1 概况
陕西天元中低温煤焦油延迟焦化装置的设计规模为50 万吨/年, 设计加工原料为中低温煤焦油, 主要产品为干气、石脑油、柴油、蜡油和焦炭。装置主要由原料换热、加热焦化、产品分馏、冷焦除焦和干气脱硫组成。装置于2008年设计, 2009年底开工, 当时为国内首套大型化煤焦油延迟焦化装置, 全部采用国产技术, 目前运行平稳, 各项指标达到设计要求。
2 装置设计
2.1 煤焦油特性
与减渣相比, 煤焦油组分复杂、分子量分布广、馏程宽、碳氢比高、低硫、多结焦点、原料不稳定。煤焦油中含有较多轻组分, 如果不先行分离, 一同进入加热炉, 能耗高;煤焦油中轻组分组分不先行分离而一同进入加热炉和焦炭塔, 部分轻组分在高温下发生部分裂解产生富气, 使得煤焦油中本来就很少的氢组分进一步减少, 同时减少液收;因煤焦油中含有易缩合组分, 初始结焦点低, 如果原料换热后直接进入分馏塔, 在与焦炭塔来的高温油气换热时, 这些易缩合的组分在分馏塔内会发生缩合反应生成焦炭, 影响装置长周期运行。由于煤焦油碳氢比高, 通过焦化反应产生的富气产率低, 而且富气中C3、C4 组分也低。
2.2流程简述
煤焦油与产品换热后, 与循环油混合进入原料油缓冲罐;煤焦油中较轻组分从原料缓冲罐顶部进入分馏塔;煤焦油中重组分用加热炉进料泵送入加热炉进一步加热后, 进入焦炭塔进行焦化反应, 生成油气和焦炭;在加热炉辐射段入口注入蒸汽, 提高加热炉炉管流速, 防止炉管结焦;反应产生的油气进入分馏塔进行分离, 得到柴油、蜡油组分送下游加氢装置生产燃料油;塔顶油气经分馏塔顶空冷器、水冷器冷却进入分馏塔顶油气分离罐进行油、气、水分离, 汽油由汽油泵抽出送下游加氢装置生产燃料油;分馏塔底生成油经循环泵升压后返回到原料油进料线与煤焦油混合。从焦化部分来的富气经富气压缩机升压, 经焦化富气空冷器、富气水冷器冷却后进入富气分液罐, 分离出的富气进入脱硫塔脱硫, 净化气送至燃料气分液罐分液后作制氢原料和加热炉燃料。
由于煤焦油碳氢比高, 通过焦化反应产生的富气产率低, 只有3.8% (常规焦化~12.5%) , 而且富气中C3、C4组分也低, 只有25% (常规焦化~38%) , 这样回收其中液化气不经济。取消常规延迟焦化吸收稳定、液化气脱硫和脱硫醇, 缩短流程, 节约投资。流程简图见图~1。
2.3装置设计特点
2.3.1 根据建设方装置结构和煤焦油特性, 装置采用大型化、大循环比设计工艺, 即“一炉二塔”且尽量多产汽、柴油, 少产蜡油方案, 以满足产品方案的需要;
2.3.2焦炭塔采用无堵焦阀暖塔工艺流程, 缩短了焦炭塔油气预热时间, 避免过去由于焦炭塔中部开口预热的老方式所造成局部应力集中而造成的焦炭塔开裂。同时配设甩油罐, 避免堵焦阀式预热甩油拿不净, 切换四通阀而引起突沸的问题。
2.3.3采用双面辐射加热炉, 多点注汽、高流速等新技术, 以延长加热炉开工周期。炉管表面在高度方向和长度方向的热强度分布更均匀, 改善局部过热, 减少管内结焦。有效延长了焦化油高温段停留时间, 提高液体产品收率。同时采用空气预热器预热空气, 提高加热炉的热效率。加热炉进料量、炉膛温度与燃料气设置联锁控制, 保证安全操作。火嘴采用扁平焰低NOx火嘴, 以减少环境污染。
2.3.4 分馏塔塔内件主要采用浮阀塔板, 操作弹性大, 优化分馏塔操作工况;同时最上面三层采用固舌塔板, 有效防止塔板卡死堵塞。塔底循环油进料也设置环管分布器, 促使分馏塔底温度分布均匀, 使加热炉进料条件趋于稳定, 并且焦化油携带的焦粉等杂质不易沉积。
2.3.5 采用全蜡油下回流洗涤换热技术, 解决塔底油汽化率低无法脱过热段热量问题、以更好的控制蜡油质量、减少产品焦粉夹带和更方便调节循环比。
2.3.6 焦炭塔设注消泡剂设施, 从焦炭塔顶向焦炭塔内注入消泡剂, 降低泡沫层高度减少焦粉夹带, 提高焦炭塔有效利用率。
2.3.7采用塔式油吸收密闭放空技术, 减少焦炭塔吹汽对环境的污染, 以利于油气分离, 污油回炼。
2.3.8 冷焦水采用密闭冷却, 切焦水采用一级二级沉淀、自动反冲洗过滤、罐式贮存等技术, 减少占地和环境污染。
2.3.9 完善低温热利用系统, 充分回收焦化装置低温位热量。
2.4 原料性质及物料平衡
2.4.1 原料性质
原料性质见表2~1。
2.4.2 装置物料平衡
装置物料平衡见表2~2。
3 装置运行中出现的问题及分析
3.1加热炉炉管出现严重结焦;
开工时由于操作人员缺乏经验, 没有注意炉膛升温过快、炉膛温度过高和加热炉进料泵出口压力升高, 导致加热炉炉管严重结焦。
3.2转油线解热路出口弯头处出现腐蚀穿孔;
由于中低温煤焦油中含有较高的酚类, 在有水的环境下具有酸性腐蚀;同时由于炉温过高出现了部分弹丸焦, 在高温油气高速冲击下造成冲蚀;在两种腐蚀机制作用下产生了较快腐蚀。
3.3 分馏塔塔底有焦粉, 至加热炉进料泵管线出现堵塞;
由于中低温煤焦油原料中胶质含量高, 达73% (m) , 在焦炭塔内生焦时相对于渣油焦化泡沫化更为严重, 特别是生焦后期泡沫层很高, 在高温油气夹带下, 部分焦炭通过大油气线带入分馏塔。
3.4 分馏塔侧线抽出口处柴油线、中段抽出线、蜡油线出现腐蚀;
当地中低温煤焦油<420℃馏分中的酸性组分约占26% (m) , 主要为酚类。酚类化合物主要有:苯酚、甲基苯酚、二甲基苯酚、三甲基苯酚、乙基苯酚、萘酚、甲基萘酚等四十余种;酸性组分中苯酚约占30%, 甲基苯酚约占33%, 二甲酚约占16%。在分馏塔操作条件下, 其沸点主要位于220~280℃之间, 少数在280~360℃之间。这样, 酚类在分馏塔侧线中主要位于柴油馏分和中段, 少数位于蜡油馏分中, 在有水的环境下产生酸性腐蚀。
4 装置设计优化
4.1 进料方式优化
煤焦油与产品换热后, 进入加热炉对流段, 加热后进入原料油缓冲罐, 与循环油混合;利用煤焦油特性, 部分易裂解组分先进行低温裂解反应, 同时控制温度在初始结焦点以下, 不让其中的易缩合组分发生缩合反应生成焦炭。将煤焦油中易裂解组分裂解产生较轻组分和煤焦油中轻组分从缓冲罐顶部进入分馏塔, 一方面避免这部分馏分高温下深度裂解产生富气, 减少气相收率, 增加液收;另一方面有效减少加热炉负荷, 节约能耗。煤焦油中重组分经加热炉进料泵送入加热炉进一步加热后, 进入焦炭塔进行焦化反应, 生成油气和焦炭;优化后流程见图~2。
4.2 加热炉设计优化
加热炉设计优化主要从两个方面着手:一是防止煤焦油在炉管中结焦特别是弹丸焦, 另一方面避免在炉管中形成酚类酸腐蚀环境。采取措施有降低加热炉出口温度、用循环氢代替蒸汽改善加热炉进料性质。
降低加热炉出口温度减缓煤焦油在加热炉炉管内的快速生焦, 有利于抑制弹丸焦生成。由于中低温煤焦油初始结焦点较低, 同时与减压渣油相比较易于结焦, 降低加热炉出口温度是有效可行的手段。通过生产探索, 将加热炉出口温度由495~500℃降到455~460℃, 液收没有明显变化, 炉管结焦得到明显改善。
在辐射段注入加氢装置来的循环氢, 既能达到注蒸汽提高炉管流速、防止炉管结焦和降低油气分压、轻组分易气化成油气作用, 同时减少煤焦油脱氢碳化反应, 降低焦炭产率, 提高液收。另外, 由于煤焦油富含氧, 在裂解、缩合反应过程中生成水, 使得煤焦油中宝贵的氢进一步减少。在临氢条件下, 部分富氧和氢气反应, 可以有效减少煤焦油中氢损失。与注水 (水蒸气) 相比较, 氢气热焓低, 加热、冷却需要的热负荷较小, 节能。改注循环氢后, 还有效阻止了中低温煤焦油中酚类形成酸性腐蚀条件, 有效地保护了炉管。
4.3 转油线设计优化
转油线采用￠325×14 的1Cr9Mo管线, 从开工初期转油线腐蚀形态看, 有内壁整体腐蚀, 也有沟槽状冲刷痕迹, 弯头外侧比较严重, 最深处达5~6mm, 在采用的四通结构的封头上有凹坑和穿孔。
1Cr9Mo管线具有较好的耐高温、耐腐蚀性能, 但在煤焦油酚类酸性腐蚀和高温油气夹带弹丸焦高速冲击下, 还是产生了较快腐蚀。通过分析原因, 采取针对性措施。首先改变管系结构, 把四通改为弯头, 消除涡流冲击, 改善流况, 有效减少热应力;其次在弯头外缘内侧堆焊316 不锈钢, 提高管系耐腐蚀能力;加热炉改注循环氢后, 消除了中低温煤焦油中酚类形成酸性腐蚀条件, 有效地保护了转油线。整改后, 管系运行平稳。
4.4 焦炭塔操作优化
分馏塔出现焦炭, 源于焦炭塔泡沫层过高, 油气夹带。提前注入消泡剂是减少油气夹带重要手段。根据料位计检测泡沫层的高度, 当泡沫层离塔顶切线10m时, 或者换塔前6h, 及时向塔内注消泡剂。注消泡剂可降低泡沫层高度, 减少油气中的焦粉夹带, 从而减少焦粉进入分馏塔。
焦炭塔焦粉 (或泡沫) 的夹带量大小主要与塔内的油气线速及安全空高有关, 当装置处理能力提高时, 油气线速增大, 容易导致焦粉和泡沫不能沉降而带到大油气管线内, 导致焦粉夹带加重, 导致泡沫冒顶或冲塔。因此, 装置提量时应根据加工的原料性质对焦炭塔进行核算, 使焦炭塔内的气速和空塔高度在安全范围之内。空塔高度不能满足要求时, 可适当缩短生焦时间, 线速不能满足要求时, 可适当提高焦炭塔操作压力。
4.5 提高部分管线材质
根据中低温煤焦油中酸性物质分布, 酚类在分馏塔侧线中主要位于柴油、中段和蜡油馏分中, 将分馏塔侧线的柴油线、中段和蜡油线材质升级, 以适应生产需要。
通过多次试验, 发现TP321 材质对酚类有较好的耐腐蚀性。将分馏塔侧线中柴油管道、中段由20 号无缝管钢管改为TP321 不锈钢管线, 将蜡油管线由1Cr5Mo、20 号无缝均改为TP321不锈钢管线。目前管系运行良好。
4.6 提高除焦系统自控水平
受建设方投资和当时国内技术限制, 焦炭塔底盖机采用半自动式, 没有采用完全密闭的自动卸盖机。用自动底盖机代替原有半自动式底盖机, 不仅满足环保要求, 提高操作安全性, 而且可以减轻操作人员的劳动强度, 节省操作时间;自动底盖机密封力大, 且密封力可调可控, 密封面寿命长, 蒸汽用耗量小, 运行成本低;特别是有弹丸焦产生时, 可以有效地保障除焦操作人员安全。
焦碳塔除焦采用顺序连锁控制系统。该系统代替以往人工操作, 降低工人劳动强度;为缩短生焦周期提供重要支持;通过优化操作参数的调节, 可降低能耗;安全联锁, 避免因为人工操作失误发生安全事故, 同时有助于生产管理。
5 结语
本项目设计时仅有煤焦油馏程和产品分布, 缺少详细组分分析数据, 主要参数都依据ASPEN模拟数据, 结合渣油延迟焦化经验进行设计的。由于中低温煤焦油物性与ASPEN中D86数据差别较大, 导致设计出现了偏差。在后续基础数据支持下, 结合生产实际, 对原设计进行优化, 实现了安全平稳长周期运行, 实现延迟焦化装置经济效益最大化。
摘要：延迟焦化是重质油加工的主要工艺装置之一。通过延迟焦化工艺对中低温煤焦油进行预处理加工, 进一步加氢生产高附加值车用燃料油。利用煤焦油特性, 优化加工工艺。
关键词：中低温煤焦油,延迟焦化,设计,优化
参考文献
[1] 延迟焦化工艺与工程, 瞿国华, 2008年1月.
[2] 中低温煤焦油酚类化合物的组成研究, 任洪凯等, 《煤炭转化》, 2013年4月.
[3] 提高延迟焦化装置技术水平的两个关键方面, 谢崇亮等, 2010年10月.