焦炭塔工艺设计应考虑的几个问题

SEI第二届延迟焦化年会论文〔5〕

焦炭塔工艺设计应考虑的几个问题

中国石化工程建设公司

李出和

1.概述

延迟焦化装置的主要设备有加热炉、焦炭塔、分馏塔、放空塔、加热炉进料泵、水力除焦机械等，其中加热炉被认为是焦化装置的关键设备，而焦炭塔那么是焦化装置的核心设备。因为焦炭塔是焦化装置的反响器，加热炉、分馏塔、放空系统、冷切焦水处理系统、水力除焦系统等的设计均与之有关。虽然焦炭塔是一个空筒设备，但它的设计涉及到几乎全装置的工艺过程，因此在焦炭塔的工艺设计不仅要考虑焦炭塔的规格尺寸设计，还应考虑与之相关系统的设计。

.焦炭塔直径和高度确实定

焦炭塔的直径和高度主要取决于装置的处理量、原料性质、操作温度、操作压力和循环比。装置的处理量是决定焦炭塔大小的主要参数，焦炭塔的单塔处理量越大，要求的焦炭塔直径越大，这主要是由焦炭塔塔内的允许气速决定的。原料进入焦炭塔，在塔内适宜的压力、温度和停留时间的条件下发生裂解和缩合反响，裂解反响产生气体及轻质及中质油品，缩合反响生成焦炭并停留在塔内。在焦炭层以上为主要反响区，即泡沫层。泡沫层分轻相泡沫及重相泡沫，轻相泡沫在上部，其密度约为30～100kg/m3，重相泡沫在焦层以上，其密度约为100～700

kg/m3，泡沫层温度一般为460～480℃。热态的焦炭层高度一般高于冷态的焦炭高度。随着原料的不断进入，产生的焦炭量增加，焦炭层高度增加，泡沫层也随之连续升高。

由于泡沫层为反响区，一般不希望泡沫被油气夹带到焦炭塔出口的油气管线和分馏塔，导致管线结焦和分馏塔内结焦影响正常操作和产品质量，因此应考虑焦炭塔内油气的适宜气速，适宜气速应该是泡沫夹带的临界气速乘上一个平安系数。据资料报导，国外在焦炭塔内不注入消泡剂时，设计焦炭塔内油气气速一般为0.11～0.17m/s。在使用消泡剂时，由于泡沫层密度变大，设计焦炭塔内油气速度一般为0.12～0.21m/s。根据适宜的油气速度和焦炭塔内的实际油气流量来考虑焦炭塔的直径，为减少泡沫夹带，新设计焦炭塔建议采用低的油气速度，国内焦炭塔设计的油气速度一般低于0.10～0.15m/s。

焦炭塔内的油气体积流量和渣油进料量、原料性质、操作条件有密切的关系。在确定焦炭塔的直径以前应首先确定焦炭塔的操作条件和产品分布。渣油是以碳、氢、硫、氮、氧等为主要元素的大分子烃类，通常分为饱和烃、芳烃、胶质和沥青质，沥青质含量高及残炭值高的渣油生焦率较高，液体收率较低，同等处理量的焦炭塔内的油气体积流量小，应采用较小直径的焦炭塔，反之应采用较大直径的焦炭塔。当原料性质确定后，对焦炭塔规格影响较大的主要是循环比、反响温度和压力。循环比减少，循环油量减少，气体、汽油、柴油收率下降，焦炭塔内的油气体积流量减少，适宜采用较小直径的焦炭塔；循环比增加，循环油量增加，气体、汽油、柴油收率提高，焦炭塔内的油气体积流量增大，适宜采用较大直径的焦炭塔。提高焦化炉出口温度可增产液体产品收率，但调整的幅度是很窄的。一般情况下是根据原料性质确定最正确的操作温度，采用较高的焦化炉出口温度时可适当放大焦炭塔的直径。采用低压操作可改善焦化产品分布，在国内外已普遍认可，国内焦炭塔顶操作压力一般为0.15～0.18Mpa，国外最低的到达0.1～0.15Mpa。压力降低一般是提高蜡油的收率，但是增大了焦炭塔的气体体积流量，势必使焦炭塔的塔径加大，装置的投资增加，因此应综合设备投资、操作费用和产品分布等因素确定适宜的操作压力。

另外焦化加热炉的注汽注水量、在线清焦用汽量、四通阀及切断阀的汽封蒸汽量对焦炭塔的直径确定也有较大的影响，一般加热炉的注汽注水量按炉新鲜进料的1.0～1.5％考虑，在线清焦时应考虑减少渣油进料，增加蒸汽量，蒸汽量可按2～8/h考虑。焦炭塔底阀门的汽封一般考虑0.3～0.6t/h的蒸汽量。

在根本确定焦炭塔的直径后，根据原料性质、焦炭产率、生焦时间、泡沫层高度来确定焦炭塔的高度。焦炭产率和原料性质、操作条件有关，泡沫层高度和原料性质、反响温度及压力有关。当在焦炭塔内注入消泡剂后，泡沫层的高度减少。当单塔处理能力、原料性质和操作条件确定后，塔内的焦层高度主要确定于生焦时间。目前国内焦化装置设计的生焦时间均为24小时，国外焦化生焦时间一般为10～24小时，采用18小时的占大多数，采用短的生焦时间，可以提高焦炭塔的利用率，或者同等规模的焦炭塔的高度减少。在确定焦炭塔高度时应留有一定的平安空高，平安空高一般为塔顶切线离泡沫层顶部的距离，国内设计的焦炭塔一般平安空高3～5米，国外焦炭塔的平安空高一般为2～3米。空高越大，焦炭塔的利用率越低，但油气在塔内的沉降时间延长，对减少油气线和分馏塔内结焦有利。焦炭塔直径和高度相互补充，当装置处理量、操作条件确定后，直径增大可以适当降低高度，高度增加也可以适当减少塔径。国内在过去建设的焦炭塔的直径一般为5.4～6.4米，其高径比一般为3～4。最近建设的大直径焦炭塔的高径比一般为2～3。美国焦炭塔的高径比一般为2～3。

焦炭塔的直径和高度受到冷焦和除焦能力、设备制造、运输、吊装等的限制，直径不宜太大和太高，美国目前运行的最大焦炭塔的直径为9.14米。建议在装置处理量较大，采用一炉二塔使焦炭塔的直径和高度特别庞大时，采用缩短生焦时间或二炉四塔或三炉六塔更为适宜。

3.焦炭塔相关系统的设计

焦炭塔的相关系统主要是吹汽放空、给水冷焦及冷焦水处理、水力除焦及切焦水处理、油气预热等。焦炭塔的大小和焦炭塔的操作周期对其相关系统的设计产生较大影响，焦炭塔的大小和操作周期不同，假设到达同样的处理效果，操作自动化程度、吹入蒸汽的流量、冷焦水的流量、切焦水压力和流量、油气预热流量不会同，即其相应系统的配置有较大的差异，因此在确定焦炭塔的大小和生焦周期时应慎重考虑。采用较短的生焦时间可表达装置的设计水平，美国经常采用的是16～18小时，而国内都是采用24小时。这不仅和操作管理及工作制度有关，而且和焦炭塔的设计及配套系统设计有关，在设计焦炭塔时应分别给于考虑。

3.1

吹汽放空系统

焦炭塔停止生焦以后，未反响的渣油和反响生成的局部油气停留在焦炭塔内，假设不去除将影响焦炭的质量和增加冷焦水中的油含量。通常先少量吹入蒸汽，从焦炭塔焦层汽提轻质油品至焦化分馏塔，小吹汽的蒸汽量和焦炭塔的直径、焦炭产量、生焦时间有关，在生焦时间短，焦炭塔直径大、焦炭产量多的情况下，要使焦炭塔中的轻油充分吹出,应加大蒸汽量,但蒸汽量的增加将受到分馏塔设计的限制，一般为2～5.0t/h。小吹汽后，焦炭塔内仍然存在许多重质污油，应该用大量蒸汽进行汽提，蒸汽量一般为8～18t/h，视塔径及焦炭产量不同而定，此时再进分馏塔，将影响分馏塔的操作。因此在焦化装置设置吹汽放空系统，专门处理焦炭塔大吹汽时吹出的油汽和给水冷焦时产生的含油蒸汽。目前国内的吹汽放空系统一般设计为密闭的油吸收式放空系统，该系统是用蜡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轻质油气，该系统不仅减少了环境污染，而且回收了大量的污油和污水。放空塔的设计和大吹汽的蒸汽流量有关，最大空塔气速以吸收油品不被蒸汽夹带为原那么，放空塔塔径根据蒸汽及油气流量和允许空塔气速确定，吸收及换热挡板根据入口蒸汽中含油量和换热量确定。国内外一般采用挡板作为吸收换热板，挡板数量为8～16层。在确定焦炭塔直径的同时应考虑放空塔直径和放空系统的冷凝冷却器的设计。大直径的焦炭塔和短的生焦时间，需要的汽提蒸汽量大，配套的放空塔及冷凝冷却器也应该加大。

3.2

给水冷焦及冷焦水处理系统

在焦炭塔拆卸塔顶底盖以前，必须把焦炭塔冷却到焦炭的自燃点以下或更低，防止翻开塔顶底盖后发生焦炭自燃和大量油汽外出影响环境。通常是向塔内通入少量的水〔约10～30t/h〕，水在塔内汽化吸热冷却焦炭，产生的蒸汽排至放空系统进行处理，再向塔内大量给水〔200～400t/h〕，使焦炭塔充满并溢流，冷却焦炭至100℃以下，然后自底部排水至冷焦水处理系统。焦炭塔的设计应考虑给水冷焦，给水冷焦的操作条件又决定着冷焦水处理系统的设计。焦炭塔直径越大，径向焦层厚度增加，塔壁处焦炭不易被冷却，另外焦炭塔体积增大，充满焦炭塔需要的一次冷却水量增加，因此冷焦水的给水量和冷却时间应适当延长。冷焦水处理系统应该考虑加大冷焦水热水和冷水的贮罐或贮水池，满足一次冷焦使用，冷焦水冷水泵和热水泵也应考虑选用大流量泵，保证能在规定的时间内充满焦炭塔。冷焦水处理系统的旋流除油器、冷却器可以考虑延长操作时间，不一定按焦炭塔塔径的增加而选用的太大。焦炭塔的给水线特别是放水线应加大直径，防止放水时间太长。在冷焦操作时，经常出现大吹汽后小给水时，焦炭未硬结塌落，导致给水不畅通，有的炼油厂采用先大给水使通道的焦炭固化，再由小给水过渡到大给水，效果比拟明显。

焦炭塔的最大操作荷重应考虑冷焦操作，因为冷焦操作时焦炭塔内充满水，水中有焦炭，焦炭的真比重大于水，最大操作荷重为水的重量加焦炭的重量。

3.3

水力除焦及冷切焦水处理

水力除焦及切焦水处理系统主要包括高压水泵、控制阀、高压胶管、钻杆、切焦器、钻机绞车、塔底盖装卸机、焦炭抓斗、切焦水沉淀池、切焦水贮水罐〔或贮水池〕等。上述设备的设计及选型应和焦炭塔的设计相配套。高压水泵的压力和流量和焦炭塔内的生焦量、焦炭塔直径、焦炭硬度和切焦时间有关，一般情况下生焦量大、切焦时间要求的短、焦炭硬、焦炭塔直径大要求的切焦水的压力和流量就大。焦炭塔直径增加，切焦水流量和压力也应加大。高压胶管、控制阀、钻杆、切焦器的设计压力应按高压水泵最高出口压力考虑，目前国产的该类设备的设计压力有32Mpa和42Mpa两种。

钻机绞车、控制阀、高压水泵、高压水切断阀等的联锁控制操作也是焦炭塔辅助系统设计的内容之一，该系统采用PLC测定钻杆位置、钻杆转速、除焦水压力、钢丝绳拉力等并显示其数值，通过程序控制实现除焦过程的平安操作。塔底盖装卸机和焦炭塔下出焦口的高度及大小有关，目前国内φ5400~φ6800的焦炭塔下出焦口为φ1600，φ8400~φ8800的焦炭塔下出焦口为φ1800。为缩短塔顶底盖的拆装时间、降低劳动强度，应逐步考虑采用自动卸盖机，国外已有成熟的技术，国内正在研究开发当中。

焦炭抓斗的大小和除焦速度有关，大直径焦炭生焦量多，同样的除焦时间，单位时间内除焦量大，抓斗应及时把除下的焦炭抓走，因此应考虑选用抓吊量大的抓斗吊车。

切焦水沉淀池的设计和切焦水的流速及停留时间相关，切焦水流量增加，到达同样的处理效果应延长停留时间，因此应考虑适当加大切焦水沉淀池或设切焦水过滤器。

切焦水贮罐是高压水泵的进料缓冲罐，其大小应满足一次切焦用水的要求，高压水泵需要的汽蚀余量〔NPSHR〕，对该罐的设计也有影响，焦炭塔直径越大，一次切焦水耗量越多，高压水泵流量越大，泵的汽蚀余量越大，因此设计切焦水贮罐时应考虑适当加大直径和增加高度。

大给水冷焦水的流量和焦炭塔直径、焦炭产量和冷焦时间有关，给水冷焦时径向的冷却速度约为：2.4米/时，当水蔓过焦层时应侵泡2小时或塔满后溢流1小时方能把φ9400塔内的焦炭冷却，在确定焦炭塔直径时应充分考虑冷焦时间和冷焦水的流量。

3.4

焦炭塔的油气预热系统

焦炭塔在切换新的进料以前，必须进行蒸汽试压和油气预热，通常预热到300℃以上。其主要目的是使塔体逐渐预热升温，防止塔体由于温差太大、疲劳寿命减少使塔体变形和防止由于巨大的塔体吸热、降低初始反响温度而产生出较软的焦炭。焦炭塔的预热时间和焦炭塔的大小及预热油气量有关，焦炭塔越大，在一定的时间内完成塔体预热需要的油气量越多。焦炭塔的油气预热是把生产塔的油气通过焦炭塔顶出口油气线引至预热塔，被冷凝冷却的油气混合物自塔底转油线进入甩油罐〔气液别离罐〕，未凝油气返回分馏塔，凝缩油的温度、流量和组成随着预热的时间进程而变化，前期温度低、含水较多，后期温度较高、油品较重。炼油厂通常把含水的凝缩油〔<120℃〕经冷却后送至污油罐，而把高温的凝缩油〔≥120℃〕直接送到分馏塔下部回炼。在焦炭塔设计时应考虑油气预热系统设备及阀门的大小。一般而言，焦炭塔直径越大，油气线上的阀门越大，甩油罐及甩油泵越大，焦炭塔的油气预热对分馏塔热平衡及物料平衡的影响也越大。油气管线上的电动环阀应可调节，平衡两路气体的压力，控制适宜的预热速度。

4.小结

焦炭塔是焦化装置的核心设备，在设计时不仅应考虑影响焦炭塔本身结构尺寸的因素，而且还应考虑焦炭塔的结构尺寸对其相关系统的影响。因此焦炭塔设计时应综合考虑原料性质，装置规模，产品分布，操作温度，操作压力，循环比，泡沫层高度，生焦时间，焦炭塔的制造、运输、安装、热处理等因素来确定合理的焦炭塔规格。水力除焦机械、吹汽放空塔、冷切焦水处理设备、油气管线阀门及甩油罐的设计与选型应和焦炭塔的设计配套，该配套系统的设计能力和设计水平也将直接影响到焦炭塔的设计，焦炭塔的设计应成套化设计。