SEI第二屆延遲焦化年會(huì)論文〔5〕

焦炭塔工藝設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題

中國(guó)石化工程建設(shè)公司

李出和

1.概述

延遲焦化裝置的主要設(shè)備有加熱爐、焦炭塔、分餾塔、放空塔、加熱爐進(jìn)料泵、水力除焦機(jī)械等，其中加熱爐被認(rèn)為是焦化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，而焦炭塔那么是焦化裝置的核心設(shè)備。因?yàn)榻固克墙够b置的反響器，加熱爐、分餾塔、放空系統(tǒng)、冷切焦水處理系統(tǒng)、水力除焦系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)均與之有關(guān)。雖然焦炭塔是一個(gè)空筒設(shè)備，但它的設(shè)計(jì)涉及到幾乎全裝置的工藝過(guò)程，因此在焦炭塔的工藝設(shè)計(jì)不僅要考慮焦炭塔的規(guī)格尺寸設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮與之相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

.焦炭塔直徑和高度確實(shí)定

焦炭塔的直徑和高度主要取決于裝置的處理量、原料性質(zhì)、操作溫度、操作壓力和循環(huán)比。裝置的處理量是決定焦炭塔大小的主要參數(shù)，焦炭塔的單塔處理量越大，要求的焦炭塔直徑越大，這主要是由焦炭塔塔內(nèi)的允許氣速?zèng)Q定的。原料進(jìn)入焦炭塔，在塔內(nèi)適宜的壓力、溫度和停留時(shí)間的條件下發(fā)生裂解和縮合反響，裂解反響產(chǎn)生氣體及輕質(zhì)及中質(zhì)油品，縮合反響生成焦炭并停留在塔內(nèi)。在焦炭層以上為主要反響區(qū)，即泡沫層。泡沫層分輕相泡沫及重相泡沫，輕相泡沫在上部，其密度約為30～100kg/m3，重相泡沫在焦層以上，其密度約為100～700

kg/m3，泡沫層溫度一般為460～480℃。熱態(tài)的焦炭層高度一般高于冷態(tài)的焦炭高度。隨著原料的不斷進(jìn)入，產(chǎn)生的焦炭量增加，焦炭層高度增加，泡沫層也隨之連續(xù)升高。

由于泡沫層為反響區(qū)，一般不希望泡沫被油氣夾帶到焦炭塔出口的油氣管線和分餾塔，導(dǎo)致管線結(jié)焦和分餾塔內(nèi)結(jié)焦影響正常操作和產(chǎn)品質(zhì)量，因此應(yīng)考慮焦炭塔內(nèi)油氣的適宜氣速，適宜氣速應(yīng)該是泡沫夾帶的臨界氣速乘上一個(gè)平安系數(shù)。據(jù)資料報(bào)導(dǎo)，國(guó)外在焦炭塔內(nèi)不注入消泡劑時(shí)，設(shè)計(jì)焦炭塔內(nèi)油氣氣速一般為0.11～0.17m/s。在使用消泡劑時(shí)，由于泡沫層密度變大，設(shè)計(jì)焦炭塔內(nèi)油氣速度一般為0.12～0.21m/s。根據(jù)適宜的油氣速度和焦炭塔內(nèi)的實(shí)際油氣流量來(lái)考慮焦炭塔的直徑，為減少泡沫夾帶，新設(shè)計(jì)焦炭塔建議采用低的油氣速度，國(guó)內(nèi)焦炭塔設(shè)計(jì)的油氣速度一般低于0.10～0.15m/s。

焦炭塔內(nèi)的油氣體積流量和渣油進(jìn)料量、原料性質(zhì)、操作條件有密切的關(guān)系。在確定焦炭塔的直徑以前應(yīng)首先確定焦炭塔的操作條件和產(chǎn)品分布。渣油是以碳、氫、硫、氮、氧等為主要元素的大分子烴類，通常分為飽和烴、芳烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，瀝青質(zhì)含量高及殘?zhí)恐蹈叩脑蜕孤瘦^高，液體收率較低，同等處理量的焦炭塔內(nèi)的油氣體積流量小，應(yīng)采用較小直徑的焦炭塔，反之應(yīng)采用較大直徑的焦炭塔。當(dāng)原料性質(zhì)確定后，對(duì)焦炭塔規(guī)格影響較大的主要是循環(huán)比、反響溫度和壓力。循環(huán)比減少，循環(huán)油量減少，氣體、汽油、柴油收率下降，焦炭塔內(nèi)的油氣體積流量減少，適宜采用較小直徑的焦炭塔；循環(huán)比增加，循環(huán)油量增加，氣體、汽油、柴油收率提高，焦炭塔內(nèi)的油氣體積流量增大，適宜采用較大直徑的焦炭塔。提高焦化爐出口溫度可增產(chǎn)液體產(chǎn)品收率，但調(diào)整的幅度是很窄的。一般情況下是根據(jù)原料性質(zhì)確定最正確的操作溫度，采用較高的焦化爐出口溫度時(shí)可適當(dāng)放大焦炭塔的直徑。采用低壓操作可改善焦化產(chǎn)品分布，在國(guó)內(nèi)外已普遍認(rèn)可，國(guó)內(nèi)焦炭塔頂操作壓力一般為0.15～0.18Mpa，國(guó)外最低的到達(dá)0.1～0.15Mpa。壓力降低一般是提高蠟油的收率，但是增大了焦炭塔的氣體體積流量，勢(shì)必使焦炭塔的塔徑加大，裝置的投資增加，因此應(yīng)綜合設(shè)備投資、操作費(fèi)用和產(chǎn)品分布等因素確定適宜的操作壓力。

另外焦化加熱爐的注汽注水量、在線清焦用汽量、四通閥及切斷閥的汽封蒸汽量對(duì)焦炭塔的直徑確定也有較大的影響，一般加熱爐的注汽注水量按爐新鮮進(jìn)料的1.0～1.5％考慮，在線清焦時(shí)應(yīng)考慮減少渣油進(jìn)料，增加蒸汽量，蒸汽量可按2～8/h考慮。焦炭塔底閥門(mén)的汽封一般考慮0.3～0.6t/h的蒸汽量。

在根本確定焦炭塔的直徑后，根據(jù)原料性質(zhì)、焦炭產(chǎn)率、生焦時(shí)間、泡沫層高度來(lái)確定焦炭塔的高度。焦炭產(chǎn)率和原料性質(zhì)、操作條件有關(guān)，泡沫層高度和原料性質(zhì)、反響溫度及壓力有關(guān)。當(dāng)在焦炭塔內(nèi)注入消泡劑后，泡沫層的高度減少。當(dāng)單塔處理能力、原料性質(zhì)和操作條件確定后，塔內(nèi)的焦層高度主要確定于生焦時(shí)間。目前國(guó)內(nèi)焦化裝置設(shè)計(jì)的生焦時(shí)間均為24小時(shí)，國(guó)外焦化生焦時(shí)間一般為10～24小時(shí)，采用18小時(shí)的占大多數(shù)，采用短的生焦時(shí)間，可以提高焦炭塔的利用率，或者同等規(guī)模的焦炭塔的高度減少。在確定焦炭塔高度時(shí)應(yīng)留有一定的平安空高，平安空高一般為塔頂切線離泡沫層頂部的距離，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的焦炭塔一般平安空高3～5米，國(guó)外焦炭塔的平安空高一般為2～3米?？崭咴酱?，焦炭塔的利用率越低，但油氣在塔內(nèi)的沉降時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)減少油氣線和分餾塔內(nèi)結(jié)焦有利。焦炭塔直徑和高度相互補(bǔ)充，當(dāng)裝置處理量、操作條件確定后，直徑增大可以適當(dāng)降低高度，高度增加也可以適當(dāng)減少塔徑。國(guó)內(nèi)在過(guò)去建設(shè)的焦炭塔的直徑一般為5.4～6.4米，其高徑比一般為3～4。最近建設(shè)的大直徑焦炭塔的高徑比一般為2～3。美國(guó)焦炭塔的高徑比一般為2～3。

焦炭塔的直徑和高度受到冷焦和除焦能力、設(shè)備制造、運(yùn)輸、吊裝等的限制，直徑不宜太大和太高，美國(guó)目前運(yùn)行的最大焦炭塔的直徑為9.14米。建議在裝置處理量較大，采用一爐二塔使焦炭塔的直徑和高度特別龐大時(shí)，采用縮短生焦時(shí)間或二爐四塔或三爐六塔更為適宜。

3.焦炭塔相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

焦炭塔的相關(guān)系統(tǒng)主要是吹汽放空、給水冷焦及冷焦水處理、水力除焦及切焦水處理、油氣預(yù)熱等。焦炭塔的大小和焦炭塔的操作周期對(duì)其相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響，焦炭塔的大小和操作周期不同，假設(shè)到達(dá)同樣的處理效果，操作自動(dòng)化程度、吹入蒸汽的流量、冷焦水的流量、切焦水壓力和流量、油氣預(yù)熱流量不會(huì)同，即其相應(yīng)系統(tǒng)的配置有較大的差異，因此在確定焦炭塔的大小和生焦周期時(shí)應(yīng)慎重考慮。采用較短的生焦時(shí)間可表達(dá)裝置的設(shè)計(jì)水平，美國(guó)經(jīng)常采用的是16～18小時(shí)，而國(guó)內(nèi)都是采用24小時(shí)。這不僅和操作管理及工作制度有關(guān)，而且和焦炭塔的設(shè)計(jì)及配套系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)，在設(shè)計(jì)焦炭塔時(shí)應(yīng)分別給于考慮。

3.1

吹汽放空系統(tǒng)

焦炭塔停止生焦以后，未反響的渣油和反響生成的局部油氣停留在焦炭塔內(nèi)，假設(shè)不去除將影響焦炭的質(zhì)量和增加冷焦水中的油含量。通常先少量吹入蒸汽，從焦炭塔焦層汽提輕質(zhì)油品至焦化分餾塔，小吹汽的蒸汽量和焦炭塔的直徑、焦炭產(chǎn)量、生焦時(shí)間有關(guān)，在生焦時(shí)間短，焦炭塔直徑大、焦炭產(chǎn)量多的情況下，要使焦炭塔中的輕油充分吹出,應(yīng)加大蒸汽量,但蒸汽量的增加將受到分餾塔設(shè)計(jì)的限制，一般為2～5.0t/h。小吹汽后，焦炭塔內(nèi)仍然存在許多重質(zhì)污油，應(yīng)該用大量蒸汽進(jìn)行汽提，蒸汽量一般為8～18t/h，視塔徑及焦炭產(chǎn)量不同而定，此時(shí)再進(jìn)分餾塔，將影響分餾塔的操作。因此在焦化裝置設(shè)置吹汽放空系統(tǒng)，專門(mén)處理焦炭塔大吹汽時(shí)吹出的油汽和給水冷焦時(shí)產(chǎn)生的含油蒸汽。目前國(guó)內(nèi)的吹汽放空系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)為密閉的油吸收式放空系統(tǒng)，該系統(tǒng)是用蠟油吸收油汽中的污油，用空冷器或水冷器冷凝未被吸收的蒸汽及輕質(zhì)油氣，該系統(tǒng)不僅減少了環(huán)境污染，而且回收了大量的污油和污水。放空塔的設(shè)計(jì)和大吹汽的蒸汽流量有關(guān)，最大空塔氣速以吸收油品不被蒸汽夾帶為原那么，放空塔塔徑根據(jù)蒸汽及油氣流量和允許空塔氣速確定，吸收及換熱擋板根據(jù)入口蒸汽中含油量和換熱量確定。國(guó)內(nèi)外一般采用擋板作為吸收換熱板，擋板數(shù)量為8～16層。在確定焦炭塔直徑的同時(shí)應(yīng)考慮放空塔直徑和放空系統(tǒng)的冷凝冷卻器的設(shè)計(jì)。大直徑的焦炭塔和短的生焦時(shí)間，需要的汽提蒸汽量大，配套的放空塔及冷凝冷卻器也應(yīng)該加大。

3.2

給水冷焦及冷焦水處理系統(tǒng)

在焦炭塔拆卸塔頂?shù)咨w以前，必須把焦炭塔冷卻到焦炭的自燃點(diǎn)以下或更低，防止翻開(kāi)塔頂?shù)咨w后發(fā)生焦炭自燃和大量油汽外出影響環(huán)境。通常是向塔內(nèi)通入少量的水〔約10～30t/h〕，水在塔內(nèi)汽化吸熱冷卻焦炭，產(chǎn)生的蒸汽排至放空系統(tǒng)進(jìn)行處理，再向塔內(nèi)大量給水〔200～400t/h〕，使焦炭塔充滿并溢流，冷卻焦炭至100℃以下，然后自底部排水至冷焦水處理系統(tǒng)。焦炭塔的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮給水冷焦，給水冷焦的操作條件又決定著冷焦水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。焦炭塔直徑越大，徑向焦層厚度增加，塔壁處焦炭不易被冷卻，另外焦炭塔體積增大，充滿焦炭塔需要的一次冷卻水量增加，因此冷焦水的給水量和冷卻時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。冷焦水處理系統(tǒng)應(yīng)該考慮加大冷焦水熱水和冷水的貯罐或貯水池，滿足一次冷焦使用，冷焦水冷水泵和熱水泵也應(yīng)考慮選用大流量泵，保證能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)充滿焦炭塔。冷焦水處理系統(tǒng)的旋流除油器、冷卻器可以考慮延長(zhǎng)操作時(shí)間，不一定按焦炭塔塔徑的增加而選用的太大。焦炭塔的給水線特別是放水線應(yīng)加大直徑，防止放水時(shí)間太長(zhǎng)。在冷焦操作時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)大吹汽后小給水時(shí)，焦炭未硬結(jié)塌落，導(dǎo)致給水不暢通，有的煉油廠采用先大給水使通道的焦炭固化，再由小給水過(guò)渡到大給水，效果比擬明顯。

焦炭塔的最大操作荷重應(yīng)考慮冷焦操作，因?yàn)槔浣共僮鲿r(shí)焦炭塔內(nèi)充滿水，水中有焦炭，焦炭的真比重大于水，最大操作荷重為水的重量加焦炭的重量。

3.3

水力除焦及冷切焦水處理

水力除焦及切焦水處理系統(tǒng)主要包括高壓水泵、控制閥、高壓膠管、鉆桿、切焦器、鉆機(jī)絞車、塔底蓋裝卸機(jī)、焦炭抓斗、切焦水沉淀池、切焦水貯水罐〔或貯水池〕等。上述設(shè)備的設(shè)計(jì)及選型應(yīng)和焦炭塔的設(shè)計(jì)相配套。高壓水泵的壓力和流量和焦炭塔內(nèi)的生焦量、焦炭塔直徑、焦炭硬度和切焦時(shí)間有關(guān)，一般情況下生焦量大、切焦時(shí)間要求的短、焦炭硬、焦炭塔直徑大要求的切焦水的壓力和流量就大。焦炭塔直徑增加，切焦水流量和壓力也應(yīng)加大。高壓膠管、控制閥、鉆桿、切焦器的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)按高壓水泵最高出口壓力考慮，目前國(guó)產(chǎn)的該類設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力有32Mpa和42Mpa兩種。

鉆機(jī)絞車、控制閥、高壓水泵、高壓水切斷閥等的聯(lián)鎖控制操作也是焦炭塔輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容之一，該系統(tǒng)采用PLC測(cè)定鉆桿位置、鉆桿轉(zhuǎn)速、除焦水壓力、鋼絲繩拉力等并顯示其數(shù)值，通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)除焦過(guò)程的平安操作。塔底蓋裝卸機(jī)和焦炭塔下出焦口的高度及大小有關(guān)，目前國(guó)內(nèi)φ5400~φ6800的焦炭塔下出焦口為φ1600，φ8400~φ8800的焦炭塔下出焦口為φ1800。為縮短塔頂?shù)咨w的拆裝時(shí)間、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，應(yīng)逐步考慮采用自動(dòng)卸蓋機(jī)，國(guó)外已有成熟的技術(shù)，國(guó)內(nèi)正在研究開(kāi)發(fā)當(dāng)中。

焦炭抓斗的大小和除焦速度有關(guān)，大直徑焦炭生焦量多，同樣的除焦時(shí)間，單位時(shí)間內(nèi)除焦量大，抓斗應(yīng)及時(shí)把除下的焦炭抓走，因此應(yīng)考慮選用抓吊量大的抓斗吊車。

切焦水沉淀池的設(shè)計(jì)和切焦水的流速及停留時(shí)間相關(guān)，切焦水流量增加，到達(dá)同樣的處理效果應(yīng)延長(zhǎng)停留時(shí)間，因此應(yīng)考慮適當(dāng)加大切焦水沉淀池或設(shè)切焦水過(guò)濾器。

切焦水貯罐是高壓水泵的進(jìn)料緩沖罐，其大小應(yīng)滿足一次切焦用水的要求，高壓水泵需要的汽蝕余量〔NPSHR〕，對(duì)該罐的設(shè)計(jì)也有影響，焦炭塔直徑越大，一次切焦水耗量越多，高壓水泵流量越大，泵的汽蝕余量越大，因此設(shè)計(jì)切焦水貯罐時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)加大直徑和增加高度。

大給水冷焦水的流量和焦炭塔直徑、焦炭產(chǎn)量和冷焦時(shí)間有關(guān)，給水冷焦時(shí)徑向的冷卻速度約為：2.4米/時(shí)，當(dāng)水蔓過(guò)焦層時(shí)應(yīng)侵泡2小時(shí)或塔滿后溢流1小時(shí)方能把φ9400塔內(nèi)的焦炭冷卻，在確定焦炭塔直徑時(shí)應(yīng)充分考慮冷焦時(shí)間和冷焦水的流量。

3.4

焦炭塔的油氣預(yù)熱系統(tǒng)

焦炭塔在切換新的進(jìn)料以前，必須進(jìn)行蒸汽試壓和油氣預(yù)熱，通常預(yù)熱到300℃以上。其主要目的是使塔體逐漸預(yù)熱升溫，防止塔體由于溫差太大、疲勞壽命減少使塔體變形和防止由于巨大的塔體吸熱、降低初始反響溫度而產(chǎn)生出較軟的焦炭。焦炭塔的預(yù)熱時(shí)間和焦炭塔的大小及預(yù)熱油氣量有關(guān)，焦炭塔越大，在一定的時(shí)間內(nèi)完成塔體預(yù)熱需要的油氣量越多。焦炭塔的油氣預(yù)熱是把生產(chǎn)塔的油氣通過(guò)焦炭塔頂出口油氣線引至預(yù)熱塔，被冷凝冷卻的油氣混合物自塔底轉(zhuǎn)油線進(jìn)入甩油罐〔氣液別離罐〕，未凝油氣返回分餾塔，凝縮油的溫度、流量和組成隨著預(yù)熱的時(shí)間進(jìn)程而變化，前期溫度低、含水較多，后期溫度較高、油品較重。煉油廠通常把含水的凝縮油〔<120℃〕經(jīng)冷卻后送至污油罐，而把高溫的凝縮油〔≥120℃〕直接送到分餾塔下部回?zé)挕Ｔ诮固克O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮油氣預(yù)熱系統(tǒng)設(shè)備及閥門(mén)的大小。一般而言，焦炭塔直徑越大，油氣線上的閥門(mén)越大，甩油罐及甩油泵越大，焦炭塔的油氣預(yù)熱對(duì)分餾塔熱平衡及物料平衡的影響也越大。油氣管線上的電動(dòng)環(huán)閥應(yīng)可調(diào)節(jié)，平衡兩路氣體的壓力，控制適宜的預(yù)熱速度。

4.小結(jié)

焦炭塔是焦化裝置的核心設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)不僅應(yīng)考慮影響焦炭塔本身結(jié)構(gòu)尺寸的因素，而且還應(yīng)考慮焦炭塔的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其相關(guān)系統(tǒng)的影響。因此焦炭塔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮原料性質(zhì)，裝置規(guī)模，產(chǎn)品分布，操作溫度，操作壓力，循環(huán)比，泡沫層高度，生焦時(shí)間，焦炭塔的制造、運(yùn)輸、安裝、熱處理等因素來(lái)確定合理的焦炭塔規(guī)格。水力除焦機(jī)械、吹汽放空塔、冷切焦水處理設(shè)備、油氣管線閥門(mén)及甩油罐的設(shè)計(jì)與選型應(yīng)和焦炭塔的設(shè)計(jì)配套，該配套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)水平也將直接影響到焦炭塔的設(shè)計(jì)，焦炭塔的設(shè)計(jì)應(yīng)成套化設(shè)計(jì)。