涂連濤

中國石油獨(dú)山子石化分公司

中國石油獨(dú)山子石化煉油廠(以下簡稱獨(dú)山子石化)1 000×104t/a常減壓蒸餾裝置由中國石化洛陽工程公司設(shè)計(jì)，減壓系統(tǒng)引進(jìn)殼牌(Shell)公司減壓工藝包，減頂采取3級抽真空[1]。減壓爐爐管逐級擴(kuò)徑，使常壓渣油充分汽化，吸收足夠的熱量。減壓塔設(shè)置4段Mellapak填料，回流取熱采取空塔噴淋技術(shù)，降低塔的壓降。設(shè)計(jì)減壓爐出口溫度436 ℃，進(jìn)料段溫度415 ℃，汽化段壓力(A)2.5 kPa，塔頂壓力(A)1.2 kPa，設(shè)計(jì)減壓渣油切割點(diǎn)575 ℃。

蒸餾裝置總拔出深度通常采用減壓渣油的切割點(diǎn)表示。需要強(qiáng)調(diào)的是，減壓渣油的切割點(diǎn)不是減壓渣油的初餾點(diǎn)，而是指減壓渣油收率對應(yīng)于原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線上的溫度[2]。國外減壓渣油切割點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)是565 ℃，只有減壓渣油切割點(diǎn)超過565 ℃才稱為深拔[3]。美國KBC公司的原油深度切割技術(shù)使減壓渣油切割點(diǎn)達(dá)到607～621 ℃[4]。減壓深拔技術(shù)的關(guān)鍵為高溫低壓，具體可歸納為以下幾點(diǎn)：

(1) 較高的減壓爐出口溫度和汽化率。

(2) 低壓降、低溫降的轉(zhuǎn)油線。

(3) 塔頂高真空度。

(4) 填料層低壓降。

(5) 高效的氣液分布器。

2015年以來，受中哈管道原油資源平衡和成品油市場影響，獨(dú)山子石化原油加工負(fù)荷逐步從90%降至70%，且原油性質(zhì)逐步變重，原油密度(20 ℃)從830 kg/m3升至845 kg/m3，中哈管道輸送的原油從以哈油為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐远碛蜑橹?。哈?540 ℃餾分收率為13.8%，俄油>540 ℃餾分收率為20.9%，蒸餾裝置加工俄油比例上升后，蠟油收率降低。近年來，國內(nèi)成品油市場消費(fèi)結(jié)構(gòu)變化，汽油消費(fèi)量快速增長，柴油消費(fèi)量增長緩慢，消費(fèi)柴汽比持續(xù)下降，催化裂化裝置保持高負(fù)荷生產(chǎn)，對蠟油原料的需求上升。為適應(yīng)市場需求，獨(dú)山子石化開展降低柴汽比工作，蒸餾裝置實(shí)施減壓深拔，提高蠟油收率。從2016年底開始，蒸餾裝置開始實(shí)施減壓深拔，減壓爐出口溫度逐步從418 ℃提至424 ℃，減三線回流量逐步從145 t/h降至120 t/h。

1 減壓深拔存在問題分析

獨(dú)山子石化1 000×104t/a常減壓蒸餾裝置減壓深拔存在的問題及分析如下：

(1) 洗滌油泵抽空。洗滌油泵(P-204A、B)有大小兩臺泵，P-204A為小泵，必需氣蝕余量NPSHr為3.6 m；P-204B為大泵，必需氣蝕余量NPSHr為4.8 m。2017年，洗滌油泵出現(xiàn)抽空現(xiàn)象，且大泵比小泵更容易抽空，為防止泵抽空，必須控制泵出口流量，洗滌油罐被迫滿罐操作，增加泵入口壓頭。洗滌油罐(V-204)滿罐操作時(shí)，罐頂壓力(A)在2.5～70 kPa波動，波動范圍較大。根據(jù)洗滌段結(jié)構(gòu)判斷，洗滌油罐滿罐操作時(shí)，罐頂壓力波動大的原因是：洗滌油進(jìn)入洗滌油罐氣相返塔線，氣相線內(nèi)洗滌油高度變化，導(dǎo)致洗滌油罐罐頂壓力變化。此時(shí)，罐頂壓力指示的實(shí)際為該處液體靜壓+汽化段壓力，當(dāng)洗滌油液位未達(dá)到罐頂測壓點(diǎn)時(shí)，顯示的壓力是汽化段壓力(A)2.5 kPa，當(dāng)洗滌油液位達(dá)到V-204氣相返塔口時(shí)，V-204罐頂與氣相返塔口高度差為10 m，洗滌油在該處溫度下的密度為715 kg/m3，根據(jù)高度核算，液體靜壓見式(1)。

p=ρgh

=715 kg/m3×9.8 m/s2×10 m/1 000

=70 kPa

(1)

式中：p為液體靜壓，kPa；ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為液體高度，m。

液體靜壓加上2.5 kPa的氣相壓力，則罐頂壓力為72.5 kPa，與壓力波動上限70 kPa很接近。減壓塔洗滌段流程見圖1。

(2) 洗滌段填料結(jié)焦嚴(yán)重。2015年蒸餾裝置檢修開工后至2019年大檢修停工前，洗滌段填料層壓降由0.15 kPa逐步升至0.45 kPa，反映填料層逐步結(jié)焦的趨勢。2019年大修時(shí)發(fā)現(xiàn)：減三線回流過濾器絲網(wǎng)破損，減壓塔內(nèi)減三線回流主管、分配管油泥較多，越靠近主管末端，油泥越多，見圖2(a)，減三線回流部分噴嘴堵塞。減壓塔洗滌段共6層Mellapak填料，從上至下填料結(jié)焦逐步加重，1～2層結(jié)焦較少，3～4層結(jié)焦加重，噴頭下方的焦粉少而噴淋間隙區(qū)域的焦粉較多，5～6層結(jié)焦最嚴(yán)重，見圖2(b)，噴頭下方較干凈的區(qū)域也很少。洗滌油集油槽內(nèi)焦粉、碎焦塊較多，見圖2(c)，洗滌油抽出口焦粉、碎焦塊較多，見圖2(d)。

從大檢修時(shí)的檢查情況判斷，洗滌油泵出現(xiàn)抽空的原因?yàn)椋合礈煊吞盍蠈咏Y(jié)焦，結(jié)焦物落入洗滌油抽出槽，導(dǎo)致洗滌油抽出口堵塞，流道變窄。

洗滌油填料層上的“焦”有兩種存在形式，第1種為焦粉，第2種為亮黑色的結(jié)焦區(qū)。焦粉一方面來源于氣相攜帶的減壓爐、轉(zhuǎn)油線等部位剝離的焦粉；另一方面，洗滌油集油槽的焦粉隨洗滌油返回至減壓爐入口，然后回到減壓塔，部分焦粉在減壓塔內(nèi)隨油品汽化進(jìn)入洗滌段填料層。

為了分析洗滌段填料層結(jié)焦的原因，對各填料層結(jié)焦情況進(jìn)行對比分析。從洗滌段第3層填料開始，噴頭下方較干凈的區(qū)域逐步減少，并在噴淋間隙出現(xiàn)亮黑色的結(jié)焦區(qū)，顏色比焦粉亮，類似于瀝青狀附著在填料的波紋板上，硬度高。判斷該處填料潤濕不足，產(chǎn)生高溫干區(qū)，導(dǎo)致瀝青質(zhì)結(jié)焦。洗滌段第4層填料的亮黑色結(jié)焦區(qū)(見圖3紅圈內(nèi))明顯增多，主要分布在噴淋間隙區(qū)域。檢查填料內(nèi)部發(fā)現(xiàn)，亮黑色生焦區(qū)并非只存在于填料層表面，而是貫穿于整個(gè)填料層，亮黑色結(jié)焦區(qū)的焦粉附著量高于其他區(qū)域。洗滌段第5層填料亮黑色結(jié)焦區(qū)繼續(xù)增加，相應(yīng)的焦粉含量也隨之增加。洗滌段第6層填料結(jié)焦情況與第5層相近，但噴頭下方圓形的干凈區(qū)域幾乎消失，焦粉分布相對均勻。

2019年大修時(shí)的洗滌段填料層總體結(jié)焦情況比2015年大修時(shí)更為嚴(yán)重，且該大修周期內(nèi)填料運(yùn)行4年，而在2015年大修時(shí)填料共運(yùn)行6年。

亮黑色結(jié)焦區(qū)主要分布于3～6層，縱向呈錐型或圓臺型，貫穿于整個(gè)填料層，判斷結(jié)焦與本周期加工負(fù)荷較低及減壓深拔有關(guān)。2015年大修后，蒸餾裝置加工負(fù)荷從90%降至70%，導(dǎo)致減壓塔進(jìn)料量降低，進(jìn)而導(dǎo)致洗滌段內(nèi)回流量減少。2016年底，開始減壓深拔后，減三線回流量逐步從145 t/h降至120 t/h，雖然洗滌段填料潤濕量滿足殼牌(Shell)公司所給的下限值，但與下限值非常接近，且潤濕量計(jì)算每月進(jìn)行1次，并不能保證潤濕量總是高于下限值。內(nèi)回流量和減三線回流量下降導(dǎo)致洗滌段噴淋密度降低，噴淋間隙區(qū)域擴(kuò)大，這對洗滌段第1～2層填料的影響不大(因第1～2層內(nèi)回流量較高，可彌補(bǔ)噴淋不足的影響)，但第3～6層內(nèi)回流量小，會導(dǎo)致第3～6層填料局部潤濕量不足，造成局部結(jié)焦。減三線回流部分噴嘴堵塞，則噴頭下方的結(jié)焦情況將更加嚴(yán)重。填料層表面結(jié)焦會導(dǎo)致下方缺乏噴淋，加劇下方填料的結(jié)焦。洗滌段填料潤濕量計(jì)算公式見式(2)。

qV(WO)=(qm(DWO)-qm(SR in DWO))/ρ(DWO)

(2)

式中：qV(WO)為填料底部的清潔洗油潤濕量，m3/h；qm(DWO)為去加熱爐的洗滌油循環(huán)流量，kg/h；qm(SR in DWO)為循環(huán)洗滌油中減壓渣油的量，kg/h；ρ(DWO)為洗滌油的密度，kg/m3。

qm(SR in DWO)=qm(DWO)×(w(DWO)-

w(HVGO))/(w(SR)-

w(HVGO))

(3)

式中：w(x)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，x是DWO(洗滌油)、HVGO(蠟油Ⅱ)及SR(減壓渣油)，μg/g。

(3) 減壓爐煙氣中SO2含量超標(biāo)。設(shè)計(jì)減頂瓦斯胺液脫硫后進(jìn)減壓爐燃燒，減頂瓦斯有機(jī)硫含量高，但胺液脫硫無法脫除有機(jī)硫。蒸餾裝置原油中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)值為0.62%，自2017年3月起，原油中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐步從0.5%升至0.85%，最高為0.995%，導(dǎo)致減頂瓦斯脫硫后總硫質(zhì)量濃度升至約3 500 mg/m3。其中，H2S質(zhì)量濃度只有約5 mg/m3，其余全部為硫醇、硫醚等有機(jī)硫。實(shí)施減壓深拔時(shí)，減壓塔進(jìn)料溫度高，渣油裂解反應(yīng)加劇，導(dǎo)致減頂瓦斯量上升，其中攜帶的有機(jī)硫含量隨之增加。根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)減壓爐出口溫度高于424 ℃時(shí)，會導(dǎo)致減壓爐煙氣中SO2質(zhì)量濃度超過50 mg/m3，不能滿足GB 31570-2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

2 減緩洗滌段填料層結(jié)焦速率的措施

減壓塔洗滌段填料層結(jié)焦是影響蒸餾裝置長周期運(yùn)行的關(guān)鍵因素，為確保蒸餾裝置運(yùn)行周期達(dá)到5年，根據(jù)上述對洗滌段填料層結(jié)焦原因的分析，制定以下措施，減緩洗滌段填料層結(jié)焦速率：

(1) 大修時(shí)對洗滌段填料進(jìn)行全部更換，并確保填料安裝質(zhì)量。

(2) 對洗滌段減三線回流主管、分配管進(jìn)行清理，更換全部噴頭。

(3) 定期對減三線回流過濾器進(jìn)行檢查清理，注意檢查過濾器濾網(wǎng)，及時(shí)更換有破損的濾網(wǎng)。

(4) 嚴(yán)格按照殼牌(Shell)公司給出的限制值控制洗滌段填料潤濕量，并保持一定的安全裕量。每周對洗滌段填料潤濕量進(jìn)行計(jì)算，原油性質(zhì)發(fā)生大幅變化時(shí)也要對洗滌段填料潤濕量進(jìn)行計(jì)算。

(5) 提高常壓拔出率，有利于降低減壓塔壓降，從而提高汽化段真空度，在拔出率相同的情況下，可降低減壓爐出口溫度，減緩瀝青質(zhì)的結(jié)焦趨勢。在相同的溫度條件下，當(dāng)壓力(A)低于2.66 kPa時(shí)，壓力每降低0.13 kPa，汽化率約增加0.5%～0.7%，與溫度升高2 ℃的作用相當(dāng)[3]。

2019年9月大修結(jié)束，蒸餾裝置開工正常，洗滌油罐液位降至60%，洗滌油泵運(yùn)行正常，減壓塔洗滌段填料層壓降由檢修前的0.45 kPa恢復(fù)至0.14 kPa。填料層結(jié)焦是長期緩慢發(fā)生的，日常操作時(shí)需密切關(guān)注填料層壓降變化趨勢，將填料層壓降作為裝置長周期運(yùn)行監(jiān)控參數(shù)。發(fā)現(xiàn)壓降異常上升，及時(shí)分析原因，并對操作進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確保裝置長周期運(yùn)行。

3 減頂瓦斯脫硫增加柴油吸收措施

為解決減頂瓦斯胺液脫硫無法脫除有機(jī)硫、減壓深拔造成減壓爐煙氣SO2排放超標(biāo)的問題，借鑒VOC治理技術(shù)中利用低溫柴油吸收有機(jī)硫的原理，委托設(shè)計(jì)院進(jìn)行研究，將原有減頂瓦斯胺液脫硫塔(C-202)改為柴油吸收塔，利用蒸餾裝置混合柴油(約35 ℃)作為吸收劑，吸收減頂瓦斯中的有機(jī)硫。2018年經(jīng)論證該方法可行，開始進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。2019年4月-5月實(shí)施改造，減頂瓦斯脫硫改造流程見圖4，虛線框內(nèi)為新增的減頂瓦斯分液罐(V-217)。

2019年5月底，投用柴油吸收塔，投用后對操作進(jìn)行調(diào)整，投用前后數(shù)據(jù)對比見表1。

柴油吸收塔投用后，經(jīng)操作調(diào)整，減頂瓦斯總硫脫除率逐漸好轉(zhuǎn)，吸收后的柴油中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯上升。由表1可知：

表1 柴油吸收塔投用前后數(shù)據(jù)對比柴油吸收劑量/(t·h-1) 柴油吸收劑溫度/℃ 脫后減頂瓦斯中ρ(總硫)/(mg·m-3)總硫脫除率/%吸收前柴油中w(硫)/%吸收后柴油中w(硫)/%減壓爐煙氣中ρ(SO2)/(mg·m-3) 投用前 3 47934.20工況1 5372 15438工況2 7351 662520.442 0.585 10.14工況3 9.529401880.455 0.588 1.99工況4 9.5361 1106810.32

(1) 柴油吸收劑流量從5 t/h提至7 t/h，柴油吸收劑溫度從37 ℃降至35 ℃，減頂瓦斯總硫脫除率從38%升至52%。

(2) 柴油吸收劑流量從7 t/h提至9.5 t/h，柴油吸收劑溫度從35 ℃降至29 ℃，減頂瓦斯總硫脫除率從52%升至88%。

(3) 為驗(yàn)證柴油吸收劑溫度對吸收效果的影響，將柴油吸收劑溫度從29 ℃升至36 ℃，減頂瓦斯總硫脫除率從88%降至68%。

綜上所述，柴油吸收劑流量和溫度均會影響減頂瓦斯總硫脫除效果。在柴油溫度相同的情況下，每增加1 t/h柴油，總硫脫除率提高約6.6百分點(diǎn)；在柴油流量相同的情況下，柴油溫度每降低1 ℃，總硫脫除率提高約2.9百分點(diǎn)。目前，減壓爐出口溫度424 ℃，C-202柴油吸收劑流量7 t/h，柴油溫度35 ℃，可保證減壓爐排放煙氣中SO2質(zhì)量濃度滿足環(huán)保要求。根據(jù)減壓深拔的需要，可繼續(xù)提高減壓爐出口溫度。

4 結(jié)論

減壓塔洗滌段中下部填料層存在噴淋間隙，形成高溫干區(qū)，引起瀝青質(zhì)結(jié)焦，表面結(jié)焦進(jìn)一步加劇下方填料結(jié)焦，導(dǎo)致填料層從上至下結(jié)焦逐步加重。分析填料層結(jié)焦嚴(yán)重的原因如下：

(1) 2015年大修后，蒸餾裝置加工負(fù)荷下降，導(dǎo)致減壓塔洗滌段內(nèi)回流量減少。

(2) 2016年底開始減壓深拔后，減三線回流量降低。

(3) 減三線回流部分噴嘴堵塞。

以上因素導(dǎo)致填料層潤濕量下降，噴淋間隙區(qū)域擴(kuò)大，加劇了填料層的結(jié)焦。填料層的焦粉、碎焦塊被回流液帶入洗滌油集油槽，造成集油槽內(nèi)焦粉、碎焦塊沉積，導(dǎo)致焦粉、碎焦塊堵塞洗滌油抽出口，使流道變窄，進(jìn)而導(dǎo)致洗滌油泵出現(xiàn)抽空現(xiàn)象。根據(jù)洗滌段填料層結(jié)焦原因分析，制定了減緩填料層結(jié)焦速率的措施。2019年9月，裝置檢修開工后，洗滌油罐液位降至正常液位，洗滌油泵運(yùn)行正常，減壓塔洗滌段填料層壓降恢復(fù)正常。日常操作時(shí)，將洗滌段填料層壓降作為裝置長周期運(yùn)行監(jiān)控參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)進(jìn)行操作調(diào)整。

實(shí)施減壓深拔時(shí)，減壓塔進(jìn)料溫度高，渣油裂解反應(yīng)加劇，造成減頂瓦斯量上升，導(dǎo)致減壓爐煙氣中SO2排放超標(biāo)。為此，減頂瓦斯脫硫系統(tǒng)增加了柴油吸收措施，該措施有效降低了減頂瓦斯中有機(jī)硫和總硫含量，順利實(shí)現(xiàn)了減壓爐煙氣達(dá)標(biāo)排放，為進(jìn)一步減壓深拔創(chuàng)造了條件。