催化裂化VQS系統(tǒng)運用與改進

郝永杰，程久聯(lián)

（中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東青島 266500）

青島煉化催化裂化裝置采用北京石油化工研究院開發(fā)的MIP-CGP工藝。沉降器提升管出口采用“VQS快分+單級旋分”形式。

其中VQS系統(tǒng)由旋流快分頭、封閉罩、直聯(lián)升氣管、預(yù)汽提段等組成，即在提升管出口外設(shè)一個封閉罩，將內(nèi)提升管和部分汽提段設(shè)置在罩內(nèi)。反應(yīng)后的催化劑和油氣經(jīng)提升管出口處的旋流快分頭分離后，帶有少量催化劑的油氣經(jīng)封閉罩上部的直聯(lián)升氣管直接進入頂旋風(fēng)分離器。由于有封閉罩密閉，反應(yīng)油氣不能進到沉降器內(nèi)部其它空間。從旋流頭快分出來的待生劑進入封閉罩內(nèi)汽提段進行汽提。頂旋風(fēng)分離器料腿出來的待生劑經(jīng)翼閥落入封閉罩外底部，通過溢流圈槽口進入汽提段。VQS系統(tǒng)在冷態(tài)下的分離效率達98.5%以上,油氣出旋流快分頭后在沉降器內(nèi)的停留時間在5 s以下,當(dāng)設(shè)置2～3層擋板時,預(yù)汽提線速在0.1 m/s時即可達到較好的汽提效果[1]。

VQS系統(tǒng)具有“三快”特點：即油氣與催化劑的快速分離、油氣的快速引出、催化劑夾帶油氣的快速預(yù)汽提。因此，VQS技術(shù)大大縮短了油氣在沉降器中的停留時間，減少二次裂化和死區(qū)結(jié)焦，焦炭和干氣的產(chǎn)率明顯降低，摻渣比可大幅度提高，總液收可提高1%以上，同時VQS正常工況下穩(wěn)定性極高。

該結(jié)構(gòu)缺點是開停工或事故狀態(tài)下容易跑劑，造成油漿固體含量升高。國內(nèi)應(yīng)用此結(jié)構(gòu)的十幾家煉廠中，很多煉廠出現(xiàn)了油漿固含量升高的現(xiàn)象甚至是跑劑被迫停工事故，沉降器示意圖（見圖1）。

圖1 沉降器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 chart of settlement structure

1 VQS系統(tǒng)在各大煉廠的運用情況

VQS結(jié)構(gòu)是最近十幾年發(fā)展并廣泛運用的快分形式。目前，已在18套裝置上成功運用，總加工量達1 890萬噸/年。從各大煉廠目前的應(yīng)用情況來看，相比其它工藝結(jié)焦問題得到較好解決，然而跑劑事故及油漿固含量升高現(xiàn)象卻時有發(fā)生。

燕山石化二催化沉降器在1998年實施VQS改造。改造后VQS系統(tǒng)運行總體平穩(wěn)，但期間出現(xiàn)了催化劑大量跑損、油漿固含量超高的問題。其中有催化劑破碎細化的問題，也有VQS系統(tǒng)分離效率下降及設(shè)計問題[2]。

金陵分公司一套催化裂化裝置在2001年初對裝置沉降器進行了VQS技術(shù)改造，在首次開工及同年5月底的事故處理后生產(chǎn)恢復(fù)過程中，均出現(xiàn)了沉降器大量跑損催化劑的現(xiàn)象。

蘭州石化一套二套催化裂化裝置在2000年6月實施了VQS改造。該公司在2000年至2007年運行過程中多次出現(xiàn)催化劑大量跑損至分餾塔的事故。

青島煉化公司于2009年3月14日沉降器發(fā)生催化劑跑損情況。3月15日檢測油漿中催化劑固含量已達到200 g/L以上。經(jīng)采取調(diào)整裝置加工負荷、調(diào)整預(yù)提升蒸汽量、補充催化劑和提高沉降器料位等操作措施后，沉降器跑劑無根本性好轉(zhuǎn)，油漿固含量仍有30 g/L左右，3月16日凌晨裝置被迫停工處理。3月19日、20日對沉降器開人孔檢查發(fā)現(xiàn)：旋風(fēng)分離器翼閥的蓋板磨損嚴重，6個蓋板中4個已經(jīng)磨穿；VQS罩內(nèi)未發(fā)現(xiàn)結(jié)焦，而VQS罩外殼體，沉降器器壁和旋風(fēng)分離器上結(jié)焦相對較嚴重，主要以粉狀焦為主。

2011年2月，沉降器再次發(fā)生跑劑現(xiàn)象，裝置被迫停工處理。檢查發(fā)現(xiàn)沉降器旋風(fēng)分離器翼閥蓋板磨損，沉降器罩外壁和沉降器內(nèi)壁無堅實塊狀焦，但在罩外預(yù)提升蒸汽環(huán)處有大量粉狀焦。

2 沉降器跑劑原因分析

根據(jù)各個煉廠催化裂化裝置沉降器跑劑事故分析，跑劑原因可歸納為催化劑“細化”、開工或生產(chǎn)過程中操作不當(dāng)、設(shè)備設(shè)計缺陷以及結(jié)焦等四個方面。

2.1 催化劑細化容易跑劑

沉降器中催化劑細化的原因有兩個：一是，選用的催化劑或者平衡劑中小于20 μm的細粉太多；二是催化劑抗磨性較差，在循環(huán)過程中發(fā)生磨損，產(chǎn)生大量細粉。據(jù)研究[3]，在多臂式VQS旋流頭噴出口內(nèi)側(cè)，一方面是切向速度急劇降低，另一方面是軸向速度又變成上行流，形成了短路流，顆粒還來不及在旋流作用下被分離出來，就被夾帶上去了，因而在該區(qū)域十分不利于顆粒的分離，特別是細粉更容易被向上揚析夾帶。

本公司2010年1～2月、6～9月催化裝置出現(xiàn)過兩次催化劑跑損量大幅增加的情況，經(jīng)分析其主要原因是當(dāng)時加入系統(tǒng)的新鮮劑與系統(tǒng)原有催化劑間物理性能相差較大，不同強度催化劑間磨損產(chǎn)生大量的細粉，引起催化劑大量跑損。

2.2 操作原因造成跑劑

對于建成投產(chǎn)的工業(yè)裝置，其設(shè)計及設(shè)備結(jié)構(gòu)均已定型，要在開工及操作波動過程中避免出現(xiàn)催化劑大量跑損，就必須從操作參數(shù)的有效調(diào)整控制方面著手。歸納起來主要是VQS出口線速、頂旋入口線速、VQS及頂旋壓降，沉降器壓力。VQS出口線速存在一個催化劑跑損的敏感區(qū)，此敏感區(qū)因裝置而異，一般在7～14 m/s范圍內(nèi)，當(dāng)線速超過20 m/s后，夾帶跑損量也將增加（本公司大約在11～14 m/s）。而VQS線速受沉降器壓力，進料量，提升蒸汽量、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率等影響。因此正常生產(chǎn)中應(yīng)平穩(wěn)地調(diào)節(jié)沉降器壓力、進料量和提升蒸汽量。而在開工時應(yīng)盡快避開這個跑劑敏感區(qū)。

2.3 設(shè)備問題造成跑劑

2.3.1 翼閥選型不合理

2.3.1.1 靜態(tài)實驗不符合要求 本公司選用的翼閥按設(shè)計的安裝角度4.5～5.5°做靜態(tài)實驗時，料腿上催化劑質(zhì)量僅到2 kg時，翼閥便打開流出催化劑。按照技術(shù)要求直徑DN450 mm的翼閥做靜態(tài)實驗時，翼閥開啟重量應(yīng)在4 kg以上。很明顯我公司所選翼閥不合適。

2.3.1.2 翼閥閥體保護罩斜板角度不合適 原設(shè)計翼閥閥體保護罩斜板與水平夾角為30°，傾斜角度偏小，阻礙催化劑流動，催化劑在斜板上停留時間較長，容易結(jié)焦。焦塊長大后容易卡住翼閥蓋板，蓋板與閥體形成空隙，致使旋分分離器料腿無法形成料封，夾帶催化劑的油氣由縫隙倒竄，磨損蓋板，最終造成沉降器大量跑劑。

2.3.1.3 翼閥料腿直徑不匹配 290萬噸/年催化裂化裝置原設(shè)計在考慮正常的兩器間催化劑循環(huán)量（2 375 t/h）之外，還要考慮操作時需要從沉降器汽提段經(jīng)MIP循環(huán)管返回提升管下部約800～1 200 t/h的催化劑循環(huán)量，因此旋分器的料腿采用直徑DN450 mm，而在實際操作過程中，沒有使用MIP循環(huán)管，即沒有催化劑從沉降器汽提段循環(huán)至提升管二反區(qū)的下部，實際進入旋分器的催化劑量減少約25%～30%。分析因料腿較粗，在生產(chǎn)過程中，料腿中料位無法積攢到料封料位，翼閥便被打開，又由于料位太低，催化劑很快下完，夾帶催化劑的油氣從翼閥反竄進料腿，物料對翼閥蓋板沖刷，造成翼閥的磨損。在裝置現(xiàn)場，翼閥附近可以聽到翼閥頻繁開關(guān)的“當(dāng)、當(dāng)”聲，恰好證實了這一點。

2.3.2 沉降器溢流密封圈槽口設(shè)計不合理 VQS封閉罩原設(shè)計下部結(jié)構(gòu)為溢流密封圈式，并在溢流密封圈和封閉罩上開槽口，作為催化劑流動通道。其中封閉罩下部開槽口12個，溢流密封圈開槽口6個。因此，VQS罩外催化劑進入汽提段的直通流動通道只有6個，催化劑流通受阻，催化劑在VQS罩外停留時間長，增大了結(jié)焦的幾率。

同時設(shè)計的溢流密封圈外腔，存在局部低溫區(qū)，影響催化劑的流動性。

2009年3月14日本公司發(fā)生催化劑跑損事故，本公司隨即采取提高沉降器料位，以封住翼閥，防止催化劑由翼閥處通過單旋跑損，但是效果并不理想。究其原因就是溢流密封圈阻礙了催化劑流入汽提段。

2.4 VQS罩外結(jié)焦導(dǎo)致跑劑

VQS罩外結(jié)焦尤其是翼閥處結(jié)焦，對沉降器的穩(wěn)定運行威脅很大。當(dāng)結(jié)焦達到一定程度后，在遇到處理事故或者沉降器溫度大幅波動時，結(jié)焦很容易因受熱不均而脫落。當(dāng)焦塊落到翼閥處時，容易造成翼閥開關(guān)不靈活甚至是翼閥無法開啟或閉合，一旦出現(xiàn)這種情況，沉降器將出現(xiàn)跑劑情況。當(dāng)焦塊在VQS密封圈槽口聚集時，容易造成催化劑流動困難，催化劑堆積，進一步結(jié)焦。兩次跑劑事故發(fā)生后，操作人員均對沉降器打開進行檢查。VQS密封罩外結(jié)焦不太嚴重，但大部分為軟焦。VQS罩外結(jié)焦不對稱，離預(yù)提升蒸汽注入口遠的地方比近的地方結(jié)焦要嚴重。6個直聯(lián)升氣管外壁結(jié)焦，部分管口內(nèi)側(cè)輕微結(jié)焦，但都通暢。

3 VQS系統(tǒng)改進

3.1 改善催化劑性能

2010年針對加入系統(tǒng)的新鮮劑與系統(tǒng)原有催化劑間物理性能相差較大的問題，催化裝置在生產(chǎn)部的指導(dǎo)下及時與石科院、催化劑廠家聯(lián)系。石科院再次調(diào)整了催化劑活性、磨損指數(shù)、細粉含量等指標，對磨損指數(shù)、細粉含量確定了窄范圍的上下限指標。催化劑理化性能改善后，裝置催化劑跑損量明顯下降，四季度催化劑單耗維持在0.45 kg/t左右，較去年同期減少0.1 kg/t。

圖2 2010年催化劑用量圖Fig.2 Chart of the catalyst consumption in 2010

3.2 優(yōu)化操作

VQS系統(tǒng)在開工過程中，如若控制不好是非常容易跑劑的。在此期間主要控制VQS出口線速和沉降器壓力。

在轉(zhuǎn)劑和噴油初期，通過調(diào)節(jié)預(yù)提升蒸汽量及補充蒸汽量，使VQS出口線速保持在≮14 m/s，并將沉降器壓力控制在0.11～0.12 MPa。當(dāng)再生二密床層溫度提高到700℃左右后，稍開再生滑閥進行轉(zhuǎn)劑。在轉(zhuǎn)劑過程中，稍開再生滑閥，保證提升管出口溫度50℃/h左右的升溫速度，以減少跑入分餾塔的催化劑量。當(dāng)提升管出口溫度達到500～540℃時，三器催化劑循環(huán)正常時，提升管準備噴油，噴油速度以提升管出口溫度不小于480℃為依據(jù)，盡快將總處理量提高到滿負荷的80%左右，在提量過程中，密切注意VQS出口線速，使其保持在18～20 m/s，若超出此范圍，可在提量的同時，減少預(yù)提升蒸汽量和原料油霧化蒸汽量，直到降到正常操作時蒸汽用量為止。

3.3 沉降器VQS系統(tǒng)設(shè)備改造

3.3.1 改造翼閥和料腿 根據(jù)本公司的實際情況，為保證料腿工作時有足夠料封，在2011年6月公司大檢修時，將沉降器旋分分離器下部料腿縮徑，由直徑DN350 mm的翼閥和料腿替換原來DN450 mm的翼閥和料腿，翼閥仍然采用半覆蓋式。

正常生產(chǎn)時，旋分分離器料腿中催化劑料位逐漸升高，當(dāng)達到一定高度后，催化劑重力大于翼閥蓋板開啟力，便開始有催化劑下落，翼閥蓋板開度隨著料位上升而增大，最終達到動態(tài)平衡，即隨著料腿中料位的高低蓋板在某一開度范圍內(nèi)開大和關(guān)小。改變了之前翼閥經(jīng)常工作在半管流的狀況，避免了油氣在翼閥處反串，從而保護了翼閥蓋板免受沖刷。因此，大大減少了催化劑的跑損。

另外將翼閥閥體保護罩斜板與水平夾角由原來的30°改為45°。避免催化劑在此處停留結(jié)焦而影響蓋板關(guān)不嚴。

3.3.2 重新設(shè)計溢流密封圈 本裝置2011年6月進行大檢修時，原準備將VQS罩外部溢流密封圈全部取消，將上部封閉罩延長至汽提段上切線，并在封閉罩下部距翼閥底部約1 m處開12個長方形槽口作為催化劑流動通道。后為穩(wěn)妥起見，僅增加6個溢流密封圈槽口至12個，并與封閉罩的12個槽口相對應(yīng)，增加了催化劑的直通流動通道，降低了催化劑流入汽提段的阻力。因此，減少了催化劑在VQS罩外的停留時間，大大降低了催化劑在此結(jié)焦的幾率。

圖3 槽口示意圖Fig.3 Schematic diagram of notch

本次改造后，裝置平穩(wěn)運行了18個月，目前狀態(tài)良好，油漿固含量維持在4 g/L以下。只是罩外預(yù)提升蒸汽量仍保持6.0 t/h的量。公司可以考慮實施對密封圈的原計劃改造方案。即將全部取消溢流密封圈，以進一步減小催化劑流動阻力，縮短催化劑的停留時間，避免結(jié)焦。并為適量降低預(yù)提升蒸汽量，進一步節(jié)能提供條件。

圖4 取消密封圈后示意圖Fig.4 Cancel the seal ring diagram

3.3.3 改造VQS罩外平衡管和預(yù)提升蒸汽環(huán) 為改善VQS罩外不對稱結(jié)焦情況，將封閉罩外的預(yù)提升蒸汽環(huán)由一個整環(huán)更改為兩個單獨進汽半環(huán)，并減少預(yù)提升蒸汽環(huán)上的蒸汽噴嘴面積，另外還將VQS封閉罩外6個平衡管截短1 100 mm。這樣以來使得罩外氣體的壓力分布更加均勻，氣體更加快捷的由平衡管進入旋分分離器入口。減少了油氣在VQS罩外的停留時間，從而有效遏制了結(jié)焦。

此外為防止汽提段的油氣逸出進入外腔，只需保證VQS罩外相對于汽提段微正壓就可。如果能為進一步減少催化劑流入汽提段的阻力，全部取消溢流密封圈，就可以將預(yù)提升蒸汽量由目前的6.0 t/h適量降至3.0 t/h（設(shè)計 2.0～3.0 t/h）。

4 優(yōu)化后總結(jié)

（1）對催化劑指標優(yōu)化后，催化劑消耗量明顯下降，較優(yōu)化前下降約18%。

（2）油漿固含量由檢修前的5～6 g/L下降到4 g/L。不僅降低了催化劑單耗，而且還減緩了油漿系統(tǒng)管線和閥門的磨損，為裝置長周期運行提供了堅強的保障。

（3）本裝置自此次大檢修開工以來，加工負荷平均在115%左右，已平穩(wěn)運行了18個月，未出現(xiàn)油漿固含量升高的現(xiàn)象。沉降器旋分分離器壓降始終維持在12 kPa左右，油漿固含量維持在4 g/L以下，油漿外甩量在10 t/h以下。這說明翼閥的工作狀態(tài)良好，對翼閥和料腿的技術(shù)改造是有效的。

（4）本次檢修后，開工時VQS罩外出現(xiàn)了催化劑和泥的征兆。并且此現(xiàn)象在以前開工時也時有發(fā)生。本公司沉降器所使用的蒸汽均為1.0 MPa蒸汽。建議改為3.5 MPa的過熱蒸汽，以避免催化劑和泥，影響安全生產(chǎn)。

（5）將溢流密封圈全部取消，進一步降低VQS罩外催化劑進入汽提段的阻力，并將罩外預(yù)提升蒸汽量降至3.0 t/h。預(yù)計每年可節(jié)省1.0 MPa蒸汽2.4萬噸（按裝置運行8 000 h計算），合計432萬元。

（6）總體來說：旋流式快速分離系統(tǒng)（VQS），縮短了油氣在沉降器的停留時間，使熱轉(zhuǎn)化率明顯降低，有效抑制了氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)和熱裂化反應(yīng)，解決了沉降器結(jié)焦的問題，提高了目的產(chǎn)品收率及催化汽油的辛烷值，保證了裝置長周期安全運行。操作穩(wěn)定可靠，具有氣固分離效率高，防焦性能優(yōu)良的特點。

[1]盧春喜，蔡智，時銘顯.催化裂化提升管出口旋流式快分（VQS）系統(tǒng)的實驗研究與工業(yè)應(yīng)用[J］.石油學(xué)報（石油加工），2004，20（3）:24-29.

[2]姜成.快速分離系統(tǒng)（VQS）在催化裂化裝置上的應(yīng)用[D］.天津大學(xué)：化學(xué)工程學(xué)院，2009.

[3]孫鳳俠，盧春喜，時銘顯.催化裂化沉降器VQS系統(tǒng)內(nèi)三維氣體速度分布的改進[J］.石油煉制與化工，2004，35（2）:51-55.