SEI 焦炭塔冷焦工艺及冷焦水处理技术探讨

焦炭塔冷焦及冷焦水处理工艺技术的探讨

黄孟旗 李出和

（中国石化工程建设有限公司， 100101）

摘要：分析介绍了焦炭塔冷焦采用的溢流和泡焦两种工艺的原理和主要特点，并对两种冷焦工艺的优缺点进行了比较。溢流冷焦工艺包括两种冷焦水处理流程，一种是由溢流水罐、放水罐和冷焦冷水罐构成的常规溢流流程；另一种是单独设置溢流水罐、放水至焦池、冷切焦共用一个水罐的改进溢流流程。改进溢流流程和常规溢流流程相比具有流程简单、节省投资、占地少、操作费用低等优点，但放水时存在蒸汽弥漫等问题。泡焦冷焦工艺也包括两种冷焦水处理流程，一种是目前国外焦化技术采用的常规泡焦流程，即不设溢流水罐、放水至焦池、冷切焦共用一个水罐的流程；另一种是国内的改进泡焦流程，即设置放水过滤、脱气以及不凝气净化设施和降压泡焦设施的流程。改进泡焦流程和常规泡焦流程相比避免了放水过程中的蒸汽弥散和含硫气体泄放，减少了冷切焦水罐的焦粉沉积，克服了焦炭冷却温度高的问题，虽然流程相对常规泡焦流程复杂，但是比国内的常规溢流冷焦流程简单。

关键词： 冷焦 溢流 泡焦

1． 概述

延迟焦化工艺是一种重油深度热裂化加工工艺，原料重油在加热炉被快速加热到所需温度后进入焦炭塔，在焦炭塔内适宜的温度、压力及长时间停留后进行高温热裂化和缩合反应，生成油气和焦炭。油气从焦炭塔顶流出至分馏塔，焦炭残留在焦炭塔内。通常，焦炭塔都是成对设置，当一台焦炭塔内生焦至所设定的高度时，通过四通阀将原料油切换至与之对应的另一台焦炭塔以保证生焦的连续进行，该焦炭塔进行冷焦、切焦和预热等操作，其中冷焦操作主要包括吹汽、给水、放水等步骤。吹汽是自焦炭塔底向塔内吹蒸汽，目的是汽提焦炭中的油气，使焦炭形成多空隙结构，以利于后续的冷焦；给水是自焦炭塔底向塔内注水，将焦炭冷却至适宜温度，使焦炭固化和避免切焦过程的自燃；放水是待焦炭冷却到合适温度后停止注水，由焦炭塔底排放塔内积水。吹汽及初期给水过程产生的高温油气和蒸汽送至分馏塔或放空塔处理，给水后期焦炭塔顶溢流水和塔底排放水统称为冷焦水，该部分水需要在装置内处理和利用，其基本原则是尽量减少冷焦及放水过程中蒸汽及

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污染物的排放，同时避免冷焦水带油带焦影响其循环利用。冷焦放水处理需解决的主要问题有：一是放水流量很不稳定，开始放水时流量很大，之后迅速降低；二是压力不稳定，放水时压力为塔内水柱的静压，随着放水的逐渐进行，压力不断降低；三是冷焦放水中存在焦块、焦粉及油等，容易带来堵塞等问题。随着延迟焦化工艺的不断发展，冷焦水处理工艺也持续改进，本文就焦炭塔冷焦及冷焦水处理技术进行阐述和探讨。 2．焦炭塔冷焦工艺

冷焦是将冷焦水从底部送入焦炭塔对焦炭进行冷却，冷焦工艺按其原理分主要有两种：溢流冷焦和浸泡冷焦（简称泡焦），两种工艺都是从焦炭塔底部给水进行冷焦。溢流冷焦是持续给水直至装满焦炭塔，然后冷焦水从塔顶溢流，通过冷焦水大量溢流将焦炭冷却至所需要的温度。泡焦是当冷焦水上升至焦炭塔内所设定的水位（需要淹没最大生焦高度）时，停止底部给水，通过水的蒸发来降低焦炭的温度。泡焦过程中，如焦炭塔内水位下降过快时，需要及时补水，以确保冷却效果。溢流和泡焦两种工艺基本特点如下表 。

冷焦方式 项目 冷焦原理 冷焦能耗 焦炭冷后温度 流程设置 其它 溢流冷焦 冷焦水溢流，显热 较高 较低 较复杂 浸泡冷焦 冷焦水蒸发，潜热 较低 较高 较简单 备注 冷焦溢流水易带油， 油被吸附焦炭孔隙中，冷处理较麻烦 焦水处理较简单 上表是两种冷焦工艺的基本特点及比较，以下就这两种工艺及相应冷焦水的处理技术做具体叙述。

3．焦炭塔溢流冷焦工艺

当采用溢流冷焦工艺时，溢流水的温度较高，且溢流水易带油、焦粉及硫化物等，需要对其进行单独处理。目前有两种常用工艺流程：

（1）常规溢流工艺流程：设溢流水罐、冷焦放水罐和冷焦冷水罐，并对溢流水和冷焦放水分别处理。

（2）改进溢流工艺流程：溢流水单独处理，并只处理溢流水，冷焦放水直接至焦池，冷切焦水共用一个水罐。

两种工艺的原则流程见图-1及图-2。

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图-1常规溢流工艺流程

图-2改进溢流工艺流程

3.1 常规溢流工艺流程

从图-1可看出，常规溢流工艺冷焦水处理流程比较复杂，投资操作费用均较高，主要存在以下问题：

（1）溢流水和冷焦放水进罐之前均未设置过滤器，清罐的频次和费用均较高； （2）冷焦水系统容易带油，影响其循环利用；

（3）各储罐均为拱顶罐，需要设置氮封，操作成本较高；

（4）溢流水温度高和冷焦放水流量变化较大，对储罐冲击容易导致罐体变形。 3.2改进溢流工艺流程

从图-2可以看出，该工艺只处理溢流水，冷焦放水直接至焦池，其流程比较简单。

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溢流水罐为拱顶罐，但其体积较小，冷焦水和切焦水共用一个罐，这种配置使其投资和操作费用均较低。该工艺也对溢流水罐顶的含硫气体进行了处理，但未对冷焦放水进行处理，放水时存在蒸汽弥散及少量含硫气体释放等问题。 4．焦炭塔泡冷焦工艺

采用浸泡冷焦工艺时，不需要单独处理溢流水，冷焦水处理工艺相对简单，主要对冷焦放水进行处理，目前有两种工艺流程：

（1）常规泡焦工艺流程：泡焦末期，焦炭塔顶放空至大气；泡焦结束，冷焦放水直接至焦池。

（2）改进泡焦工艺流程：泡焦末期，焦炭塔内气体经抽吸冷却后排大气；泡焦结束，冷焦放水至储罐之前进行过滤和脱气，不凝气进行脱硫等净化处理。 两种工艺的原则流程图见图-3及图-4。

图-3常规泡焦工艺流程

图-4改进泡焦工艺流程

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4.1 常规泡焦工艺流程

常规泡焦工艺流程是冷焦放水直接放至焦池，冷焦水在焦池中自然冷却，然后经沉淀池由提升泵抽送至冷切焦水罐，该流程在国外焦化装置中被普遍采用。其流程的设置非常简单，且充分利用了水的潜热来冷焦，冷焦水耗量较小，能耗较低。但该工艺存在以下问题：

（1）焦炭不容易被冷透，放水温度较高。焦炭为非常复杂的多空隙结构，且焦层成因复杂，尤其产生弹丸焦时冷焦难度更大。此外，焦炭塔内水位较高，与溢流工艺相比，没有冷焦水持续流动带走热量，使最后冷焦温度较高。

（2）泡焦时背压较高，不利于冷焦水的气化。水的气化温度与压力密切相关，尤其是到了泡焦的后期，塔内的温度较低，水的气化量和气化速率随之降低，使焦炭温度较高。

（3）泡焦末期，气体由放空塔切换至大气时，由于背压降低，冷焦水再次气化，造成水汽的弥漫，同时少量的烃类及含硫气体等随之释放。为了减少烃类及硫等物质的排放，有些国家环保部门对泡焦末期焦炭塔顶压力有严格的限制，且日趋严厉。如美国环保部要求该压力从之前的5psig(0.035MPag)降至目前的3psig(0.021MPag)。 （4）泡焦结束时，冷焦放水温度仍然较高，直接放至焦池，大量蒸汽挥发弥漫整个焦池上方，环保压力较大。尤其在北方地区，冬天蒸汽的弥漫会迅速结冰，散落在装置内，容易发生滑倒等危险。且水中少量的硫及硫醇等有害物质也随之释放出来，对操作工的身体健康存在潜在危害。 4.2 改进泡焦工艺流程

基于常规泡焦工艺存在的问题，SEI提出了一种对常规泡焦工艺流程的改进，并在实际工程设计中得到应用，即改进泡焦工艺流程。改进泡焦工艺主要从两个方面出发：一是降低泡焦时焦炭塔顶压力；二是对冷焦放水进行单独处理，消除蒸汽弥漫和含硫气体的释放等。如图-4所示，该流程与常规泡焦工艺流程相比，主要有以下不同：

（1）泡焦过程设置两次抽空，泡焦后期，放空塔顶气体不能自压至瓦斯管网或压缩机入口时，启动放空塔顶分液罐的气体抽空器，抽吸焦炭塔内气体去分馏塔顶空冷器入口，降低焦炭塔顶背压，提高冷却效果，同时降低蒸汽和含硫气体的泄放；泡焦末期，打开焦炭塔顶呼吸放空阀或顶盖机时，启动焦炭塔顶抽空器，抽吸塔内气体，经

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过水喷淋冷却后排放大气；

（2）设置冷焦放水过滤器和脱气罐，过滤的焦粉自压至焦池，闪蒸的气体相经空冷器冷凝冷却后进入分液罐，不凝气经脱硫处理后排至大气，脱气罐底冷焦水自流至冷焦放水罐，在罐内进一步沉淀焦粉，焦粉通过罐底排至焦池，冷焦水经过冷却打入冷切焦储水罐；

（3）冷焦冷水罐和切焦水罐共用一个罐，简化流程和节省投资和占地； 该工艺流程具有以下优点：

（1）冷焦放水脱气罐的设置解决了放水时蒸汽在焦池上空弥漫的问题。焦炭塔内水位较高、焦层结构复杂、背压较高等因素均不利于冷焦水在塔内的充分气化，使得采用泡焦工艺时冷焦放水温度较高。而冷焦放水脱气罐为冷焦放水提供了再次闪蒸和气化的空间，脱气的同时也降低了冷焦水的温度，冷焦放水脱气罐再次闪蒸的蒸汽及不凝气经过空冷器冷却进入分液罐，回收了蒸汽冷凝水，稳定了不凝气去脱硫的温度，减少了不凝气中的水含量；

（2）冷焦放水过程中的不凝气经过脱硫等净化处理，降低了含硫等有害物质的排放，。 （3）设置专门开发的冷焦放水过滤器，降低冷焦放水罐的清罐频次。 （4）冷焦放水罐和冷切焦水罐两台储罐均为敞顶罐，操作安全简单。

（5）采用抽空器两次抽空降低了焦炭塔顶压力，增强冷焦效果，减少烃类及硫等的排放。 5．小结

焦炭塔的冷焦是整个除焦操作中的一个重要步骤，冷焦主要任务是充分冷却焦炭的同时尽量降低放水过程中蒸汽及含硫等污染物的排放。焦炭塔的冷焦主要有溢流和泡焦两种工艺，两种工艺其冷焦原理及流程不尽相同，且各有其特点。对于溢流冷焦工艺来说，溢流水单独处理的改进工艺流程具有投资低、操作费用低和操作简单等优点，但放水时存在蒸汽弥漫等问题；对于泡焦冷焦工艺来说，冷焦放水单独处理的改进工艺流程由于设置了过滤、脱气以及不凝气的净化等设施，放水过程中蒸汽及含硫等污染物排放较少，同时流程比较简单，投资及操作费用均较低，建议推广应用。

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