重油催化裂化裝置反應(yīng)器結(jié)焦的原因及對(duì)策

黃炎彬，周冬明

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司廣東石化分公司，廣東揭陽(yáng)522000）

石油公司煉油裝置的核心是重油催化裂化裝置，它也是體現(xiàn)煉油部分效益的關(guān)鍵裝置。隨著催化裂化原料油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化，催化裂化反應(yīng)器結(jié)焦問題更加突出，給生產(chǎn)安全平穩(wěn)帶來(lái)了巨大隱患，因反應(yīng)器結(jié)焦而導(dǎo)致的煉油非計(jì)劃停工將造成公司巨大的經(jīng)濟(jì)損失。反應(yīng)器結(jié)焦已經(jīng)成為影響裝置長(zhǎng)周期正常運(yùn)行的一個(gè)重要因素，因此對(duì)重油催化裂化裝置反應(yīng)器結(jié)焦原因進(jìn)行分析和對(duì)策研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文以MIP工藝中的重油催化裂化反應(yīng)器為研究對(duì)象。該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)由提升管、待生斜管、汽提段、沉降器、快速分離器、單級(jí)旋風(fēng)分離器集氣室等部分組成。提升管是一根帶有中間變形反應(yīng)段的長(zhǎng)59.3 m的管道，正常運(yùn)行時(shí)管內(nèi)介質(zhì)為催化劑和油氣，油氣噴嘴由提升管下部進(jìn)入。提升管上部出口處設(shè)置氣固快速分離器，用于分離油氣和催化劑并抑制二次反應(yīng)的繼續(xù)。沉降器的作用是分離來(lái)自提升管的催化劑和油氣。反應(yīng)油氣經(jīng)過旋風(fēng)分離器分離出油氣所夾帶的催化劑后進(jìn)入集氣室經(jīng)油氣大管線進(jìn)入分餾單元，由旋風(fēng)分離器下部分離出來(lái)的催化劑依靠自身重力向下沉降進(jìn)入汽提段。

1 催化裂化裝置結(jié)焦原理

結(jié)焦的過程一般來(lái)說可以分為兩種情況：一種是催化裂化反應(yīng)過程中結(jié)焦。催化裂化反應(yīng)過程是由低氫碳比的重質(zhì)油在催化劑的作用下反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邭涮急鹊妮p質(zhì)油，在此過程中必然會(huì)生成焦炭，如烯烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、芳烴的易生焦物，在高溫下具有較強(qiáng)的結(jié)焦趨勢(shì)，它是通過脫氫縮合反應(yīng)，依附在催化劑顆粒上并以其為結(jié)焦中心而逐步成長(zhǎng)，直至生成焦；另外一種結(jié)焦情況則是由高沸點(diǎn)的重油組分（未汽化或冷凝）以液滴狀態(tài)粘附在設(shè)備或者催化劑表面，或者是先粘附在催化劑顆粒上，再粘附在沉降器器壁以及內(nèi)部構(gòu)件上，在一定的溫度和時(shí)間的共同作用下逐漸累積結(jié)焦，形成焦塊[1]。

2 反應(yīng)器結(jié)焦的原因

在生產(chǎn)檢修過程中，發(fā)現(xiàn)重油催化裂化裝置反應(yīng)器的結(jié)焦主要發(fā)生在提升管噴嘴處、沉降器內(nèi)壁和內(nèi)壁構(gòu)件、油氣大管線處。

2.1 提升管噴嘴處結(jié)焦

提升管噴嘴處結(jié)焦一般是在原料噴嘴正上方的提升管內(nèi)壁處。結(jié)焦的焦塊內(nèi)部為硬質(zhì)焦，外部是油焦，焦塊中催化劑含量很高，顏色為灰黑色。在結(jié)焦初期對(duì)正常生產(chǎn)影響較小。隨著結(jié)焦焦層增厚，提升管的內(nèi)徑減小，提升管內(nèi)部有效流通面積變少，流通量減小，催化劑循環(huán)量大大減少，從而提升管內(nèi)壓降增大，反應(yīng)溫度將無(wú)法控制。

提升管噴嘴處結(jié)焦的可能原因有：

（1）油氣噴嘴的選型不合理，霧化狀態(tài)不好。

（2）提升管進(jìn)料時(shí)原料油與催化劑接觸效果不好：混合進(jìn)料的溫度偏低，混合原料的霧化效果不好；劑油比偏小，原料油性質(zhì)變重[2]。

2.2 沉降器內(nèi)壁和內(nèi)壁構(gòu)件結(jié)焦

沉降器內(nèi)壁和沉降器內(nèi)部構(gòu)件結(jié)焦情況最為嚴(yán)重，該情況對(duì)裝置的安全運(yùn)行存在較大危害，結(jié)焦焦層厚度高達(dá)30 cm。沉降器內(nèi)部能夠掛焦的位置均能結(jié)焦塊，焦塊的質(zhì)地硬度較大，清除難度高。沉降器內(nèi)壁構(gòu)件及沉降器內(nèi)壁上的焦塊在平穩(wěn)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)對(duì)生產(chǎn)影響較小，但是當(dāng)生產(chǎn)操作出現(xiàn)較大波動(dòng)，如反應(yīng)溫度出現(xiàn)大幅波動(dòng)時(shí)，沉降器內(nèi)部溫差變化較大，沉降器內(nèi)壁或構(gòu)件上附著的焦塊可能就會(huì)因此斷裂、脫落到反應(yīng)器的汽提段中，落至汽提段底部，卡在待生斜管入口或者是卡在待生斜管中的待生滑閥上端，從而導(dǎo)致待生催化劑無(wú)法正常下降至再生器。堵塞情況較輕時(shí)還可以降量以維持生產(chǎn)，堵塞情況較重時(shí)則需停工檢修。

沉降器和沉降器內(nèi)部構(gòu)件的結(jié)焦是物理原因及化學(xué)變化共同作用后產(chǎn)生的結(jié)果，原料油汽化不完全而附著在催化劑上和催化裂化反應(yīng)后高沸點(diǎn)重組分的冷凝是沉降器內(nèi)結(jié)焦的物理原因；而油氣中烯烴的聚合反應(yīng)、環(huán)化反應(yīng)以及稠環(huán)芳烴、瀝青質(zhì)、膠質(zhì)在高溫下的縮合反應(yīng)則是沉降器內(nèi)結(jié)焦的化學(xué)原因。

2.3 油氣大管線結(jié)焦

反應(yīng)器頂部出口至分餾塔入口處的油氣大管線上結(jié)焦的焦塊為黑亮硬焦并呈層狀分布，焦塊的厚度隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而增厚。當(dāng)焦層成長(zhǎng)到一定的厚度之后，有效流通面積減少，將使催化裂化系統(tǒng)的壓降上升，分餾塔壓力降低，從而使氣壓機(jī)入口壓力低于正常值。不僅增加能耗，而且氣壓機(jī)長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行不利于系統(tǒng)平穩(wěn)操作。

油氣大管線的結(jié)焦主要與管線的保溫有關(guān)，當(dāng)反應(yīng)油氣經(jīng)二級(jí)旋風(fēng)分離器分離出催化劑后，反應(yīng)油氣中的重芳烴或膠質(zhì)以及瀝青質(zhì)，接觸到管線內(nèi)表面或者冷壁面之后，高沸點(diǎn)重組分遇冷凝結(jié)，附著在管壁上。在較長(zhǎng)時(shí)間的高溫下，產(chǎn)生縮合等化學(xué)反應(yīng)而逐漸形成焦炭。

3 反應(yīng)器結(jié)焦的對(duì)策

3.1 減少提升管噴嘴處結(jié)焦

3.1.1 選用新型適用的霧化噴嘴，改善霧化效果

使用Optimix原料進(jìn)料霧化噴嘴，該技術(shù)采用美國(guó)UOP專利技術(shù)，在提升管中僅設(shè)有14個(gè)混合原料（新鮮原料油、回?zé)捰蜐{及回?zé)捰停﹪娮?，不設(shè)置熱電偶以及密度和壓力測(cè)點(diǎn)，把結(jié)焦可能附著物減到最少。該提升管噴嘴采用的是三級(jí)霧化，可以形成均勻的平面扇形霧化區(qū)，霧化液體顆粒小，噴霧區(qū)流量均勻，粒徑分布窄，壓降適中，霧化蒸汽量少。霧化液滴粒徑與再生催化劑粒徑相似，保證原料油能夠快速氣化，改善產(chǎn)品分布并減少結(jié)焦。

3.1.2 控制合適的進(jìn)料溫度

原料油預(yù)熱溫度應(yīng)大于180℃，在正常的進(jìn)料溫度下，原料油粘度小于5 mm2/s。原料油進(jìn)料溫度太低會(huì)導(dǎo)致原料油粘度大，霧化效果差，從而導(dǎo)致液焦增多[3]。

3.1.3 控制合適的劑油比

合適的劑油比能夠提高原料油的氣化率以及裂化能力。劑油比應(yīng)控制在6以上。

3.1.4 控制適合的反應(yīng)溫度

過高的反應(yīng)溫度使結(jié)焦速度增快；過低的溫度會(huì)使油氣中高沸點(diǎn)組分有凝結(jié)的趨勢(shì)，增加結(jié)焦傾向。因此應(yīng)根據(jù)原料性質(zhì)來(lái)決定適合的反應(yīng)溫度。

3.2 減少沉降器內(nèi)壁和內(nèi)壁構(gòu)件結(jié)焦

3.2.1 采用適量的防焦蒸汽量

防焦蒸汽應(yīng)使用二級(jí)孔式噴嘴，噴嘴出來(lái)的蒸汽覆蓋反應(yīng)器頂部所有空間，防止油氣接觸到沉降器頂部冷凝結(jié)焦。

3.2.2 縮短油氣與催化劑的分離時(shí)間

減少油氣在沉降器的停留時(shí)間，有利于減少二次反應(yīng)，降低旋風(fēng)分離器和沉降器內(nèi)的結(jié)焦，如采用美國(guó)UOP開發(fā)的VSS快速分離技術(shù)，極大地縮短了油氣與催化劑的分離時(shí)間，由原來(lái)的20～25 s縮短至6～7 s，大大減少了二次反應(yīng)，減少結(jié)焦[4]。

3.2.3 維持操作平穩(wěn)及加強(qiáng)保溫

減少操作波動(dòng)與溫降，減少結(jié)焦的幾率。

3.3 減少油氣大管線結(jié)焦

采用冷壁設(shè)計(jì)油氣大管線；盡可能縮短油氣大管線設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，減少油氣在油氣大管線的停留時(shí)間；反應(yīng)器油氣出口應(yīng)使用大曲率半徑的彎頭，油氣進(jìn)入分餾塔處使用小曲率半徑的彎頭；合理設(shè)計(jì)油氣線管徑，控制適宜的油氣線速；油氣管線為熱壁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)保溫；停工檢修過程中加強(qiáng)大油氣管線焦清除工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文充分了解重油催化裂化反應(yīng)器結(jié)焦原因并加以遏制，使裝置長(zhǎng)周期正常運(yùn)行，在實(shí)際生產(chǎn)中減少因結(jié)焦帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

[1]馬伯文.催化裂化裝置技術(shù)問答[M].北京：中國(guó)石化出版社，2003.

[2]梁鳳印.流化催化裂化[M].北京：中國(guó)石化出版社，2005.

[3]沙勝利，王志濤，梁頂華，等．重油催化裂化裝置防結(jié)焦措施探討[J]．河南化工，2007（24）:2.

[4]張磊，李茂鵬，祁凱華，等.3.5 Mt/a重油催化裂化裝置防焦技術(shù)探討[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2017，46（1）：57.