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　　摘要： 針對國內(nèi)延遲焦化裝置放空冷卻系統(tǒng)在實際運行中存在著塔內(nèi)件大量脫落、焦粉攜帶嚴重、塔頂冷卻系統(tǒng)易堵塞掛蠟、塔頂油水分離差的普遍問題，以中石油某裝置的具體改造為例，利用開發(fā)的一種專利技術(shù)，通過流程優(yōu)化、設(shè)備改進，有效提高放空塔焦粉洗滌效果，減緩塔頂系統(tǒng)堵塞，防止冷卻器掛蠟，改善油水分離效果，保證放空塔系統(tǒng)平穩(wěn)、長周期、安全運行。

　　關(guān)鍵詞：延遲焦化 放空塔 焦粉捕集洗滌 分布器 霧化噴嘴 掛蠟

　　延遲焦化裝置的放空系統(tǒng)目前一般采用塔底重污油密閉循環(huán)接觸冷卻流程，用塔底重油冷凝吸收焦炭塔冷焦過程中蒸汽攜帶的油氣。典型流程如圖1所示。

圖1 典型吹汽放空系統(tǒng)流程

　　焦炭塔吹汽、冷焦時產(chǎn)生的大量蒸汽及少量油氣進入放空冷卻塔，塔底污油經(jīng)泵提壓經(jīng)冷卻水箱冷卻至90℃，一部分作冷回流返回放空冷卻塔頂與油氣逆向接觸，完成洗滌、換熱、吸收功能；一部分裝置內(nèi)回?zé)捇蜃鰹橹匚塾退统鲅b置；塔頂蒸汽及油氣經(jīng)放空冷卻塔頂空冷器、放空冷卻塔頂后冷器冷凝冷卻后，進入放空冷卻塔頂三相分離器，分出的污油由放空冷卻塔頂污油泵送至污油罐，污水可排入冷焦水罐作為補充水，也可排入酸性水污水管網(wǎng)出裝置。塔底污油裝置內(nèi)回?zé)捯话阌袔追N去向，或為焦炭塔反應(yīng)油氣急冷用，或到分餾塔回?zé)?，也有回到原料緩沖罐。

　　一、存在問題

　　1、普遍問題

　　1）擋板脫落嚴重

　　一般放空塔均采用10層左右的人字型或鴨嘴型擋板，主要起到提供換熱空間、使油氣冷凝、回收凝縮油的作用。經(jīng)過調(diào)研，國內(nèi)焦化裝置大部分都存在擋板脫落問題，比較嚴重的，檢修時發(fā)現(xiàn)僅有頂部的兩三層擋板，其他都脫落在塔底。有的裝置還因為掉落在塔釜的擋板緊固件如螺栓等，造成塔底泵抽空。

　　2）塔頂冷卻效果差

　　放空塔的擋板操作效率低，對焦粉洗滌作用差，部分重油仍進入塔頂氣相，經(jīng)過冷卻系統(tǒng)時變?yōu)橐合啵又薪狗?，容易在管束上附著，造成空冷器和后冷器管束上掛蠟，影響換熱效果，導(dǎo)致停工檢修頻繁；由于換熱效果無法保證，進入三相分離器的溫度超標，放空氣相帶水過多，威脅火炬安全。

　　3）放空塔頂油水分離差

　　放空塔效率低，部分重油上行到塔頂進入三相分離器。分離器內(nèi)油水密度差極小，乳化嚴重，雖然大部分裝置設(shè)置的分離器罐容較大，油水仍然分離不好。污油含水率高，不易處理；污水含油率高，污油回收率下降，同時，污水焦粉含量高，造成下游酸性水汽提裝置生產(chǎn)周期大幅縮短。某裝置污水性質(zhì)如表1。

表1 放空塔頂污水組成

性質(zhì)

單位

污水組成

PH

8.0

COD

mg/l

24600

石油類

mg/l

3545.6

硫化物

mg/l

52.45

氨氮

mg/l

100.7

揮發(fā)分

mg/l

58.40

外觀

蛋黃乳狀液

　　部分裝置的放空塔頂污水與分餾塔頂酸性水合并經(jīng)酸性水自動反沖洗過濾器過濾后至下游酸性水汽提裝置，據(jù)調(diào)研，反沖洗頻率高、下游酸性水汽提裝置換熱器結(jié)垢（見圖2）及汽提塔塔盤堵塞等問題突出，實際生產(chǎn)中大部分將放空塔頂污水改至冷焦水罐作為冷切焦水的補水，或直接排放焦池，導(dǎo)致冷焦水罐周圍H2S濃度超標，工人在巡檢時需佩戴防毒面具，存在安全和環(huán)保隱患。

圖2酸性水汽提塔進料換熱器管束外壁結(jié)垢情況

　　2、某裝置的具體問題

　　某中石油延遲焦化裝置于2006年建成投產(chǎn)，采用的是如圖1所示的典型放空流程，設(shè)置分油機與油水分離器的區(qū)別是什么了塔底加熱器。放空塔內(nèi)11層擋板，塔徑為4m，切線高度12.1m，板間距700mm。

　　2010年對內(nèi)件進行全部更換，由鴨嘴板改為人字板。據(jù)車間反映，每次檢修放空塔，塔內(nèi)基本僅剩頂部兩三層；每次開工月余便發(fā)現(xiàn)，測量塔底液位的浮球卡住，分析應(yīng)是掉落的塔板造成。

　　操作上存在的問題基本上與延遲焦化裝置放空系統(tǒng)的普遍情況類似。具體數(shù)據(jù)有：小給水量能控制在60-100 t/h以下；塔頂回流量約90 t/h；塔底溫度較低，約110℃；未啟用塔底加熱器；塔頂空冷效果差，冷后溫度超過100℃；塔頂三相分離器油水分離效果差，只能油水混合進泵升壓送至污油罐沉降脫水。

　　二、原因分析

　　1、擋板脫落問題分析

　　放空塔操作是間歇的，波動的，進料量和進料性質(zhì)始終是變化的。為分油機與油水分離器的區(qū)別是什么了定量掌握其操作情況，對該改造裝置的放空塔分工況進行模擬計算。主要模擬工況有：大給汽、小給水初期、小給水中期、小給水末期及安全閥泄壓的最大工況。

　　通過對放空塔的模擬分析，在小給水末期，給水量大幅提高，放空塔進料線入放空塔口處氣速高達70-80m/s。據(jù)車間反映，放空塔進料線上的壓控閥失效，小給水末期常常給水量超過100t/h，而放空塔壓力是通過火炬背壓平衡的，一般設(shè)計按0.08MPa（g），實際為0.03MPa（g）左右，焦炭塔與放空塔壓差過大，造成油氣體積流量大幅增加，尤其是放空塔入口氣速超過100m/s。對此進行流場CFD模擬，塔內(nèi)氣速在很高的空間內(nèi)不能達到均勻，對內(nèi)件擋板形成巨大沖擊。2008年之前投產(chǎn)的延遲焦化裝置放空塔絕大部分沒有設(shè)置進料分布器，這充分解釋了大部分裝置擋板脫落的問題，不管是人字擋板還是鴨嘴板，無論管卡式的還是固定焊接式的。

　　引進美國福斯特惠勒（簡稱FW）公司工藝包的某裝置放空塔，設(shè)置了切線喇叭口型式的進料分布器，人字擋板為管卡固定型式。在第一次檢修時發(fā)現(xiàn)有6層擋板脫落，進料分布器末端約有長度達1m的裂紋，后補焊，并將擋板焊死。第二次檢修時仍有4層脫落。據(jù)稱，第二次脫落可能是停工吹掃時蒸汽量過大引起的，據(jù)估計最大量約100t/h。其放空塔進料線DN900，水平管段有5m左右，有一定的緩沖功能。

　　通過以上模擬計算和類比分析，改造裝置進料段管徑偏小，須擴徑，并增加進料分布器，同時進料管段需要足夠長的水平管段以緩沖對分布器的沖擊。

　　2、塔頂冷卻系統(tǒng)焦粉堵塞、掛蠟問題分析

　　根據(jù)實際生產(chǎn)中存在的事故現(xiàn)象綜合分析，塔頂冷卻系統(tǒng)焦粉堵塞、掛蠟問題歸根結(jié)底是沒有解決好放空塔油氣中焦粉的洗滌問題和輕重污油的分離問題，焦粉及過多的重質(zhì)污油隨氣相進入塔頂冷卻系統(tǒng)才導(dǎo)致了其掛蠟等一系列安全問題。只有從源頭上，在放空塔內(nèi)解決掉這兩個問題，才能對后續(xù)的空冷、水冷系統(tǒng)提供更好的操作介質(zhì)條件。

　　傳統(tǒng)流程采用塔底污油冷卻后部分返回到放空塔上部做洗滌油，一方面控制塔頂溫度，另一方面對放空氣體進行洗滌，減少焦粉夾帶。中石油華東設(shè)計院有限公司（簡稱CEI）發(fā)明專利---《一種延遲焦化放空冷卻系統(tǒng)及其應(yīng)用》（專利號ZL201310520929.2）對放空流程進行優(yōu)化。放空塔內(nèi)分為上下兩個功能區(qū)，其下段為焦粉洗滌捕集區(qū)，采用塔底重質(zhì)餾分油做洗滌油，洗滌油量大，可以有效地提高焦粉捕集效率。借鑒噴淋接觸型洗滌器的原理，將洗滌油霧化成細小液滴后，依靠眾多的分散液滴與逆向而行的攜帶了焦粉顆粒的氣相充分接觸，實現(xiàn)對其中大多數(shù)焦粉顆粒的捕集。如圖3。

圖3 噴淋器原理圖

　　洗滌分離的關(guān)鍵是要使氣-液兩相充分接觸，液滴均勻分散于氣相內(nèi)，增加液體與固體焦粉顆粒的碰撞概率，液滴對固體顆粒進行攔截、團聚等作用捕集焦粉顆粒。在塔內(nèi)每隔一定距離布置一層噴嘴，則捕集效率會有更多提高。

　　通過提供更大的洗滌油量和放空塔內(nèi)件的優(yōu)化，可以最大限度的捕集焦粉，保證進入塔頂冷卻系統(tǒng)的油氣更加清潔，有力地解決塔頂系統(tǒng)由于焦粉攜帶引起的堵塞等事故。

　　三、優(yōu)化技術(shù)的改造應(yīng)用

　　1、解決擋板脫落問題

　　為有效控制焦炭塔壓力平穩(wěn)，緩解焦炭塔放空操作給水時油氣量急劇攀升對放空塔內(nèi)件沖擊，更換放空塔進料線壓控閥。

　　放空線入塔段擴徑并增加直管段，降低氣速，減少對分布器及塔內(nèi)件的沖擊，防止震動開裂脫落。

　　塔內(nèi)增設(shè)進料分布器，高速油氣進塔后能快速在塔截面達到均勻分布。改造效果CFD 模擬見圖4。

圖4 某改造裝置放空塔進料線改造CFD 模擬

　　圖4中右側(cè)的兩組對比圖是配合分布器使用的一個分離器（蘇爾壽），其主要作用就是大幅度的減少物料的旋轉(zhuǎn)，起到鎮(zhèn)靜作用，從而使得輕、重物料更加容易分離，尤其適合氣速高，前路的管路較長且相對復(fù)雜的場合。

　　2、解決焦粉攜帶問題

　　借鑒FW公司的焦化分餾塔內(nèi)脫過熱段的洗滌噴淋技術(shù)，其核心是利用雙層霧化噴嘴的良好的霧化效果，提供很好的傳質(zhì)傳熱接觸空間，能保證低循環(huán)比條件下最低側(cè)線蠟油的性質(zhì)，并冷凝出循環(huán)油。該技術(shù)移植應(yīng)用于放空塔內(nèi)，將顯著提高塔內(nèi)氣體焦粉洗滌捕集效果和輕重污油的分離效率，減少焦粉和重質(zhì)餾分油上行影響塔頂冷卻系統(tǒng)。良好的氣液接觸空間不僅需要有良好的噴淋霧化，還應(yīng)保證上行氣體的均勻分布。

　　越細密的霧化液滴能提供更大的接觸面積，對傳質(zhì)有利，但是霧沫夾帶越嚴重；合適的液滴粒徑范圍和噴淋密度是焦粉捕集、洗滌效果的保證。

　　液滴霧化要求是噴嘴選型的關(guān)鍵，合理的噴嘴布置能保證液滴覆蓋，防止氣體走短路。而適宜的噴淋密度是由洗滌油流量決定的，同時，噴嘴有一定的操作彈性，當壓力或流量波動時，偏離其最佳工作范圍的時候，分布效果會變差?？紤]到以上因素，改造設(shè)計時盡量穩(wěn)定流量，保證噴淋密度。而實際生產(chǎn)中的進塔物料組成、溫度時刻變化，要維持塔頂溫度穩(wěn)定，保證洗滌油流量基本穩(wěn)定的前提下，須通過調(diào)整洗滌油即回流溫度來實現(xiàn)。

　　塔底2#熱回流霧化粒徑大，主要起到捕集焦粉顆粒作用，采用流量控制。

　　塔底1#熱回流則通過主控塔底熱物料， 適量補入少量冷回流，以輔助取熱，控制總流量基本穩(wěn)定。

　　塔頂冷回流霧化粒徑小，主要起到換熱和充分吸收重油的作用，主控是冷回流，為了強化噴嘴工況最佳，總流量穩(wěn)定控制，補入少量塔底熱油。

　　不管熱回流還是冷回流，對某個工況而言，回流始終在塔內(nèi)循環(huán)，控制總量一定，熱流多，冷流自然就少，配比可以由調(diào)節(jié)閥來控制，這樣就可以在循環(huán)量穩(wěn)定的同時，通過改變其回流溫度而調(diào)整了取熱量，保證放空塔進料在波動周期內(nèi)塔頂溫度穩(wěn)定。

　　為保證洗滌油清潔，防止噴嘴堵塞，洗滌油線上應(yīng)設(shè)置一開一備的過濾器。

　　優(yōu)化的示意流程如圖5。

圖5 某裝置優(yōu)化后的放空系統(tǒng)流程

　　3、解決塔頂系統(tǒng)堵塞掛蠟問題

　　若在放空塔內(nèi)解決了焦粉攜帶和輕重污油的分離問題，則可從根本上解決塔頂系統(tǒng)的掛蠟問題。

　　通過以上放空塔功能的改進和內(nèi)件優(yōu)化，進入塔頂冷卻系統(tǒng)的油氣更加清潔，其中的重質(zhì)污油餾分含量更低，但是塔頂系統(tǒng)仍有進一步優(yōu)化的空間，即進一步對污油進行輕重分離。一方面通過采用變頻技術(shù)，嚴格控制空冷器冷后溫度防止空冷器管束內(nèi)壁掛蠟；另一方面，空冷后的介質(zhì)引入一級分液罐，將其中冷凝下來的高粘度重油分離出來作為污油出裝置，罐頂分離出的氣相進入后冷器進一步冷卻后進二級分液罐，這樣可以防止空冷器冷凝下來的重油進入后冷器冷卻時粘度過大引起管束外壁附著掛蠟。

　　CEI發(fā)明專利---《防止煉廠火炬熄火的方法及延遲焦化放空系統(tǒng)》（專利號ZL 2012 1 0313936.0），就是對放空塔頂冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化。

　　4、解決油水分離不利的問題

　　塔內(nèi)輕重污油分離效果的提高還會提高塔頂輕污油的回收率。塔頂油氣二級冷凝后，進入最終三相分離器的污油更輕，更清潔，與污水的密度差更大，分離更加容易，污水含油率應(yīng)有很大的降低，總體能提高污油回收率。

　　四、結(jié)論

　　針對放空系統(tǒng)諸如擋板脫落嚴重、塔頂冷卻效果差、油水分離不佳等普遍問題，各延遲焦化車間雖進行了操作優(yōu)化和規(guī)范，效果仍不明顯。放空系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)以某套典型裝置為例，提出了改造技術(shù)方案：一方面采用高效氣液接觸技術(shù)，提高凝縮油吸收效果，并對焦粉進行充分洗滌，有效捕集，保證塔頂氣相清潔，不攜帶重油，避免焦粉堵塞及掛蠟；另一方面，流程上進行調(diào)整、優(yōu)化，保證放空塔內(nèi)兩個功能區(qū)的最佳操作，放空系統(tǒng)的系列問題得到根本解決。

　　這種優(yōu)化技術(shù)還可以解決全廠的污油脫水問題，并實現(xiàn)污油分質(zhì)回?zé)?。改變了傳統(tǒng)輕重污油混出裝置進全廠污油系統(tǒng)走大循環(huán)回?zé)挼母吣芎牧鞒?，轉(zhuǎn)而為局部的裝置內(nèi)分質(zhì)回?zé)?，使裝置的操作波動降低到最低限度，有利于節(jié)能降耗，提高效益。

　　該優(yōu)化技術(shù)具有投資節(jié)省，實施容易，見效快的特點，適用于放空系統(tǒng)的設(shè)計和改造（改造費用一般不超過100萬元），順應(yīng)煉廠的安全、環(huán)保要求，還能獲得較好的經(jīng)濟效益，值得廣泛推廣。

　　參考文獻：

　　[1] 王松漢. [石油化工設(shè)計手冊].2002年，第3卷: 355-366頁

　　作者簡介：范海玲（1970生），女，高級工程師，山東濰坊人，長期從事石油化工裝置煉油工藝設(shè)計工作，目前就職于中石油華東設(shè)計有限公司。本文已獲得作者授權(quán)發(fā)布，如有疑問歡迎留言交流。

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