延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿的影響及優(yōu)化設(shè)計(jì)

顏 峰，謝崇亮，董 罡，邱明濤

(中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266071)

延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿的影響及優(yōu)化設(shè)計(jì)

顏 峰，謝崇亮，董 罡，邱明濤

(中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266071)

對(duì)催化裂化油漿的性質(zhì)及摻煉油漿對(duì)延遲焦化裝置造成的影響進(jìn)行分析。催化裂化油漿與減壓渣油相比具有黏度低、密度大、康氏殘?zhí)啃?、氫含量低、芳烴含量高、膠質(zhì)含量低等特點(diǎn)。某新建1.20 Mt/a延遲焦化裝置摻煉25%的催化裂化油漿后，石油焦收率增加2.7百分點(diǎn)，輕質(zhì)油(汽油+柴油)的收率下降5百分點(diǎn)，焦化蠟油收率提高2百分點(diǎn)，總液體收率下降3百分點(diǎn)，焦化蠟油的殘?zhí)亢头紵N含量、石油焦的灰分和揮發(fā)分均增加。催化裂化油漿中的催化劑顆粒在換熱器、分餾塔、加熱爐、泵及管道內(nèi)造成磨損和沉積結(jié)焦，影響裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。通過(guò)對(duì)換熱器折流板形式、加熱爐爐型、爐管厚度、清焦方式及分餾塔流程等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠減少催化劑顆粒在分餾塔及換熱器內(nèi)沉積，減緩加熱爐爐管結(jié)焦，延長(zhǎng)裝置運(yùn)行周期。

延遲焦化 催化裂化油漿 換熱器 加熱爐 分餾塔

催化裂化油漿一般作為燃料油調(diào)合油外賣(mài)，2008年后因燃料油消費(fèi)稅提高至0.8元/L，催化裂化油漿作為燃料油的市場(chǎng)需求萎縮，使煉油企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益受到影響，國(guó)內(nèi)大多數(shù)煉油廠考慮將其作為延遲焦化裝置進(jìn)料與減壓渣油混合加工。

某新建1.20 Mt/a延遲焦化裝置處理上游常減壓蒸餾裝置的部分減壓渣油及催化裂化裝置的油漿，其中催化裂化油漿占總進(jìn)料量的25%，所得焦化蠟油經(jīng)渣油加氫脫硫裝置脫硫、脫氮后作為催化裂化裝置的進(jìn)料。本課題對(duì)催化裂化油漿的性質(zhì)及摻煉油漿對(duì)延遲焦化裝置造成的影響進(jìn)行分析，并對(duì)延遲焦化裝置的設(shè)計(jì)提出優(yōu)化方案，以保證裝置安全長(zhǎng)周期運(yùn)行。

1 減壓渣油與催化裂化油漿的性質(zhì)比較

煉油廠加工原料油為沙輕、沙中和科威特混合原油，減壓渣油及催化裂化油漿的性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 減壓渣油及催化裂化油漿的性質(zhì)

1) 膠質(zhì)與瀝青質(zhì)含量的總和。

催化裂化油漿與減壓渣油相比主要有以下特點(diǎn)：密度大、黏度低、康氏殘?zhí)啃?、芳烴含量高、膠質(zhì)含量低，含有約0.5%的催化劑顆粒。其中油漿中芳烴主要為無(wú)側(cè)鏈、少側(cè)鏈和短側(cè)鏈的稠環(huán)芳烴，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)基本是焦炭前軀物[1]。

2 摻煉催化裂化油漿對(duì)延遲焦化裝置的影響

2.1 對(duì)產(chǎn)品收率的影響

在加熱爐出口溫度498 ℃、焦炭塔塔頂壓力0.15 MPa、循環(huán)比0.2的條件下，延遲焦化裝置摻煉25%的催化裂化油漿(方案一)及加工100%渣油(方案二)時(shí)的產(chǎn)品收率對(duì)比見(jiàn)表2。從表2可以看出，延遲焦化裝置摻煉25%的催化裂化油漿后，石油焦收率增加2.7百分點(diǎn)，輕質(zhì)油(汽油+柴油)的收率下降5百分點(diǎn)，焦化蠟油收率提高2百分點(diǎn)，總液體收率下降3百分點(diǎn)。

2.2 對(duì)產(chǎn)品性質(zhì)的影響

焦化液體產(chǎn)品和石油焦的性質(zhì)見(jiàn)表3～表6。由表3～表6可知，摻煉油漿以后，焦化汽油、柴油的性質(zhì)變化不大，焦化蠟油及石油焦的質(zhì)量變差，主要體現(xiàn)為焦化蠟油的芳烴含量及殘?zhí)俊⑹徒沟幕曳趾蛽]發(fā)分增加。另外，由于催化裂化反應(yīng)條件較延遲焦化苛刻，催化裂化油漿中可能存在部分重芳烴，這些組分在焦炭塔內(nèi)未發(fā)生裂解縮合反應(yīng)，通過(guò)焦化蠟油帶入催化裂化裝置中，未反應(yīng)的重芳烴在催化裂化-延遲焦化裝置間循環(huán)、累積，導(dǎo)致催化裂化油漿和焦化蠟油中芳烴含量越來(lái)越高。

表2 產(chǎn)品收率對(duì)比

表3 焦化汽油的性質(zhì)對(duì)比

表4 焦化柴油的性質(zhì)對(duì)比

表5 焦化蠟油的性質(zhì)對(duì)比

表6 石油焦的性質(zhì)對(duì)比

2.3 對(duì)裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的影響

2.3.1 換熱器 催化裂化油漿與減壓渣油混合后，走換熱器殼程，依次與柴油、中段循環(huán)油、蠟油換熱后進(jìn)入分餾塔底部，由于油漿中含有固體顆粒，極易在換熱器殼程死區(qū)內(nèi)沉積結(jié)垢(見(jiàn)圖1)，導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱效果下降、壓降增大，嚴(yán)重時(shí)損壞換熱器管束。

圖1 流體在普通換熱器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)示意

2.3.2 加熱爐 催化裂化油漿中含有固體催化劑顆粒，在焦化高溫原料中起到了“焦核”的作用，加劇原料油在爐管內(nèi)的結(jié)焦趨勢(shì)和結(jié)焦速率，縮短加熱爐的運(yùn)行周期，而且這種含鹽垢類(lèi)的焦層較硬，停爐后爐管燒焦的難度較大[2]。另外由于原料油在加熱爐管內(nèi)的線速度較高，尤其是輻射爐管接近出口處的線速度高達(dá)30～40 m/s，催化劑顆粒對(duì)加熱爐爐管，尤其是彎頭部位造成較大的磨損。國(guó)內(nèi)有多家煉油廠的延遲焦化裝置由于摻煉催化裂化油漿導(dǎo)致?tīng)t管結(jié)焦嚴(yán)重及爐管彎頭過(guò)度磨損而緊急停工[3]。

2.3.3 分餾塔 催化裂化油漿結(jié)焦趨勢(shì)較大，若直接與反應(yīng)油氣接觸換熱，會(huì)加速分餾塔脫過(guò)熱段結(jié)焦；油漿中的催化劑顆粒具有很強(qiáng)的吸附性能，極易吸附反應(yīng)油氣中從焦炭塔帶來(lái)的焦粉顆粒[4]，形成結(jié)焦母體，加劇分餾塔底部的結(jié)焦；同時(shí)，催化劑顆粒極易在分餾塔底部靜止沉積，造成分餾塔底部結(jié)焦，影響裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。

2.3.4 泵及管道 催化裂化油漿中催化劑固體顆粒硬度大，容易對(duì)設(shè)備造成磨損，尤其是對(duì)線速度較高的泵體葉輪、原料油管線、控制閥及加熱爐爐管等設(shè)備的磨損大[5]。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為防止催化裂化油漿中的催化劑顆粒在換熱器殼程內(nèi)沉積，原料換熱系統(tǒng)采用螺旋折流板式換熱器，與弓形折流板相比，由于螺旋折流板的導(dǎo)流作用，原料油在殼程內(nèi)整體呈螺旋狀流動(dòng)，在折流板附近幾乎不存在流動(dòng)死區(qū)，在提高傳熱系數(shù)的同時(shí)，減少污垢沉積，熱阻穩(wěn)定，使換熱器一直處于高效運(yùn)行狀態(tài)，流體在螺旋折流板換熱器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 流體在螺旋折流板換熱器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)示意

3.2 加熱爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿的比例較大，考慮裝置的高效、平穩(wěn)和長(zhǎng)周期運(yùn)行，焦化加熱爐爐管材質(zhì)及厚度的設(shè)計(jì)需考慮催化劑顆粒對(duì)爐管的沖刷。另外，由于催化劑顆粒加速爐管結(jié)焦，加熱爐應(yīng)設(shè)計(jì)有爐管在線除焦的功能，如在線清焦、在線機(jī)械清焦及燒焦，且應(yīng)最大限度減少因頻繁清焦造成對(duì)裝置加工負(fù)荷的影響，加熱爐簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 焦化爐簡(jiǎn)圖

加熱爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)為：①加熱爐爐管材質(zhì)選用P9，壁厚由普通加熱爐的8 mm增加至14 mm，通過(guò)增加加熱爐爐管厚度來(lái)延長(zhǎng)加熱爐的運(yùn)行周期。②加熱爐采用附墻燃燒設(shè)計(jì)，爐側(cè)墻傾斜角度與國(guó)產(chǎn)寬火焰扁平附墻低氮氧化物氣體燃燒器相互匹配，火焰呈扇形貼著爐側(cè)墻斜向上燃燒，避免火焰舔管造成局部過(guò)熱結(jié)焦，同時(shí)有效地提高輻射室爐膛上、下部煙氣溫度場(chǎng)和熱強(qiáng)度場(chǎng)的均勻性，爐管內(nèi)介質(zhì)有穩(wěn)定的溫升梯度，減緩了原料油在爐管內(nèi)的結(jié)焦。③加熱爐采用四輻射室對(duì)應(yīng)四對(duì)流室的設(shè)計(jì)方案，每路出口設(shè)置雙隔斷閥(一個(gè)為進(jìn)口閥門(mén))，能夠靈活實(shí)現(xiàn)加熱爐每一路爐管的在線清焦、在線機(jī)械清焦及燒焦，提高了延遲焦化裝置操作的靈活性，在每一路爐管進(jìn)行清焦時(shí)，裝置的加工負(fù)荷影響最小。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的加熱爐與國(guó)內(nèi)延遲焦化裝置常規(guī)加熱爐的對(duì)比見(jiàn)表7。

表7 加熱爐技術(shù)對(duì)比

3.3 分餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)分餾塔主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)：①脫過(guò)熱段選用輕蠟油作為洗滌介質(zhì)，原料油不與高溫油氣換熱直接進(jìn)入分餾塔底部，從根本上最大限度地減輕分餾塔脫過(guò)熱段結(jié)焦。②采用環(huán)形管原料油進(jìn)料攪拌分布器，使分餾塔塔底油充分?jǐn)嚢?，不但使原料油與循環(huán)油混合更均勻，而且可防止催化劑顆粒的靜止沉降，避免因分餾塔底部催化劑沉積而導(dǎo)致裝置事故發(fā)生；另外，原料油與循環(huán)油混合后溫度為310～330 ℃，溫度較低，可降低分餾塔底部的結(jié)焦傾向。③為防止分餾塔底部因催化劑顆粒吸附焦粉形成結(jié)焦母體而加劇結(jié)焦，在換熱擋板下設(shè)置循環(huán)油集油箱(見(jiàn)圖4)，集油箱溫度通過(guò)循環(huán)油冷回流的流量控制以防止高溫結(jié)焦，油氣中的焦粉大部分被洗滌至循環(huán)油集油箱，經(jīng)循環(huán)油過(guò)濾器過(guò)濾后的循環(huán)油進(jìn)入分餾塔底部，塔底焦粉含量減少，這樣可大大降低分餾塔底部的結(jié)焦傾向，有利于分餾塔、加熱爐進(jìn)料泵及加熱爐的穩(wěn)定操作，保證裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。

圖4 焦化分餾塔底部流程

4 結(jié) 論

(1) 催化裂化油漿與減壓渣油相比具有黏度低、密度大、康氏殘?zhí)啃?、芳烴含量高、膠質(zhì)含量低等特點(diǎn)，其中芳烴主要為無(wú)側(cè)鏈、少側(cè)鏈和短側(cè)鏈的稠環(huán)芳烴，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)基本上是焦炭前軀物。

(2) 延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿后，石油焦收率增加，液體產(chǎn)品收率下降，焦化蠟油中的芳烴含量及殘?zhí)?、石油焦的灰分和揮發(fā)分均增加。催化裂化油漿中的催化劑顆粒對(duì)換熱器、分餾塔、加熱爐、泵及管道等設(shè)備造成磨損或結(jié)焦，影響裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。

(3) 通過(guò)對(duì)換熱器折流板形式、加熱爐爐型、爐管厚度、清焦方式及分餾塔流程等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可減少催化劑顆粒在分餾塔及換熱器內(nèi)沉積，減緩加熱爐爐管結(jié)焦，延長(zhǎng)裝置運(yùn)行周期。

[1] 陳俊武.催化裂化工藝與工程[M].北京：中國(guó)石化出版社，2005：325

[2] 王玉章.延遲焦化加熱爐輻射進(jìn)料結(jié)焦性能的研究[J].煉油技術(shù)與工程，2004，34(12)：9-14

[3] 王文智.延遲焦化摻煉催化裂化油漿的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].中外能源，2007，12(5)：82-85

[4] 羅強(qiáng).事故狀態(tài)下分餾塔底結(jié)焦原因分析與處理[J].煉油技術(shù)與工程，2004，34(6)：11-14

[5] 胡堯良.延遲焦化裝置加工FCC油漿的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)分析[J].煉油技術(shù)與工程，2006，36(3)：51-59

IMPACT OF BLENDING FCC SLURRY OIL IN DELAYED COKING AND OPTIMIZATION DESIGN

Yan Feng， Xie Chongliang， Dong Gang， Qiu Mingtao

(CPECCEast-ChinaDesignBranch，Qingdao，Shandong266071)

Compared with vacuum residue， FCC slurry is low in viscosity， conradson carbon residue， hydrogen and resin content but high in aromatic content and gravity. The influence of blending FCC slurry on delayed coking was analyzed and the design optimization was proposed. The commercial results in a new 1.20 Mt/a delayed coking unit indicate that processing the feed blending with 25% FCC slurry， the coke and gas oil yield increase 2.7 percentage points and 2 percentage points， respectively，while the light oil (naphtha+diesel) and total liquid yield reduce 5 percentage and 3 percentage， respectively. The residue carbon and aromatic content of LCGO， and the coke ash and volatile matter of coke are all increased. The remarkable wears of the heat exchangers， the fractionator， furnace， pumps and pipes and other equipments are observed， which impact the long-term operation. The optimization of the heat exchanger baffles， furnace type， furnace tube thickness， coke cleaning methods and fractionator process can reduce the catalyst deposition on the equipments and retard the coking on the surface of furnace tubes， thus extend the operation life time.

delayed coking； FCC slurry； heat exchanger； furnace； fractionator

2014-01-23； 修改稿收到日期： 2014-03-18。

顏峰，碩士，工程師， 2008年7月畢業(yè)于大連理工大學(xué)化學(xué)工藝專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事延遲焦化裝置工藝設(shè)計(jì)工作。

顏峰，E-mail：yanfeng@cnpccei.cn。