重油催化裂化裝置再生器催化劑流化異常原因及對策

白 銳，王 曉，王振衛(wèi)，劉晨光

（1.中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266580；2.中國石化海南煉油化工有限公司；3.中國石油撫順石化分公司）

自1941年首套流化催化裂化裝置［1］建成以來，流化床工藝在實(shí)踐中不斷完善并走向成熟。隨著人們對流化床的認(rèn)知愈加深刻，逐漸形成了一套日趨完善的流化理論［2－3］并通過研究建立了一些數(shù)學(xué)模型［4－5］。但是由于流化技術(shù)比較復(fù)雜，影響因素多，相互關(guān)聯(lián)度大，因此實(shí)際生產(chǎn)中操作難度大。一直到現(xiàn)在很多流化催化裂化裝置都曾遇到過因不同因素造成的流化方面的問題［6－10］，嚴(yán)重威脅到裝置的安全、平穩(wěn)、長周期運(yùn)行。

中國石化海南煉油化工有限公司（以下簡稱海南煉化）重油催化裂化裝置公稱設(shè)計(jì)規(guī)模為2.8Mt/a，主要加工加氫處理后的常壓渣油和減壓渣油混合原料，由中國石化工程建設(shè)公司（SEI）設(shè)計(jì)。該裝置采用中國石化石油化工科學(xué)研究院（簡稱石科院）開發(fā)的多產(chǎn)異構(gòu)烷烴和丙烯的MIPCGP工藝，與之配套的催化劑是由石科院研究開發(fā)的CGP－1HN專用催化劑。再生器采用重疊式兩段再生型式，即一段再生位于二段再生器之上，一段再生貧氧，二段再生富氧。為維持兩器熱平衡，增加操作靈活性，設(shè)置2臺可調(diào)熱量的下流式外取熱器。該裝置自2006年8月首次投料試車成功以來，在裝置運(yùn)行的第二周期，曾出現(xiàn)過半再生斜管下料不暢、再生器催化劑流化異常的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)被迫降低加工負(fù)荷和主風(fēng)量。本文主要分析造成上述異常情況的原因并提出相應(yīng)的對策。

1 再生器催化劑流化異常的現(xiàn)象及其原因分析

1.1 再生器催化劑流化異常的現(xiàn)象

海南煉化重油催化裂化反應(yīng)－再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 重油催化裂化反應(yīng)－再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)裝置處于大加工負(fù)荷和大主風(fēng)量操作，尤其是反應(yīng)－再生系統(tǒng)在相對較低的正常系統(tǒng)藏量下運(yùn)行時(shí)，催化裂化裝置再生系統(tǒng)易發(fā)生流化異常現(xiàn)象，突出表現(xiàn)為半再生斜管下料不暢，第二再生器（二再）催化劑藏量不夠。海南煉化催化裂化再生系統(tǒng)出現(xiàn)過兩次比較嚴(yán)重的異常情況，并且現(xiàn)象基本一致，具體表現(xiàn)為：半再生斜管推動力大幅下降，半再生滑閥壓差大幅波動甚至變?yōu)樨?fù)值，第一再生器（一再）到二再（尤其是半再生斜管）下料不暢，二再催化劑藏量難以維持；再生器密度大幅波動，外取熱器催化劑藏量大幅降低。為維持反應(yīng)－再生兩器催化劑循環(huán)量，再生滑閥需要開大。當(dāng)嚴(yán)重威脅到裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，不得不大幅降低加工負(fù)荷和主風(fēng)量，同時(shí)大幅降低二再主風(fēng)量，再生器流化才得以勉強(qiáng)維持。兩次流化異常時(shí)及調(diào)整后操作參數(shù)見表1。

表1 流化異常前后主要操作參數(shù)

1.2 流化異常的原因分析

影響催化劑正常流化的因素有很多，且相互之間關(guān)聯(lián)度很大。通常一套裝置催化劑流化異常是由多種影響因素共同作用的結(jié)果，結(jié)合海南煉化重油催化裂化再生器兩次流化嚴(yán)重異常的實(shí)際情況，從催化裂化的流化基本理論出發(fā)，通過分析認(rèn)為影響再生器催化劑平穩(wěn)流化的主要因素有：催化劑的性質(zhì)、半再生斜管的輸送工況、裝置運(yùn)行負(fù)荷和兩器壓力平衡。

1.2.1 催化劑性質(zhì)的影響 流化因子、最小流化速度和輸送分離高度等參數(shù)是評價(jià)顆粒流化輸送性能的重要依據(jù)，雖然這些參數(shù)評價(jià)流化的角度不同，但很大程度上都由催化劑的性質(zhì)決定。

催化劑的密度、篩分組成、細(xì)粉含量及平均顆粒直徑等性質(zhì)均是影響催化劑流化的重要因素。一般來說較低的流化因子說明催化劑流化可能一直處于臨界狀態(tài)，系統(tǒng)稍有改變，就會使均勻流化遭到破壞，其中某一性質(zhì)稍微變化都可能會引起流化異常。

從裝置流化正常和異常時(shí)新鮮催化劑和再生催化劑的性質(zhì)（見表2）可以看出，無論是新鮮催化劑還是再生催化劑，流化異常時(shí)催化劑堆密度明顯較正常時(shí)低。雖然從流化因子和最小流化速度的角度講，催化劑密度小有利于流化，但是在實(shí)際生產(chǎn)中也不是催化劑密度越小越好，尤其是對于海南煉化催化裂化裝置而言，偏低的催化劑密度不利于再生器中催化劑的流化。

從表1中密度數(shù)據(jù)可以看出，流化異常時(shí)，一再、二再密相密度大幅下降，稀密相交界處密度和稀相密度大幅上升甚至翻番，說明整個(gè)再生器的床層高度被抬高了，這和輸送分離高度的計(jì)算結(jié)果相一致。在主風(fēng)量增加的情況下，將導(dǎo)致再生器床層線速增加，同時(shí)催化劑密度降低，勢必導(dǎo)致輸送分離高度大幅增加，造成整個(gè)再生器床層的不均勻性大幅增加，影響到再生器中催化劑的流化效果，導(dǎo)致一再到二再下料不暢。同時(shí)高的床層線速和低的催化劑密度，還會造成氣相飽和夾帶量劇增，其結(jié)果就是再生器密相密度下降，高度被抬高，稀相密度急增。

表2 催化劑性質(zhì)

圖2、圖3分別為流化異常時(shí)新鮮催化劑和再生催化劑的電鏡照片。從圖2、圖3可以看出，催化劑中存在一定量的空心球，說明催化劑制造工藝需要改進(jìn)。這些空心球的存在勢必造成催化劑密度降低，同時(shí)會增加催化劑的煙氣攜帶量，影響其脫氣性能，這些都可能成為不利于催化劑流化的因素。

圖2 流化異常時(shí)新鮮催化劑電鏡照片

圖3 流化異常時(shí)再生催化劑電鏡照片

1.2.2 半再生斜管輸送工況的影響 每次流化異常時(shí)半再生斜管最先出現(xiàn)下料不暢征兆，半再生斜管推動力由正常的35kPa降至15kPa以下甚至為零，半再生滑閥壓差也由60kPa以上降至40kPa以下，并大幅波動。斜管內(nèi)催化劑的輸送原理是依靠靜壓差，屬于密相下流，一般情況不需要太大的松動風(fēng)量，僅在需要降低滑閥壓降和流速較低或用大密度催化劑的情況下，才需要對滑閥上方補(bǔ)入松動風(fēng)。催化劑在斜管中流動時(shí)，氣固容易分離，此時(shí)氣泡沿管線上部向上移動易產(chǎn)生溝流，而固體沿管線下部向下流動。工業(yè)上斜管輸送一般需要預(yù)先脫除較大的氣泡，以保證正常的密相輸送，而海南煉化半再生斜管沒有預(yù)脫除氣泡的設(shè)施，并且斜管中存在較長的立管（立管長為10.8m），立管容易脫氣，且立管中的氣體易被壓縮導(dǎo)致流化失常，一般注入的松動風(fēng)量較小，只要能使催化劑處于接近起始流化狀態(tài)的風(fēng)量即為最佳松動風(fēng)量。立管中的氣體量太多將會引起大的氣泡生成，進(jìn)而阻礙固體顆粒向下流動，導(dǎo)致流化異常，下料不暢。因此半再生斜管中催化劑流化易處于臨界狀態(tài)，外界因素變化時(shí)容易打破平衡，造成流化異常，并導(dǎo)致下料不暢。

海南煉化重油催化裂化裝置半再生斜管有松動點(diǎn)12層共36個(gè)，正常生產(chǎn)中全部投用，較大的松動風(fēng)對于大密度催化劑流化有益，但是當(dāng)催化劑密度下降時(shí)，大量的松動風(fēng)可能會對催化劑流化起到氣阻作用，影響斜管下料和催化劑流化。根據(jù)斜管和立管流化的理論，在流化異常時(shí)將松動點(diǎn)進(jìn)行了諸多調(diào)整，最終停用了2/3，并調(diào)小了松動風(fēng)量，松動點(diǎn)投用情況見圖4，但是對于半再生滑閥流化效果改善不大。這說明此工況下，松動風(fēng)對流化的貢獻(xiàn)較小。主要是一再密相密度低且床層不均勻性變大，再加上空心球催化劑的存在，等量催化劑攜帶的氣體量變大，這些氣體在斜管輸送過程中易被脫除，由小氣泡形成大氣泡，阻礙流化，尤其是在斜管彎頭處等下料速度減緩的區(qū)域更易聚集，若這些聚集的氣體不能被及時(shí)從斜管中排除將會形成氣阻，同時(shí)催化劑密度低造成斜管推動力降低，最終造成斜管的下料不暢。通過測量核算，流化正常時(shí)整個(gè)半再生斜管內(nèi)催化劑密度為450kg/m3，當(dāng)流化異常時(shí)催化劑密度降低到220kg/m3以下，在斜管彎頭部位密度只有60kg/m3甚至更低，也證明了這一點(diǎn)。

圖4 半再生斜管及松動點(diǎn)投用情況示意

1.2.3 裝置運(yùn)行負(fù)荷的影響 從表1可以看出，每當(dāng)半再生斜管下料不暢、再生器流化異常時(shí)，裝置負(fù)荷都在115%以上，而主風(fēng)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常范圍，接近主風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量（5 600m3/min），造成再生器內(nèi)線速增加，導(dǎo)致輸送分離高度增加，床層均勻性變差，甚至形成溝流，不利于流化，此時(shí)催化劑流化易處于臨界狀態(tài)，影響流化的很多因素之一稍有變化，都可能造成流化異常。同時(shí)，從表1中還可以看出，在應(yīng)急處理再生器催化劑流化異常時(shí)，僅需將裝置負(fù)荷降至設(shè)計(jì)點(diǎn)，就能解決流化異常問題，雖然很多參數(shù)未達(dá)到正常值，但也充分說明了裝置運(yùn)行負(fù)荷是影響催化劑流化的重要因素之一。

1.2.4 兩器壓力平衡的影響 兩器壓力的高低，對再生催化劑、待生催化劑和半再生催化劑的流化輸送都有著重要的影響，再生器壓力是隨沉降器壓力波動而變化的，而沉降器壓力受眾多因素的影響，如果兩器壓力波動幅度太大時(shí)，會對再生催化劑、待生催化劑和半再生催化劑的平穩(wěn)輸送產(chǎn)生不利的影響，還會對旋風(fēng)分離器的工況產(chǎn)生影響，影響其分離效率，造成小顆粒催化劑嚴(yán)重跑損。

2 對 策

2.1 采用合適的催化劑

過低的催化劑密度是造成流化異常的主要原因。在與催化劑研發(fā)單位交流后，對新鮮催化劑的配方進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)，增加了超穩(wěn)Y分子篩的含量，控制適當(dāng)?shù)拇呋瘎┟芏?。根?jù)裝置運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將新鮮催化劑密度控制在740～760kg/m3，并優(yōu)化催化劑生產(chǎn)工藝，減少空心球催化劑的含量。同時(shí)使用部分密度相對較高的磁分離催化劑，加大反應(yīng)－再生系統(tǒng)中的催化劑置換速率，以盡快消除流化異常的現(xiàn)象。

2.2 改善半再生斜管的輸送工況

改善半再生斜管輸送工況的方法有很多，其中對松動點(diǎn)投用數(shù)量的調(diào)整是最容易實(shí)現(xiàn)的，由于在半再生斜管中催化劑脫氣性能相對較好，脫除的氣體不能及時(shí)從斜管中釋放出就容易聚集造成氣阻，結(jié)合裝置的運(yùn)行情況，停了立管處的絕大部分松動點(diǎn)，將松動點(diǎn)投用數(shù)量由36個(gè)減少到12個(gè)，多投用彎頭附近的松動點(diǎn)，并對松動風(fēng)量進(jìn)行了調(diào)整。另外可以在半再生斜管上增加脫氣管或在半再生斜管入口增加脫氣料斗預(yù)脫除催化劑中大的氣泡，來改善斜管的流化狀態(tài)，但是這些措施需要停工才能實(shí)施。

2.3 維持合適的裝置負(fù)荷

裝置超高負(fù)荷運(yùn)行會導(dǎo)致很多操作條件卡邊，當(dāng)某一因素發(fā)生變化時(shí)，就易發(fā)生事故。影響流化的因素很多，且相互影響，在某種特定條件可能一個(gè)非主要因素將起到關(guān)鍵作用，尤其是超高的主風(fēng)量，導(dǎo)致再生線速增加，造成床層均一性變差，甚至形成溝流，不利于催化劑的流化。本裝置再生器出現(xiàn)催化劑流化異常時(shí)，均是在超高負(fù)荷下，在降低裝置處理負(fù)荷和二再主風(fēng)量后，即使在催化劑密度偏低的情況下，基本也能夠維持催化劑正常流化。尤其是在其它影響流化的因素發(fā)生變化時(shí)，維持負(fù)荷在設(shè)計(jì)值附近，控制合適的主風(fēng)量，裝置中催化劑流化異常的幾率將大大降低。

2.4 控制兩器壓力穩(wěn)定

反應(yīng)－再生系統(tǒng)催化劑流化均由壓差作為推動力，因此控制兩器壓力穩(wěn)定對于維持催化劑的正常流化有著重要的意義，尤其在流化異常時(shí)兩器壓力平衡和穩(wěn)定更為重要。兩器壓力平衡不但會影響流化還會造成兩器催化劑藏量發(fā)生變化，造成再生溫度波動，進(jìn)而影響反應(yīng)深度。一般來說再生壓力是由煙機(jī)入口蝶閥和雙動滑閥分程控制，正常情況下為了發(fā)揮煙機(jī)的效率，煙機(jī)入口蝶閥全開；反應(yīng)壓力由分餾塔塔頂調(diào)節(jié)閥和氣壓機(jī)轉(zhuǎn)速和反飛動控制，但是還受其它很多因素的影響。不論從哪個(gè)角度，控制好兩器壓力穩(wěn)定是操作的核心內(nèi)容之一。

3 結(jié)束語

海南煉化催化裂化裝置再生器催化劑流化異常的主要原因?yàn)椋捍呋瘎┒衙芏绕汀⒀b置超大負(fù)荷運(yùn)行和半再生斜管下料不暢。采取的對策為：通過調(diào)整催化劑配方，優(yōu)化催化劑生產(chǎn)工藝，改善新鮮催化劑的堆密度和外形，并采用堆密度相對較高的磁分離催化劑，加大系統(tǒng)中催化劑置換速率；降低裝置負(fù)荷，合理調(diào)配一再、二再主風(fēng)量，并控制好兩器壓力；通過調(diào)整松動點(diǎn)和松動風(fēng)量改善半再生斜管輸送工況。通過這些措施和手段，截至目前裝置未出現(xiàn)過流化異常問題，兩器運(yùn)行良好，為裝置長周期平穩(wěn)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

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