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1、焦炭塔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 延迟焦化是以渣油或类似渣油的污油、原油为原料，通过加热炉快速加热到一定的温度后进入焦炭塔，在塔内适宜的温度、压力条件下发生裂解、缩合反应，生成气体、汽油、柴油、蜡油、循环油组分和焦炭的工艺过程。在目前国内乙烯裂解原料石脑油短缺、优质柴油短缺、低硫低烯烃汽油短缺和石油焦短缺的条件下，延迟焦化工艺由于其工艺简单、投资低、操作费用低等特点又重新得到各石油化工公司的重视。一般情况下新建和扩建延迟焦化装置的主要目的是处理炼油厂过剩而无出路的减压渣油；减少重油催化裂化的掺炼比例，提高催化汽油、柴油的质量；提高作为优质乙烯裂解原料-焦化石脑油
2、的产量；增产高十六烷值柴油，提高炼油厂的柴汽比；增加中间焦化蜡油，为催化裂化及加氢裂化提供原料；利用焦化干气或石油焦作为制氢装置的原料。目前国内延迟焦化装置近30套，新设计和正在建设的约10套，自第一套延迟焦化装置在抚顺石化公司石油二厂建设以来，无论是延迟焦化工艺技术水平，还是设备技术水平均有了较大的提高，主要体现在装置运行更加安全可靠、开工周期延长、一次性投资降低、能耗降低、操作费用降低、自动化水平提高、操作灵活性提高、产品质量提高、环境污染减少。延迟焦化装置的主要设备有焦化加热炉、焦炭塔、焦化分馏塔、吹汽放空塔、加热炉进料泵、水力除焦机械等，其中焦化加热炉被认为是焦化装置的关键设备，而焦炭
3、塔则是焦化装置的核心设备。因为焦炭塔是焦化装置的反应器，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，因此在焦炭塔的设计过程中不但应充分考虑焦炭塔本体的设计，还应充分考虑与之相关系统的设计。2. 焦炭塔本体的设计焦炭塔本体的设计主要包括焦炭塔直径的确定、塔高的确定、塔体材料的选择及焦炭塔的结构形式。2.1 焦炭塔的直径和高度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，目前国内单塔处理量和焦炭塔规格的对应如下：序号单塔处理量(万吨/年
4、)焦炭塔规格（mm）建设时间操作循环比12030540018000（切）50年代至70年代1.31.424050610021000（切）80年代至90年代1.31.43100120840021000（切）90年代以来1.151.354130140880023500（切）21世纪初1.151.255150170940025500（切）21世纪初1.151.25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。焦化原料渣油在加热炉中被快速加热到500左右进入焦炭塔，为防止加热炉管结焦，炉出口的反应转化率一般不大于10（气体和汽油的转化率），大部分的反应延迟到焦炭塔
5、内进行，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应，裂解为吸热反应，缩合为放热反应，裂解的热量除了来自原料渣油本身外还有一部分由缩合反应提供，缩合反应生成的焦炭停留在塔内，并由塔壁向中心扩展，中心形成进料通道，在焦炭层以上为主要反应区，即泡沫层。泡沫层分油相泡沫和气相泡沫，气相泡沫在上部，其密度约为30100kg/m3，油相泡沫在焦层以上，其密度约为100700 kg/m3，焦化反应温度即为泡沫层温度，一般为460480，并且生焦率越高，该反应温度越高。焦炭层也存在焦化反应,裂化生成的气体自焦炭层益处,焦炭层的空隙率约为:30%50%。使热态的焦炭层高度高于冷态
6、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。塔内反应示意图如下：由于泡沫层为反应区，一般不希望正在反应的泡沫被油气夹带到焦炭塔顶出口的大油气管线和分馏塔，导致管线结焦和分馏塔内结焦影响产品质量。焦炭塔内油气的允许气速可用下式计算：其中Uc为塔内允许气相线速，m/s ; L为轻相泡沫层密度，kg/m3 ; LV为气相泡沫层密度，kg/m3。据资料报导，国外在焦炭塔内不注入消泡剂时，允许气速一般为0.110.17m/s。在使用消泡剂时，正常的设计油气速度应低于0.120.21m/s。根据允许的油气速度和焦炭塔内的油气流量即可确定焦炭塔的直径。焦炭塔内的油
7、气体积流量除和渣油进料量有关外，与原料性质、操作条件也有密切的关系。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，沥青质含量高的渣油生焦率较高，轻油收率较低。一般生焦率的估算可按式：Wc=1.6K2 进行，其中K为渣油的康氏残炭，产品分布一般最终由试验确定。当原料性质确定后，对生焦率和产品分布影响较大的主要是循环比、反应温度和压力。循环比减少10，生焦率一般减少1，同时焦化蜡油收率增加，气体、汽油、柴油收率下降。当需要提高装置的液体收率时一般采用降低循环比（0.150.25）或零循环比操作；当需要多产焦化石
8、脑油和柴油时一般采用较大循环比（0.250.45）操作；当焦化蜡油无出路或需要最大可能地生产乙烯原料时一般采用大循环比（0.41.0）操作。循环比越大，焦炭塔内的油气体积流量越大。提高焦化温度可增产液体产品收率，但基于焦化反应的特点，反应温度（炉出口温度控制）调整的幅度是很窄的，温度过高会导致提前结焦，堵塞炉管、转油线，影响开工周期，同时易生成硬质石油焦，使除焦困难；温度过低导致热量不足反应深度不够，轻油收率降低，焦炭挥发分增大或产生焦油。一般情况下是根据原料性质确定最佳的操作温度，通常焦化炉出口温度为495505，芳烃含量和沥青质含量的比值较大时宜采用较高的炉出口温度。采用低压操作可改善焦化
9、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0.150.20Mpa，国外最低的达到0.10.15Mpa。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、在线清焦时的加热炉吹汽量、四通阀及切断阀的汽封蒸汽量对焦炭塔的直径确定也有一定的影响，一般加热炉的注汽注水量按炉新鲜进料的1.01.5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28t/h考虑。焦炭塔底阀门的汽封量在采用连续注入时应考虑1.02.0t/h的蒸汽量。在基本确定焦
10、炭塔的直径后，根据焦炭产率、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、反应温度及压力有关，一般情况下生焦率高的渣油反应的泡沫层高度小，生焦率低的渣油的泡沫层高度大。大庆渣油为原料时，焦炭塔内的泡沫层约为57米，管输渣油和胜利渣油的泡沫层约为35米，辽河渣油和进口重质原油渣油的泡沫层约为34米。当在焦炭塔内注入消泡剂后，泡沫层的高度一般减少3050。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1024小时，采用16小时的占大多数，采用短的生焦时间
11、，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安全空高，安全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安全空高大于等于3米，国外焦炭塔的安全空高一般为23米。空高越大，焦炭塔的利用率越低，但油气在塔内的停留时间延长，对减少油气线和分馏塔内结焦有利。空高的计算公式如下：其中：H切焦炭塔切线高度, m； G焦焦炭生焦速率, kg/h； 焦生焦时间, hr； 焦塔内焦炭堆密度, kg/m3(800900 kg/m3)； V锥焦炭塔锥体体积, m3； D塔焦炭塔直径, m； H泡沫泡沫层高度, m。通常所说的缩短生焦时间可以提高处理量，只是焦炭
12、塔的安全空高增大，相应的油气线速可以在较高的范围内操作。另外采用在生焦初期加大焦炭塔的进料，生焦末期减少焦炭塔的进料的措施，也可以提高装置的年加工能力。焦炭塔直径和切线高度的关系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5.46.4米，其高径比一般为34。最近建设的大直径焦炭塔的高径比一般为23。美国焦炭塔的高径比一般为23。焦炭塔的直径和高度受到水力除焦机械，设备设计、制造、运输、吊装等的限制，不宜太大和太高，美国目前运行的最大焦炭塔的直径为8.84米。建议在装置处理量较大，采用一炉二塔使焦炭塔
13、的直径和高度特别庞大时，采用二炉四塔或三炉六塔更为适宜,不能盲目的追求设备大型化。2.2 塔体材料的选择焦炭塔的材质选择应考虑焦化原料性质、塔内操作条件、焦炭塔的结构尺寸、装置的建设投资。90年代以前，国内设计的焦炭塔的材质大部分为20g，因原料中硫含量不高，设计的温度及压力较低，焦炭塔的直径较小。通过近三十年的使用经验表明，该材质基本满足生产要求，但也出现了不少的问题，主要表现在由于其耐热性能差，使用一段时间出现塔体裂纹、鼓包和变形，给生产带来不安全因素。根据最新材料选择标准，焦炭塔的材质应选用20R。目前针对小直径焦炭塔，并且原料油中含硫量低，建设投资不高的情况下，仍可采用20R作为焦炭塔
14、的材料。采用碳钢材料，设计温度不能高于375，实际上焦化原料进焦炭塔的温度为485495，由于生成的焦炭积聚于塔壁，起到了隔热作用，实际测量焦炭塔塔体的最高温度不高于475；设计压力一般低于0.3Mpa，设计腐蚀裕度不小于3mm，否则焦炭塔的壁厚太大，给焦炭塔的制造、热处理、施工安装带来一定的困难。当焦炭塔的直径较大和原料中硫含量较高时，焦炭塔若采用碳钢材质，其塔体的厚度就会很厚，无论从使用性能、设备制造、施工安装、设备费用等方面均不利。因此目前设计的大型化焦炭塔的材质均采用Cr-Mo钢。国内近几年设计的焦炭塔的材质大都为15CrMoR。美国自19801997年大量使用Cr-Mo钢，CrMo钢
15、中经常用的是1Cr-1/2Mo，1 1/4Cr-1/2Mo和2 1/4Cr-1.0Mo，1 1/4Cr-1/2Mo钢和1Cr-1/2Mo钢相比，许用应力高、对缺口敏感性小、耐热性更好，但国内应用的还比较少。美国Foster-wheeler公司为印度设计的直径29英尺的焦炭塔下部锥体采用2 1/2Cr-1.0Mo钢，上部采用1 1/4Cr-1/2Mo钢。待添加的隐藏文字内容3为提高焦炭塔的耐热腐蚀性，焦炭塔上部经常采用不锈钢复合板，复合层的厚度一般为3mm，复合层的材质为0Cr13Al或0Cr13，国内焦炭塔大部分采用0Cr13Al，据资料报导，0Cr13Al应限制在343以下使用，长期处于37
16、1538会使其变脆，焦炭塔上部的温度为460左右，应采用0Cr13为好。美国19801997年安装的焦炭塔大部分采用0Cr13作为复合层。国内新设计的茂名石化公司和齐鲁石化公司的焦炭塔材质采用的是1 1/4Cr-1/2Mo钢和0Cr13复合层。复合层的高度为从顶部至泡沫层下200mm处，实际上焦炭塔内的泡沫层在不断变化，由底部逐渐向上升高，按理应全塔采用复合板。但实际操作证明，生焦完成时的泡沫层及泡沫层以上塔体腐蚀较严重，估计是最高泡沫层以下焦炭塔受焦炭的保护，并且越向下，受保护的时间越长，未被保护的上部塔体受高温气体腐蚀和冲蚀，在吹汽、给水冷焦时，受酸性水的腐蚀，从而导致上部腐蚀较为严重。当
17、焦炭塔采用CrMo钢及不锈钢复合板后，其耐热性提高，许用应力增大、耐腐蚀性增强，在设计时应考虑采用较高的温度和压力，使焦炭塔更适应焦化装置各种工况操作的变化。2.3 焦炭塔的结构形式确定焦炭塔的结构形式应充分考虑焦炭塔的操作特点、使用寿命、安全保障等方面的因素。焦炭塔虽然是一个空筒设备，但其结构型式、开口嘴子的设计也有多种型式。在上世纪六、七十年代和八十年代初，国内设计的焦炭塔均设有堵焦阀，装置开工预热和正常操作时焦炭塔的预热介质自堵焦阀进入，油品自塔底由甩油泵抽出，油气自塔顶进入分馏塔，由于堵焦阀处塔体受热不均产生裂纹和变形以及经常由于甩油不净导致换塔时塔内突沸冲塔，80年代以后国内设计的焦
18、炭塔均取消了堵焦阀，并增设了甩油罐。油气预热利用塔顶的大瓦斯线，开工循环利用安全阀线或单独设置的开工循环线。塔顶油气出口线过去自钻焦口法兰下接出，现在一般单独设油气出口，并且急冷油入口斜向下安装在油气出口法兰以下或上部的管线上。另外目前在设置开口时均考虑自焦炭塔顶打入消泡剂和注入炼油厂的污泥或含水污油。实践证明现在的改进措施，均有利于焦炭塔的灵活操作，对减少塔出口结焦也十分有效。焦炭塔的裙座结构也正在不断改进，由过去的对接型式和搭接型式逐步发展为堆焊型式和整体锻焊型式，四种结构型式的计算疲劳寿命分别是598、478、5503、10704周期。在有条件的情况下，为了尽量延长焦炭塔的疲劳寿命，应优
19、先考虑采用整体锻焊结构。另外，焦炭塔裙座采用蒸汽加热措施对延长焦炭塔的寿命也有一定的好处。过去焦炭塔顶封头均采用球形封头，为了在焦炭塔高度不变的情况下提高其利用率，增加焦炭塔的容积，国内目前大都采用椭圆封头，针对840021000mm的球型封头焦炭塔，若改为椭圆封头，在总高度不变的条件下，其切线长度约可以增加到23100mm，焦炭塔的筒体容积增加33.8m3，对增加焦炭塔的处理能力十分有利。根据焦炭塔的使用经验，焦炭塔的顶部钻焦口和底部出焦口的法兰容易发生火灾，这主要是由于该法兰的设计压力较低（一般为1.6Mpa）、经常人工拆装、金属垫片不过关、内部操作介质温度高所致。为了避免该类事件的发生，
20、应考虑采用合理的法兰结构型式、质量可靠的金属垫片，除焦口在拆卸法兰和装配法兰时应科学、精心操作，另外在法兰易泄漏部分设消防蒸汽环管，一旦油气外泄漏着火，操作人员也能够及时对其熄火。焦炭塔的料位计和塔壁测温点的设置也是焦炭塔设计应考虑的因素。设置料位计的主要目的是观察焦炭塔内泡沫层和焦层的所处位置，有助于及时确定注入消泡剂和停止工艺进料，对提高焦炭塔的利用率，指导焦化工艺操作、节约能耗和消泡剂耗量非常有利。目前国内采用的大部分是国产的中子料位计，其使用的中子源活度为50毫居，相应辐射剂量为距源点1米处，中子及射线总辐射剂量小于1.610-6希沃特时。其工作原理是中子源发出快中子，穿过塔壁和塔内介
21、质，由于塔内介质中的气体、泡沫层、焦炭的碳氢比不同，对中子的吸收慢化不同，塔外壁接收到的中子通量也不同。测量在此中子通量及其随时间的变化，则可以确定塔内物料的相对密度的大小及其变化，由此判定物料状态是油气、泡沫还是焦炭。通常每个焦炭塔设置料位计14点不等，设3点的较多。三个点的设置位置应根据生焦率、进料量、生焦时间、泡沫层高度确定。每检测点由中子源、检测器、电子线路、主控室接口及二控PC数据处理、显示系统等构成。塔上部件均有效地密封在防火、防水、防电磁干扰的外壳内，并安装在塔壁外的支架上，在塔体设计时应考虑料位计的安装位置及结构形式。上述料位计每一检测点只能检测塔内某一点的料位，另外一种料位计
22、点发射源和接收器在焦炭塔相对的两侧，发射源发射的射线是水平向下约30o的扇面，其对面的是长约23米的棒形接收器，该料位计可以在一定范围内连续检测塔内的料位，若采用该类型料位计，在焦炭塔设计时应考虑在塔的两侧设计安装料位计支架。焦炭塔塔壁温度的变化基本也可以判断焦层、泡沫层的位置，该措施在国内外也得到普遍应用。根据焦炭塔内的反应模式，泡沫层区的塔壁温度最高，焦层区由于焦炭的隔热作用，塔壁温度比进料温度低，气相区由于气体的温度低且传热较差，导致塔壁温度比反应区温度也低。根据不同点塔壁温度的变化，由低到高再到低来确定泡沫层是否已经过此点。另外塔壁温度的设置对焦炭塔的吹汽、给水、油气预热过程也有一定的
23、指导作用。测温点的热电偶和塔壁应有效接触，采用埋置式较合理，在焦炭塔的制造过程中就要预放焊接板。2.4 焦炭塔的制造、热处理、安装和试压焦炭塔的制造从炼钢开始，当焦炭塔的规格及材质确定后，向炼钢厂提出要求，冶炼符合设计要求的钢板，国内大型炼钢厂均可以生产满足要求的焦炭塔钢板，复合板由专门的复合板制造厂生产。焦炭塔裙座采用整体锻件结构时，应在制造厂事先锻造完成，整体运到现场，针对大直径的焦炭塔应充分考虑其运输的难度。采用堆焊结构可现场焊接。焦炭塔体一般采用分节制造现场组装的安装方法，可以在地面组装完毕，整体吊装就住，也可以分块吊装现场焊接。当焦炭塔采用铬钼钢或较大壁厚碳钢时，均应热处理，可以分段
24、在制造厂进行热处理，现场组装焊接后对焊缝进行局部热处理；也可以分段运到现场，在现场热处理炉进行热处理，在组焊后局部热处理。焦炭塔使用前的试压应采用水，试压水可由冷焦水泵送入, 在正常操作时试压一般采用蒸汽试压,试验压力应考虑温度的影响。3. 焦炭塔相关系统的设计在设计焦炭塔时应充分考虑其相关系统，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、油气预热等和焦炭塔操作密切相关的系统。焦炭塔的进料来自焦化加热炉，加热炉为连续操作，焦化油通过四通阀连续送至焦炭塔A或B，四通阀和四通阀两侧的球型隔断阀实行联锁控制操作，焦炭塔为间断进料，其进料时间即为生焦时间，在一个塔的生焦时间内，另一个必
25、须经过处理后达到生焦条件。一个焦炭塔两次开始进料的时间间隔为焦炭塔的操作周期。焦炭塔的操作周期一般为2472小时。下表为焦炭塔不同操作周的操作情况。 操作过程操作周期,h生焦h切换塔h小吹汽h大吹汽h小给水h大给水h排水h顶底头盖拆 卸h除焦h顶底头盖安装h试压h塔预热升温h闲置h36180.50.51.51.03.52.00.53.50.50.53.50.548240.50.52.02.54.03.50.54.00.50.54.51.024120.20.31.00.82.52.00.22.50.20.32.0072360.50.52.03.05.54.50.54.00.50.56.58.0由
26、上表可以看出，操作周期不同，焦炭塔处理的每一个步骤需要的时间不同，若达到同样的处理效果，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、油气预热流量不同，其相应系统的配置也有较大的差别。因此在确定生焦周期时应慎重考虑。采用较短的生焦时间可体现装置的设计水平，美国经常采用的是1618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，未反应的渣油和反应生成的部分油气停留在焦炭塔内，若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，从满焦的焦炭塔汽提轻
27、质油品至焦化分馏塔，小吹汽的蒸汽量和焦炭塔的直径、生焦时间有关，在生焦时间短，焦炭塔直径大的情况下，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1.53.0t/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1020t/h，视塔径不同而定，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。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，该系统是用焦化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
28、，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量有关，最大空塔气速以吸收油品不被蒸汽夹带为原则，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816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，避免打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1020
29、t/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（200300t/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
30、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，避免放水时间太长。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，效果比较明显。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
31、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。国内高压水泵出口压力、流量和塔径的关系见下表：焦炭塔直径高压水泵出口压力Mpa高压水泵流量m3/h540015.0150160600018.0180190610018.0180190640020.0190200680021.0200210840028.5250270880030.0260280940035.0300310根据国外资料介绍，焦炭塔每米直径，需要的水压约为2.72Mpa，美国休斯顿某炼油厂焦炭塔直径为7.42米
32、，选用的高压水泵压力为22.8Mpa。在给定的压力下，冲击力和流量成正比，焦炭塔直径增加，切焦水流量也应加大。国内设计焦炭塔每米直径需要的水压约为2.73.5Mpa，并且直径越大，平均每米需要的水流量变化不大。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耐压均超过42Mpa，完全可以满足使用要求。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安全操作。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
33、内54006800的焦炭塔下出焦口为1600，84008800的焦炭塔下出焦口为1800。更大直径的焦炭塔应采用更大的出焦口，保证焦炭的顺利流出，底盖装卸机的设计也应重新考虑。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，通常要求处理后切焦水中焦粉含量应小于500ppm，切焦水流量增加，达到同样的处理效果应延长停留时间，因此应考虑适当加大切
34、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。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、降低初始反应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
35、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（气液分离罐），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（200）经冷却后送至污油罐，而把高温的凝缩油（200）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。油气管线上的电动球阀或气动球阀应考虑可调节，平衡两路气体的压力，控制适宜的预
36、热速度。3.5 利用焦炭塔处理炼油厂的污油、污泥和浮渣为减少炼油厂的三泥排放和回收污油，利用焦炭塔处理炼油厂的污油、污泥和浮渣技术已在国内部分炼油厂得到成熟的应用，在新设计焦炭塔时应考虑该技术的使用。三泥主要是排水隔油池底的油泥、污水处理场经浮选器分离出的浮渣和生化处理场内由微生物形成的活性污泥，其含水量约7090，由于含水量较大，炼油厂一直无非常有效的处理措施，焦炭塔换塔后，塔内焦炭塔的高温热量可以加热污泥，使其脱水和脱油，油品和污水通过放空塔进行回收，灰分停留在焦炭中，和焦炭一起外卖出厂。福建炼化公司的操作结果表明，选择合适的老塔温度（350420）、合理控制三泥进料量（10t/塔）、采取
37、必要的保护措施，利用焦炭塔的余热处理三泥对焦化装置的正常生产和产品质量不会产生较大影响。三泥是在三泥罐或三泥池中预处理后由泵送至焦炭塔，可以自塔底进料线进入，也可以自塔顶打入，为防止塔内冷焦水通道赌塞，自塔顶打入较为合理，因此在设计焦炭塔时，塔顶应留有污泥回炼入口。镇海炼化公司焦化装置的三泥进料是在焦炭塔正常生产时，这样会对装置能耗和分馏塔的操作产生一定的影响，但通过采用严格控制三泥的回炼量，选用适宜的专用泵、专用线和专用注入口等措施，也完全达到处理三泥的目的，并且不会影响汽油、柴油、蜡油和焦炭的质量。焦化装置焦炭塔处理的污油一般是装置外来的含水污油和装置内吹汽放空、冷焦水处理以及油气预热产生
38、的含水污油等，该污油一般先经过大罐沉淀脱水，然后由泵送至焦炭塔，作为急冷油使用。在焦炭塔的设计时应考虑含水污油对焦炭塔及塔顶出口油气管线的影响。采用含水污油作为急冷油和采用蜡油或中段油作为急冷油相比,焦炭塔出口处和油气管线的气体流速会略有增加。4. 结束语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
39、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。参考文献1.国外延迟焦化技术新进展中国石化茂名石化公司，别东生。2.国内延迟焦化装置技术概况中国石化茂名石化公司，张兴永，李健强。3.焦化炉大型化关键工艺参数中石化北京设计院，魏学军等。4.大型焦炭塔几个设计问题的探讨中国石化工程建设公司，顾一天等。5.延迟焦化装置处理排水“三泥”总结镇海炼化公司，余水龙。6.延迟焦化处理炼厂浮渣工艺福建炼化公司，林华贵，郑恒仁。7.中子料位计在上海石化焦炭塔上的应用上海石化公司，张茂颖等。8. 1996 API COKE DRUM SURVEY FINAL REPORT ,JULY 21,1998.
