离法

过滤分离法是指当流体通过过滤介质时，固体颗粒被截留下来，从而实现固体与流体分离的方法［32-33］。目前，已经报道的用于焦化蜡油焦粉脱除的过滤分离法主要有反冲洗过滤法和陶瓷膜过滤法这2种方法。

3.1 反冲洗过滤法

反冲洗过滤器是目前焦化蜡油焦粉脱除的核心设备，也是应用最多的方法［34-37］。国外Orival公司的ORG［38］系列反冲洗过滤器主要为工业生产提供过滤功能，其出口尺寸适用直径25.4～508 mm的管道，可去除的颗粒物粒径低至 10 μm，足以脱除焦化蜡油中绝大部分的焦粉颗粒，且其具有高效的冲洗系统，可极大降低耗水率。Lenzing Technik公司推出了一种新的自动反冲洗过滤器——OptiFil 100［39］，是Lenzing OptiFil的升级产品。该自动反冲洗过滤器具有较高的反冲洗效率和较低的流体损失，可用于高黏度或低黏度介质的过滤，过滤的细微颗粒粒径在1～25 μm。若将其应用于焦化蜡油焦粉脱除，能有效降低细微焦粉颗粒的含量。但该过滤器结构较为精密，成本较高。

中国石化金陵石化公司炼油厂将废弃的催化剂制作成颗粒过滤床层，焦化蜡油经过该颗粒床层过滤实现焦粉预处理，当过滤罐压降增加一定值时，再利用反冲洗装置进行反冲洗［40］。该方法既能将焦粉有效脱除，又实现了废物回收利用，具有较好的经济效益。中海石油惠州炼油分公司通过对引进的美国EATON公司RractoGard V自动反冲洗过滤器进行改造，实现了焦化蜡油焦粉的高效脱除和过滤器长周期平稳运行［41］。刘春岩［42］针对中国石油大庆石化分公司炼油厂的蜡油全自动反冲洗过滤器存在的外甩污油困难、安全阀频繁启动等问题，对反冲洗过滤器进行了改进，使得蜡油中的焦粉质量分数由0.01%降低到0.004%，过滤器平均过滤效率高于95%。王成章等［43］对中国石油乌鲁木齐石化分公司炼油厂的ZFG-Ⅱ型蜡油自动反冲洗过滤器进行结构优化，使得过滤后蜡油中焦粉质量分数低至0.001%，焦粉脱除效率高于93.38%。

虽然目前反冲洗过滤器基本能够满足工业生产需求，但是仍然存在很多问题需要解决，比如易发生堵塞、反冲洗频率增加、抗干扰能力差、装置初始和维修成本高等。炼化企业应在优化反冲洗过滤器的结构和工艺参数等方面加大研究力度，以实现焦化蜡油焦粉的高效脱除和过滤器的长周期运行。

3.2 陶瓷膜过滤法

陶瓷膜是由陶瓷材料制成的多孔膜或者致密膜。陶瓷膜具有耐酸碱性好、耐有机溶剂、耐高温、使用寿命长及可高压反冲洗再生等优点，被广泛应用于石油、石化及污水处理等领域中，用于介质的过滤分离［44-46］。

Tze Chiang Albert Ng［47］等设计和制造了不同梯度的陶瓷膜，系统研究了梯度分布对陶瓷膜过滤特性的影响，提出开发梯度多孔膜可以增强其过滤性能。舒健等［48］开展了延迟焦化含硫污水陶瓷膜过滤净化技术的研究，采用过滤精度为0.05 μm的陶瓷膜处理污水，其平均浊度降低率大于99%，平均除油率大于96%，在工业侧线试验过程中装置运行稳定。杨积志等［49］提出了一种焦化蜡油净化装置专利，将含有焦粉的焦化蜡油输送至温度80～300℃、压力0.05～0.5 MPa的陶瓷碟片膜过滤器进行分离，得到了含焦粉的蜡油和净化的蜡油。

陶瓷膜过滤法过滤精度高，但也存在膜再生难度大、反冲洗频率高及使用周期有限等问题。目前不论是对焦化污水还是焦化蜡油中的焦粉脱除，陶瓷膜过滤法仍处于研究阶段，相关报道较少。要想实现陶瓷膜过滤法的工业化应用，还需在易再生、易冲洗、高过滤通量的新型陶瓷膜方面开展大量研究。

4 其他可借鉴方法

移动床过滤技术是一种新型的连续过滤技术，与反冲洗过滤器相比，不用再单独进行反冲洗过程，可以在过滤的同时对滤料进行冲洗。该技术目前主要用于污水处理［50-52］，还未见有用于焦化蜡油焦粉脱除的报道。

Meng X等［53］根据互溶原理提出了采用萃取技术分离焦化废水中的焦粉。孙晓霞［54］采用静电分离法分离重催油浆和蜡油油浆中的催化剂颗粒，并对比分析了2种油品中颗粒的分离效果。李强等［55］提出了一种连续式油浆静电分离装置及分离系统和分离方法，用于脱除催化油浆中的催化剂颗粒。该装置分离效率较高，冲洗过程和净化过程互不干扰，可实现连续生产。

这些分离方法并没有直接用于焦化蜡油中焦粉颗粒的脱除，但也存在选择的可能性，可为焦化蜡油焦粉脱除研究提供其他思路。

5 结语

焦化蜡油是由延迟焦化工艺得到的馏分油，其黏度高且含有较多焦粉颗粒，直接进入后续加工装置会引起设备堵塞、结焦及催化剂失活等问题。因此选用适宜的焦化蜡油焦粉脱除方法是保证焦化蜡油后续加工装置长周期、高质量运行的关键。

目前，磁絮凝沉降法和陶瓷膜过滤法用于焦化蜡油焦粉脱除仍处于研究阶段，还需要开展更多研究来实现工业应用。反冲洗过滤法被广泛用于焦化蜡油焦粉脱除过程，但仍需对设备清洗、堵塞等问题开展研究。旋流分离法在焦化蜡油焦粉脱除领域具有良好的应用前景，但需要在高浓度、高处理量旋流器开发方面作进一步的研究。仅靠单一技术难以将焦化蜡油中的焦粉完全去除，可以通过研制新型组合式分离装备，采用焦化蜡油梯级脱固工艺，来提高焦化蜡油中焦粉颗粒的脱除率。应开发出投资成本低、体积小、可连续长周期运行、分离效率高且资源综合利用率高的新型焦化蜡油脱固装置和技术，来保证后续加工装置的高效运行。