SEI第二屆延遲焦化年會論文〔5〕

焦炭塔工藝設計應考慮的幾個問題

中國石化工程建設公司

李出和

1.概述

延遲焦化裝置的主要設備有加熱爐、焦炭塔、分餾塔、放空塔、加熱爐進料泵、水力除焦機械等，其中加熱爐被認為是焦化裝置的關鍵設備，而焦炭塔那么是焦化裝置的核心設備。因為焦炭塔是焦化裝置的反響器，加熱爐、分餾塔、放空系統、冷切焦水處理系統、水力除焦系統等的設計均與之有關。雖然焦炭塔是一個空筒設備，但它的設計涉及到幾乎全裝置的工藝過程，因此在焦炭塔的工藝設計不僅要考慮焦炭塔的規格尺寸設計，還應考慮與之相關系統的設計。

.焦炭塔直徑和高度確實定

焦炭塔的直徑和高度主要取決于裝置的處理量、原料性質、操作溫度、操作壓力和循環比。裝置的處理量是決定焦炭塔大小的主要參數，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的允許氣速決定的。原料進入焦炭塔，在塔內適宜的壓力、溫度和停留時間的條件下發生裂解和縮合反響，裂解反響產生氣體及輕質及中質油品，縮合反響生成焦炭并停留在塔內。在焦炭層以上為主要反響區，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℃。熱態的焦炭層高度一般高于冷態的焦炭高度。隨著原料的不斷進入，產生的焦炭量增加，焦炭層高度增加，泡沫層也隨之連續升高。

由于泡沫層為反響區，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，導致管線結焦和分餾塔內結焦影響正常操作和產品質量，因此應考慮焦炭塔內油氣的適宜氣速，適宜氣速應該是泡沫夾帶的臨界氣速乘上一個平安系數。據資料報導，國外在焦炭塔內不注入消泡劑時，設計焦炭塔內油氣氣速一般為0.11～0.17m/s。在使用消泡劑時，由于泡沫層密度變大，設計焦炭塔內油氣速度一般為0.12～0.21m/s。根據適宜的油氣速度和焦炭塔內的實際油氣流量來考慮焦炭塔的直徑，為減少泡沫夾帶，新設計焦炭塔建議采用低的油氣速度，國內焦炭塔設計的油氣速度一般低于0.10～0.15m/s。

焦炭塔內的油氣體積流量和渣油進料量、原料性質、操作條件有密切的關系。在確定焦炭塔的直徑以前應首先確定焦炭塔的操作條件和產品分布。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、膠質和瀝青質，瀝青質含量高及殘炭值高的渣油生焦率較高，液體收率較低，同等處理量的焦炭塔內的油氣體積流量小，應采用較小直徑的焦炭塔，反之應采用較大直徑的焦炭塔。當原料性質確定后，對焦炭塔規格影響較大的主要是循環比、反響溫度和壓力。循環比減少，循環油量減少，氣體、汽油、柴油收率下降，焦炭塔內的油氣體積流量減少，適宜采用較小直徑的焦炭塔；循環比增加，循環油量增加，氣體、汽油、柴油收率提高，焦炭塔內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液體產品收率，但調整的幅度是很窄的。一般情況下是根據原料性質確定最正確的操作溫度，采用較高的焦化爐出口溫度時可適當放大焦炭塔的直徑。采用低壓操作可改善焦化產品分布，在國內外已普遍認可，國內焦炭塔頂操作壓力一般為0.15～0.18Mpa，國外最低的到達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，勢必使焦炭塔的塔徑加大，裝置的投資增加，因此應綜合設備投資、操作費用和產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料的1.0～1.5％考慮，在線清焦時應考慮減少渣油進料，增加蒸汽量，蒸汽量可按2～8/h考慮。焦炭塔底閥門的汽封一般考慮0.3～0.6t/h的蒸汽量。

在根本確定焦炭塔的直徑后，根據原料性質、焦炭產率、生焦時間、泡沫層高度來確定焦炭塔的高度。焦炭產率和原料性質、操作條件有關，泡沫層高度和原料性質、反響溫度及壓力有關。當在焦炭塔內注入消泡劑后，泡沫層的高度減少。當單塔處理能力、原料性質和操作條件確定后，塔內的焦層高度主要確定于生焦時間。目前國內焦化裝置設計的生焦時間均為24小時，國外焦化生焦時間一般為10～24小時，采用18小時的占大多數，采用短的生焦時間，可以提高焦炭塔的利用率，或者同等規模的焦炭塔的高度減少。在確定焦炭塔高度時應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，國內設計的焦炭塔一般平安空高3～5米，國外焦炭塔的平安空高一般為2～3米。空高越大，焦炭塔的利用率越低，但油氣在塔內的沉降時間延長，對減少油氣線和分餾塔內結焦有利。焦炭塔直徑和高度相互補充，當裝置處理量、操作條件確定后，直徑增大可以適當降低高度，高度增加也可以適當減少塔徑。國內在過去建設的焦炭塔的直徑一般為5.4～6.4米，其高徑比一般為3～4。最近建設的大直徑焦炭塔的高徑比一般為2～3。美國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、設備制造、運輸、吊裝等的限制，直徑不宜太大和太高，美國目前運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，采用縮短生焦時間或二爐四塔或三爐六塔更為適宜。

3.焦炭塔相關系統的設計

焦炭塔的相關系統主要是吹汽放空、給水冷焦及冷焦水處理、水力除焦及切焦水處理、油氣預熱等。焦炭塔的大小和焦炭塔的操作周期對其相關系統的設計產生較大影響，焦炭塔的大小和操作周期不同，假設到達同樣的處理效果，操作自動化程度、吹入蒸汽的流量、冷焦水的流量、切焦水壓力和流量、油氣預熱流量不會同，即其相應系統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應慎重考慮。采用較短的生焦時間可表達裝置的設計水平，美國經常采用的是16～18小時，而國內都是采用24小時。這不僅和操作管理及工作制度有關，而且和焦炭塔的設計及配套系統設計有關，在設計焦炭塔時應分別給于考慮。

3.1

吹汽放空系統

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，假設不去除將影響焦炭的質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、焦炭產量、生焦時間有關，在生焦時間短，焦炭塔直徑大、焦炭產量多的情況下，要使焦炭塔中的輕油充分吹出,應加大蒸汽量,但蒸汽量的增加將受到分餾塔設計的限制，一般為2～5.0t/h。小吹汽后，焦炭塔內仍然存在許多重質污油，應該用大量蒸汽進行汽提，蒸汽量一般為8～18t/h，視塔徑及焦炭產量不同而定，此時再進分餾塔，將影響分餾塔的操作。因此在焦化裝置設置吹汽放空系統，專門處理焦炭塔大吹汽時吹出的油汽和給水冷焦時產生的含油蒸汽。目前國內的吹汽放空系統一般設計為密閉的油吸收式放空系統，該系統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油氣，該系統不僅減少了環境污染，而且回收了大量的污油和污水。放空塔的設計和大吹汽的蒸汽流量有關，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入口蒸汽中含油量和換熱量確定。國內外一般采用擋板作為吸收換熱板，擋板數量為8～16層。在確定焦炭塔直徑的同時應考慮放空塔直徑和放空系統的冷凝冷卻器的設計。大直徑的焦炭塔和短的生焦時間，需要的汽提蒸汽量大，配套的放空塔及冷凝冷卻器也應該加大。

3.2

給水冷焦及冷焦水處理系統

在焦炭塔拆卸塔頂底蓋以前，必須把焦炭塔冷卻到焦炭的自燃點以下或更低，防止翻開塔頂底蓋后發生焦炭自燃和大量油汽外出影響環境。通常是向塔內通入少量的水〔約10～30t/h〕，水在塔內汽化吸熱冷卻焦炭，產生的蒸汽排至放空系統進行處理，再向塔內大量給水〔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。焦炭塔的設計應考慮給水冷焦，給水冷焦的操作條件又決定著冷焦水處理系統的設計。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間應適當延長。冷焦水處理系統應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考慮選用大流量泵，保證能在規定的時間內充滿焦炭塔。冷焦水處理系統的旋流除油器、冷卻器可以考慮延長操作時間，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加大直徑，防止放水時間太長。在冷焦操作時，經常出現大吹汽后小給水時，焦炭未硬結塌落，導致給水不暢通，有的煉油廠采用先大給水使通道的焦炭固化，再由小給水過渡到大給水，效果比擬明顯。

焦炭塔的最大操作荷重應考慮冷焦操作，因為冷焦操作時焦炭塔內充滿水，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主要包括高壓水泵、控制閥、高壓膠管、鉆桿、切焦器、鉆機絞車、塔底蓋裝卸機、焦炭抓斗、切焦水沉淀池、切焦水貯水罐〔或貯水池〕等。上述設備的設計及選型應和焦炭塔的設計相配套。高壓水泵的壓力和流量和焦炭塔內的生焦量、焦炭塔直徑、焦炭硬度和切焦時間有關，一般情況下生焦量大、切焦時間要求的短、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加大。高壓膠管、控制閥、鉆桿、切焦器的設計壓力應按高壓水泵最高出口壓力考慮，目前國產的該類設備的設計壓力有32Mpa和42Mpa兩種。

鉆機絞車、控制閥、高壓水泵、高壓水切斷閥等的聯鎖控制操作也是焦炭塔輔助系統設計的內容之一，該系統采用PLC測定鉆桿位置、鉆桿轉速、除焦水壓力、鋼絲繩拉力等并顯示其數值，通過程序控制實現除焦過程的平安操作。塔底蓋裝卸機和焦炭塔下出焦口的高度及大小有關，目前國內φ5400~φ6800的焦炭塔下出焦口為φ1600，φ8400~φ8800的焦炭塔下出焦口為φ1800。為縮短塔頂底蓋的拆裝時間、降低勞動強度，應逐步考慮采用自動卸蓋機，國外已有成熟的技術，國內正在研究開發當中。

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

切焦水沉淀池的設計和切焦水的流速及停留時間相關，切焦水流量增加，到達同樣的處理效果應延長停留時間，因此應考慮適當加大切焦水沉淀池或設切焦水過濾器。

切焦水貯罐是高壓水泵的進料緩沖罐，其大小應滿足一次切焦用水的要求，高壓水泵需要的汽蝕余量〔NPSHR〕，對該罐的設計也有影響，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，因此設計切焦水貯罐時應考慮適當加大直徑和增加高度。

大給水冷焦水的流量和焦炭塔直徑、焦炭產量和冷焦時間有關，給水冷焦時徑向的冷卻速度約為：2.4米/時，當水蔓過焦層時應侵泡2小時或塔滿后溢流1小時方能把φ9400塔內的焦炭冷卻，在確定焦炭塔直徑時應充分考慮冷焦時間和冷焦水的流量。

3.4

焦炭塔的油氣預熱系統

焦炭塔在切換新的進料以前，必須進行蒸汽試壓和油氣預熱，通常預熱到300℃以上。其主要目的是使塔體逐漸預熱升溫，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生出較軟的焦炭。焦炭塔的預熱時間和焦炭塔的大小及預熱油氣量有關，焦炭塔越大，在一定的時間內完成塔體預熱需要的油氣量越多。焦炭塔的油氣預熱是把生產塔的油氣通過焦炭塔頂出口油氣線引至預熱塔，被冷凝冷卻的油氣混合物自塔底轉油線進入甩油罐〔氣液別離罐〕，未凝油氣返回分餾塔，凝縮油的溫度、流量和組成隨著預熱的時間進程而變化，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煉。在焦炭塔設計時應考慮油氣預熱系統設備及閥門的大小。一般而言，焦炭塔直徑越大，油氣線上的閥門越大，甩油罐及甩油泵越大，焦炭塔的油氣預熱對分餾塔熱平衡及物料平衡的影響也越大。油氣管線上的電動環閥應可調節，平衡兩路氣體的壓力，控制適宜的預熱速度。

4.小結

焦炭塔是焦化裝置的核心設備，在設計時不僅應考慮影響焦炭塔本身結構尺寸的因素，而且還應考慮焦炭塔的結構尺寸對其相關系統的影響。因此焦炭塔設計時應綜合考慮原料性質，裝置規模，產品分布，操作溫度，操作壓力，循環比，泡沫層高度，生焦時間，焦炭塔的制造、運輸、安裝、熱處理等因素來確定合理的焦炭塔規格。水力除焦機械、吹汽放空塔、冷切焦水處理設備、油氣管線閥門及甩油罐的設計與選型應和焦炭塔的設計配套，該配套系統的設計能力和設計水平也將直接影響到焦炭塔的設計，焦炭塔的設計應成套化設計。