石柯

(中石化洛陽工程有限公司,河南 洛陽 471003)

在我國,加工重油的重要手段之一,是通過延遲焦化裝置,將重油生成石油焦,同時產(chǎn)生油氣等輕組分。截至2012年底,國內(nèi)已投產(chǎn)的焦化裝置數(shù)量超過100套,總加工能力超過1.1億t/a,僅次于美國,居世界第二位[1]。

延遲焦化是將重油等在其他煉油裝置中無法處理或難以處理的劣質(zhì)原料經(jīng)高溫加熱,通過熱裂化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氣體、液體產(chǎn)品,同時生成固體石油焦的煉油工藝流程。焦化原料經(jīng)加熱爐加熱至約500 ℃后進(jìn)入石油焦塔進(jìn)行裂化和縮合反應(yīng),裂化反應(yīng)的油氣進(jìn)入分餾塔分餾為焦化富氣、焦化石腦油、焦化柴油和焦化蠟油,縮合反應(yīng)生成的石油焦留在石油焦塔內(nèi)。延遲焦化裝置生焦過程在石油焦塔中完成,一般采用一臺加熱爐對應(yīng)兩個石油焦塔的流程,一個石油焦塔進(jìn)行裂化反應(yīng)和縮合生焦過程,另一個石油焦塔則進(jìn)行石油焦的冷卻、除焦和暖塔過程,兩個石油焦塔的輪流切換形成了一個連續(xù)的生產(chǎn)過程。焦化裝置已成為當(dāng)今煉油廠渣油特別是劣質(zhì)渣油加工的主要手段之一[2]。

石油焦塔中除去石油焦普遍使用水力除焦的方法,其原理是利用高壓水對石油焦塔內(nèi)的石油焦進(jìn)行切割。切割下來同切焦水一同流入儲焦池,兼?zhèn)鋬Υ婀δ艿膬钩芈短斐谠O(shè)置,池內(nèi)除焦水經(jīng)折流池沉淀、過濾后循環(huán)使用,池內(nèi)石油焦則利用抓斗起重機一斗一斗地倒料或抓到外運火車、汽車上。水力除焦方法簡易可靠、流程簡單、投資少,是目前國內(nèi)外延遲焦化裝置普遍采用的除焦方法。

敞開式的水力除焦方法也帶來一些環(huán)保方面問題,例如:石油焦在抓取和輸送過程中,抓斗、火車或汽車車廂附近存在大量的石油焦撒落情況對周邊環(huán)境造成污染。而與此同時,露天儲焦池中堆積的石油焦,隨著水分的蒸發(fā),遇風(fēng)則四處飛揚,污染周圍環(huán)境。

隨著國家環(huán)保要求的日益提高,目前延遲焦化裝置的除焦方法已不能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,需要實現(xiàn)封閉式輸送。

目前主流的封閉式輸送技術(shù)主要有三種,一種是中石化廣州工程有限公司/中石化洛陽工程有限公司(LPEC)聯(lián)合相關(guān)單位合作開發(fā)了《安全環(huán)保型延遲焦化石油焦密閉除焦、輸送及存儲成套技術(shù)》,其原理是焦炭塔中的石油焦經(jīng)水力除焦系統(tǒng)切割后,通過底蓋機進(jìn)入篩分破碎機,破碎后的石油焦與切焦水一起進(jìn)入密閉式脫水倉中,石油焦在脫水倉中經(jīng)攤平、脫水后,通過智能取焦系統(tǒng)控制的垂直螺旋提升機自動輸送至石油焦密閉存儲、輸送及定量裝車系統(tǒng)[3];另一種20世紀(jì)60年代,德國的TRIPLAN公司首先開發(fā)出石油焦處理系統(tǒng),在德國卡爾斯魯厄煉油廠建成了第一套封閉式石油焦處理系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)是利用安裝在焦炭塔底部的雙輥破碎機將石油焦粉碎后,混合除焦水,再利用水漿泵輸送至后續(xù)脫水儲罐進(jìn)行脫水,脫水后的焦炭再利用皮帶機、螺旋輸送設(shè)備等,外送至需要的場所。最后一種是利用原有焦池結(jié)構(gòu),對儲焦池進(jìn)行封閉,并對原抓斗進(jìn)行遠(yuǎn)程操作改造,以達(dá)到環(huán)保驗收的要求。其中,前兩種型式,尤其是第一種封閉式輸送技術(shù)目前使用最為廣泛,在應(yīng)用時,均需要對石油焦進(jìn)行破碎,才能夠?qū)崿F(xiàn)后續(xù)的流程。因此,隨著密閉除焦技術(shù)的推廣,破碎機在延遲焦化裝置中的應(yīng)用,也變得越來越重要。

1 存在的問題

焦化裝置中使用的多為對輥式破碎機,如圖1所示型式。破碎機在焦化裝置使用過程中,在除焦階段,完成水力鉆孔操作后,打開底蓋機閥門時,上部焦、水混合物進(jìn)入破碎機,出現(xiàn)了水、焦碳混合物將破碎機上部的軟連接密封法蘭處冒出,甚至出現(xiàn)焦、水混合物從縫隙處射出的情況,同時破碎機因出現(xiàn)過流、過壓(變頻故障)觸發(fā)電氣保護(電機為變頻起動、工頻運行)而自動停機,后因破碎機重載無法重新啟動,導(dǎo)致除焦過程無法完成。

圖1 破碎機平、立面外形圖

在焦化裝置除焦過程中,破碎機運行期間,出現(xiàn)電機跳閘現(xiàn)象;每次除焦過程中,都伴隨堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。尤其是在除焦完成水力鉆孔后打開底蓋機閥門,上部焦、水混合物進(jìn)入破碎機時,往往會伴隨焦水噴射及破碎機過電壓跳機、過負(fù)荷跳機等現(xiàn)象。一旦發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象,破碎機無法進(jìn)行帶載啟動電機,又由于整個流程處于全封閉區(qū)域,難以進(jìn)行故障處理及維修。因此往往會造成除焦操作的停工,變相地延長了除焦時間,而整個焦化裝置的生產(chǎn)工藝是交替順序進(jìn)行的,一旦一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題,會對整個焦化裝置的加工流程造成影響,降低焦化裝置的處理能力,嚴(yán)重時,甚至?xí)绊懙饺珡S的物料平衡。

2 原因分析

石油焦的除焦工藝,目前在我國,主流采用的是利用高壓水進(jìn)行水力切割除焦的方法,密閉除焦工藝的破碎機布置,有兩種型式,一種是布置在石油焦塔正下方,一種是布置在溜槽的正下方。這兩種石油焦破碎機的型式均是采用雙齒輥式破碎機,以中石化開發(fā)的密閉除焦技術(shù)為例,最大進(jìn)料粒度一般≥800 mm,排料粒度150 mm[3],常見的處理量為500～800 t/h,電機驅(qū)動,在某些煉廠,還采用變頻調(diào)速。

2.1 破碎機位置原因

布置方式一如附圖2所示,由于其布置在石油焦塔正下方,物料通過破碎機時,可以利用石油焦自身的重力,撞擊在破碎機上,實現(xiàn)破碎,由于重力的影響,可以增大破碎機的通過率。同時,由于破碎機實際上承受了石油焦墜落造成的沖擊力,因此,這種布置方式,還會延長溜槽的使用壽命。這種布置方式的缺點是對空間位置要求較高,一般改造項目需要對焦炭塔進(jìn)行相應(yīng)的錐段改造后方可實施。

圖2 上置破碎機布置方案

而布置方式二如附圖3所示,由于其布置在溜槽下方,這種布置方式對空間位置要求不高,但由于石油焦被水力除焦切落后,垂直落在溜槽上,經(jīng)過與溜槽的撞擊,使得石油焦受到了緩沖,其所具有的勢能減少,不利于物料通過破碎機,往往會更容易堵塞破碎機;同時由于石油焦是直接撞擊在溜槽上,也會減少溜槽的壽命。

圖3 下置破碎機布置方案

2.2 破碎機外形原因

以布置方式一為例,該破碎機進(jìn)料口為方形,但由于焦化裝置中石油焦塔下料口為圓形。因此,實際上石油焦破碎機作業(yè)區(qū)域無法覆蓋整個破碎機作業(yè)面,僅僅在破碎機中心部分,減小了破碎機的工作面積,如圖4所示。

圖4 破碎機實際工作區(qū)域示意圖

同時,破碎機的出料口也為方形,但溜槽口的下料口為圓形,并且破碎機進(jìn)出口通常是上大下小,造成了一種上大下小,中間粗的容積形狀,進(jìn)一步導(dǎo)致破碎機出料不暢。

布置方式二由于其布置在溜槽的下方,因此可以通過設(shè)置專門的破碎機入口,避免進(jìn)料口縮頸的現(xiàn)象,有利于石油焦的進(jìn)出。

2.3 破碎機短時功率不足

以破碎機單臺處理量500 t/h為例,單塔的石油焦產(chǎn)量為每天產(chǎn)焦炭約900 t,每次水力除焦過程大約3 h。經(jīng)計算可知,破碎機平均每小時僅需處理300 t焦炭,對于處理量超過500 t/h 的破碎機來說,破碎機理論設(shè)計的破碎能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該焦化裝置的實際生產(chǎn)需要。

但在實際應(yīng)用中,由于除焦工藝采用的是利用高壓水切割和打擊焦炭相結(jié)合的方式將焦炭從焦炭塔壁上切落,在這個過程中,焦炭的掉落具有一定的隨機性和偶然性,并不是均勻掉落的,擊碎后的石油焦塊粒度不一,即破碎機處于非均勻受料工況。被切落后的石油焦,又通過焦炭塔底經(jīng)底蓋機進(jìn)入破碎機受料口中。

在水力除焦的過程中,除了落料過程的不均勻性外,由于石油焦是附著而非固定在石油焦塔塔壁上,因此,會出現(xiàn)偶爾短時石油焦塌方的情況,一旦此情況發(fā)生,會造成破碎機瞬間破碎量激增,破碎機瞬時破碎能力不足,進(jìn)而引起電機超電流,破碎機的停機的現(xiàn)象。

2.4 變頻保護過載能力低

該破碎機使用變頻調(diào)速,在保護回路中,設(shè)置了變頻器容量保護回路,變頻器容量過載保護值。當(dāng)負(fù)荷值超過過載保護值的時候,電機本身并未過載,但卻觸發(fā)了變頻器的容量過載保護,從而引起破碎機電機停機。

底蓋機開蓋過程中,由于焦炭塔上部為焦粉、泡沫膠及切焦水,因此第一鉆打通時,會出現(xiàn)大量的切焦水、焦粉、泡沫膠的混合物,自超過破碎機安裝排平臺至少25 m以上區(qū)域瞬時落下,破碎機齒輥在流固兩相混合物的沖擊下,造成其轉(zhuǎn)速超過電機額定轉(zhuǎn)速或反轉(zhuǎn),進(jìn)而造成電機跳機。

2.5 破碎機連接口的設(shè)計

在除焦完成水力鉆孔后打開底蓋機閥門,上部焦、水混合物進(jìn)入破碎機時,往往會伴隨焦水噴射。破碎機的連接段,常見的有兩種異型連接設(shè)計,一種是直面式,一種是錐面式,如圖5、6所示。直面式破碎機設(shè)計連接簡單,受力好,尤其是對于均勻受料,處理量相對較小的破碎機,有著較好的應(yīng)用。但對于焦化裝置的破碎機,由于高壓水力切焦工藝存在切焦不穩(wěn)定性及具有偶然塌方的可能。一旦發(fā)生這種情況,則破碎機進(jìn)料口會堆滿物料,并且會隨著使用過程中,破碎機雙齒輥的咬合所產(chǎn)生的楔向力,擠壓上蓋板,進(jìn)而將上蓋板推開,造成焦炭噴射。因此,在焦化裝置的設(shè)計過程中,應(yīng)當(dāng)進(jìn)料采用錐面式連接蓋板,避免破碎機產(chǎn)生楔向力,從而緩解破碎機連接口處的漏料現(xiàn)象。

圖5 直面式連接段

圖6 斜錐面連接段

同時,在使用了斜錐面后,使用過程中,破碎機蓋板連接處,還是會存在滲水、漏料等現(xiàn)象。分析其原因,主要是由于破碎機一旦發(fā)生了堵轉(zhuǎn),為了快速排除故障,經(jīng)常采用利用水力切焦器鉆孔功能,沖擊堆積在破碎機上部的焦炭,從而減少破碎機的負(fù)荷,達(dá)到破碎機重啟。但由于沖焦鉆頭使用的是高壓水,其水泵揚程往往在3 000 m左右,這就造成底部連接處需要承受高達(dá)30 MPa的沖擊,這種沖擊又伴隨高頻的震動,會造成連接件的松動、失效,進(jìn)而密封面失效,造成沖焦水沖出的現(xiàn)象。

3 改進(jìn)措施

破碎機一旦安裝,在使用過程中出現(xiàn)以上問題時,由于現(xiàn)場工作條件及裝置需求限制,造成無法改變破碎機外形尺寸及對現(xiàn)場土建結(jié)構(gòu)做出大規(guī)模調(diào)整。因此,針對以上問題和現(xiàn)場條件,可以做如下措施優(yōu)化:

首先,對于設(shè)置變頻驅(qū)動的破碎機,由于變頻器對于變頻保護,取消了電機變頻器;

其次,可對破碎機進(jìn)行改造,減少齒數(shù)并增大齒距,減少破碎機不必要的功率輸出;

最后,優(yōu)化水力除焦方案及工藝方案,減少焦炭塌方的可能性。

通過以上改進(jìn),解決了破碎機的長周期運行問題,確保了裝置的設(shè)備的平穩(wěn)運行和裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)。對于新上裝置,考慮破碎機在焦化使用過程中一旦出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況,往往需要較大的扭矩,因此,除上述優(yōu)化方案外,也可考慮采用液壓馬達(dá)作為驅(qū)動裝置,利用液壓馬達(dá)恒扭矩的特性,為破碎機堵轉(zhuǎn)時,提供較大的驅(qū)動扭矩。

3.1 破碎機改造

破碎機堵轉(zhuǎn),究其原因,還是由于破碎機的通過性和破碎能力與焦化裝置的焦炭進(jìn)料量無法匹配。因此,可以通過增大焦炭通過率,使破碎機的篩分功能變大,減少破碎機的有效做功。破碎機破碎最小粒徑小,則齒間隙小,當(dāng)泡沫膠裹挾焦塊通過時,極易造成堵料;而后續(xù)處理設(shè)備,如提升機、抓斗、皮帶機等,根據(jù)后續(xù)流程的可接受的最大粒徑,破碎機的間隙重新設(shè)計,應(yīng)當(dāng)遵循從大原則,在滿足后續(xù)工藝操作的前提下,盡量增大破碎機的齒間距?？筛鶕?jù)現(xiàn)有條件及后續(xù)工況,為避免破碎機堵轉(zhuǎn)做出如下改造:1)取消破碎機側(cè)齒,2)減小破碎機滾齒直徑,3)減少每臺破碎機上的齒數(shù),4)使破碎機的出料粒度提高。以上種種措施,目的均為增加破碎機的通過能力,減少破碎機的實際做功。

改造后,不但提高破碎機的通過能力,減少了堵轉(zhuǎn)的可能性,還降低破碎機的輸出功率,節(jié)約能耗,同時對篩分破碎機的破碎齒布局進(jìn)行優(yōu)化,增加破碎輥之間的輥縫面積,從而降低破碎過程中產(chǎn)生的粉焦量[4]。

3.2 取消電機變頻增加電機正反轉(zhuǎn)功能

取消破碎機的變頻電機,為增大啟動力矩,電機啟動時,采用軟啟動。避免了由于短時過載引起變頻保護停機。

同時增加電機正反轉(zhuǎn)功能,一旦發(fā)生堵料,可以通過正反轉(zhuǎn)操作,恢復(fù)破碎機的正常工作。

3.3 工藝流程改進(jìn)

破碎機堵轉(zhuǎn)的根本原因,是由于落料不均勻以及焦炭塌方引起的。首先,為了較少落料不均勻,在切焦時,應(yīng)當(dāng)盡量采用小切距,均勻切焦的方式,較少切焦距離,控制切焦量,使切焦量盡可能的平均。同時,切焦速度要盡可能地慢,切焦鉆頭盡量采用較小孔徑,防止切焦過程中石油焦瞬時塌落的可能,防止因為短時處理量過載引起破碎機停機。

該操作雖然較之前的除焦過程略為繁瑣,但目前可實現(xiàn)通過判斷振動信號的幅值和頻率差異來監(jiān)測焦炭是否清除完畢的方法[5],并結(jié)合自動水力除焦系統(tǒng)陸續(xù)投入使用,可采用自動化除焦,減少人工投入。

4 結(jié)論

通過對現(xiàn)有焦化裝置,實施封閉式改造后,采用的破碎機布置方式、連接方式以及常見的問題,進(jìn)行了總結(jié)和分析,提出了為滿足焦化裝置使用,而進(jìn)行破碎機的適應(yīng)性優(yōu)化方案。通過對破碎機的適應(yīng)性改造以及流程的部分優(yōu)化,可以在不對裝置和原設(shè)計方案做出太大調(diào)整的情況下,解決了破碎機在焦化裝置中使用的堵塞、超電流及泄露等問題。