催化裂化裝置煙機結垢原因分析及應對措施

李 寧，彭 芳，崔守業(yè)

(1.中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101；2.中國石化石油化工管理干部學院催化裂化裝置專家培訓班；3.中國石化茂名分公司；4.中國石化石油化工科學研究院)

催化裂化裝置作為煉油廠重要的二次加工裝置，是重油輕質化的重要裝置，也是煉油廠盈利的重要裝置，特別是其生產的高辛烷值汽油和丙烯、異丁烯等化工原料對煉油廠意義重大。主風機組是催化裂化裝置的核心設備之一，但目前主風機組中的煙氣輪機普遍出現結垢現象，對裝置長周期安全運行帶來較大影響，據2013—2016年的不完全數據統(tǒng)計，中國石化各煉油廠共計發(fā)生各類煙機停運故障109起，其中與結垢有關的82起，占75.23%，葉片斷裂故障11起，占10.09%，其它可避免外因停機故障16起，占14.68%。另外，當前中國石化煙機月平均故障次數為2.67次，且呈上升趨勢，因此煙機結垢問題受到廣泛關注。

為找出煙機結垢的原因，給解決催化裂化裝置煙機結垢問題提供新的思路，收集了37家煉油廠催化裂化裝置的運行數據，力圖找出結垢的原因和影響因素，提出改進措施，減緩直至解決煙機結垢問題。

1 煙機結垢的影響因素分析

煙機結垢是多方面綜合作用的結果，結合催化裂化裝置的技術特點，主要從操作條件、機械設計以及催化劑使用3個方面進行分析。

1.1 催化裂化裝置的操作條件

通過對比各催化裂化裝置的煙機相關運行參數，發(fā)現操作條件對煙機運行產生影響的因素主要集中在煙機輪盤冷卻蒸汽流量及溫度的控制、煙機入口溫度的控制等方面，尤其是輪盤冷卻蒸汽的影響相對突出。

1.1.1煙機輪盤冷卻蒸汽的影響統(tǒng)計各家煉油廠催化裂化裝置運行數據發(fā)現：輪盤冷卻蒸汽溫度低于240 ℃的有14套裝置，64.3%出現結垢問題，低于220 ℃的有8套裝置，75%出現結垢問題；輪盤蒸汽流量超過1 000 kg/h的有15套裝置，73.33%出現結垢問題。以上統(tǒng)計數據表明，輪盤蒸汽的溫度及流量對煙機結垢影響較大，并且溫度越低、流量越大越容易結垢。

目前煙機輪盤冷卻蒸汽的控制方式主要有3種：定輪盤冷卻蒸汽流量控制、定輪盤溫度控制、定輪盤蒸汽壓力與煙機入口壓差控制，均會導致蒸汽流量、溫度的波動，不利于煙機結垢控制。此外，大多數裝置無實際輪盤用蒸汽溫度監(jiān)測，只能用裝置低壓蒸汽管網溫度作為參考依據，導致實際進煙機的溫度比管網溫度偏低很多，加劇了煙機結垢。

有研究[1]表明：煙氣中水蒸氣濃度在動葉片的壓力面較其它位置處要大，特別是注入輪盤冷卻蒸汽后，大大增加了靜葉與動葉之間環(huán)境的濕度，環(huán)境濕度的增加使得葉片上滯留并堆積在一起的催化劑顆粒更容易在接觸點形成液橋，液橋一旦形成，顆粒的行為將大大受限于毛細力的作用，催化劑顆粒間的團聚或堆積效應會進一步增強。煙氣濕度增加是形成煙機結垢的重要因素。

綜上所述，控制冷卻蒸汽量并提高蒸汽品質、降低焦中氫含量，改變煙氣濕度、溫度，改善煙機的流場，減少渦流區(qū)，使黏稠的催化劑細粉無處滯留，以此緩解煙機結垢。

1.1.2煙機入口溫度的影響通過統(tǒng)計各催化裂化裝置運行數據發(fā)現：煙機入口溫度與煙機結垢情況也有較強的關聯性，即煙機入口溫度越高，煙機結垢發(fā)生的比例越小，反之，煙機入口溫度越低，煙機結垢的比例越高。統(tǒng)計數據如表1所示。

表1 不同煙機入口溫度下煙機結垢情況統(tǒng)計

1.2 煙機機械設計的影響

1.2.1煙機級數的影響統(tǒng)計各催化裂化裝置運行數據，兩級煙機有8臺，其中7臺有結垢問題，結垢比例為87.5%，單級煙機有25臺，結垢較嚴重的有9臺，比例為36%。兩級煙機雖效率比單級煙機高出5%左右，但結垢比例明顯高于單級煙機。

1.2.2葉片噴涂材料的影響統(tǒng)計各催化裂化裝置運行數據發(fā)現，煙機葉片表面耐磨噴涂層的材料主要集中在長城C-1及長城C-33，而且采用長城C-33噴涂材料情況下的結垢比例比采用長城C-1情況下的比例低23百分點，具體見表2。

表2 葉片采用不同噴涂材料下的結垢情況統(tǒng)計

表3為葉片噴涂材料C-33與C-1的參數對比。由表3可見，C-33各項指標比C-1均有所改善，尤其是葉片的表面光潔度大幅提升，根據Eck氏估算公式[2]：K=100ν/W，式中：K為不會黏附在葉片表面上的顆粒直徑；ν為與壁面粗糙度有關的凹凸度，μm；W為氣流相對速度，m/s。當氣流相對速度一定時，K隨著凹凸度的增加而增加，因此增加葉片表面的光潔度能緩解煙機結垢。

表3 噴涂材料C-33與C-1的參數對比

1.2.3葉型的影響研究[3]表明，動葉片不同部位的氣相相對速度不同，在速度相對低的部位，催化劑顆粒受到壁面作用力(范德華力、靜電等)的時間延長，使催化劑更容易向壁面遷移，引起顆粒的聚集和堆積。在葉片壓力面上若局部氣相速度分布較低、水含量較高，則該部位極易滯留并堆積大量的催化劑顆粒，為催化劑出現熔融或燒結提供物質基礎。由上可知，葉片速度場、溫度場模擬設計越均勻、干擾越少，對緩解煙機結垢越有利。

葉片的動力學設計主要影響煙氣流過煙機時在動、靜葉片上的速度場、溫度場的分布。隨著葉片葉型的發(fā)展，彎扭復合型葉片上的溫度場、壓力場分布更均勻，效率更高。葉型發(fā)展見圖1所示。

A煉油廠對催化裂化煙機進行改造，采用帶有弧形板設計的高效排氣殼體，動、靜葉片采用高效彎扭復合葉型，煙機結垢現象明顯緩解；B煉油廠將直葉片改為高效彎扭復合葉型，煙機結垢現象也有所緩解。

圖1 葉型發(fā)展

1.3 催化劑使用的影響

1.3.1催化劑細粉的影響對23臺結垢或輕微結垢煙機狀態(tài)下的平衡劑進行篩分分析，發(fā)現其中12臺煙機所在裝置的平衡劑中粒徑0～40 μm細粉的質量分數均在11%以下，主要原因是旋風分離器效率偏低，催化劑細粉回收率低，造成煙氣中細粉濃度高，加劇了煙機結垢。

收集到數據的14套裝置中，6套裝置輕微結垢或不結垢，三旋出口煙氣中粒徑0～2 μm細粉的質量分數在56%以下，8套裝置結垢嚴重，三旋出口煙氣中粒徑0～2 μm細粉的質量分數在67%以上，表明煙機入口超細粉對煙機結構影響較大。

研究[4]表明，不同粒徑的催化劑顆粒在煙機流道內受氣相流場的影響程度不同，因此其運動的軌跡各異，最終對煙機造成的危害不同。較小粒徑(直徑小于3 μm)的顆粒易發(fā)生壓力面上的沉積和結垢，粒徑較大(直徑大于20 μm)的顆粒易引起葉片的沖蝕與磨損。

1.3.2催化劑金屬含量的影響統(tǒng)計分析各裝置平衡劑金屬含量與結垢的情況，結果見表4～表8。

(1)鐵含量的影響

從表4可以看出：平衡劑鐵質量分數在6 000 μg/g以上時，煙機均存在結垢問題，而鐵質量分數小于3 000 μg/g時，煙機均未發(fā)生結垢。國產半合成催化劑鐵質量分數一般在3 000 μg/g左右，表明催化劑的鐵污染對煙機結垢影響很大。

表4 催化劑鐵含量與煙機結垢情況統(tǒng)計

(2)鈣、鎳、銻含量的影響

從表5和表6可以看出，平衡劑鈣、鎳含量升高時煙機結垢的趨勢增強，說明平衡劑的金屬含量與煙機結垢存在關聯。

金屬鈍化劑的有效成分均為銻，在使用過程中均存在銻流失的情況，即不能與鎳有效結合。此部分銻在再生環(huán)境下以Sb2O3的形式存在，Sb2O3的熔點僅為655 ℃，且在高真空下升華溫度僅為400 ℃，因此Sb2O3在再生器內有流動性且能一部分升華至煙氣中，增加了細粉的黏連，能夠吸附在煙氣葉片上，得到富集。

表5 催化劑鈣含量與煙機結垢情況統(tǒng)計

表6 催化劑鎳含量與煙機結垢情況統(tǒng)計

(3)煙機葉片垢樣元素含量的變化分析

將收集到的煙機垢樣與平衡劑進行元素分析，并將煙機垢樣/平衡劑元素富集比列于表7。通過分析表7所列的多套裝置煙機垢樣的金屬元素，并與平衡劑中元素含量進行比對分析，發(fā)現煙機垢樣均存在一定金屬或非金屬元素的富集，尤其是S，Ca，Fe，Sb的富集量多，可進一步證明煙機結垢與金屬的聚集有關。

表7 煙機垢樣平衡劑元素富集比

表7 煙機垢樣平衡劑元素富集比

項目FeCaSSbNiV樣品13.4297.96810.5101.2600.831樣品21.1691.1232.5443.3921.6238.042樣品32.1314.00042.8571.4500.83611.071樣品42.8072.5211.2600.831樣品52.8522.5716.0771.6051.8281.154樣品64.20510.6673.2503.1941.667樣品72.5007.7061.6971.2652.286樣品81.7273.1188.4622.2351.2631.108樣品92.1314.00042.8571.4500.83611.071樣品105.0003.4291.6671.9091.700樣品112.6254.3751.6252.3081.2501.067樣品122.6544.6204.6201.5411.105樣品132.3262.0912.4421.9411.7801.073

(4)催化劑上沉積金屬對煙機結垢的影響

沉積在催化劑表面的Fe，Ni，Ca等金屬在再生器內易形成顆粒或突結，在流化中磨損脫落形成細粉，這些金屬細粉一方面具有很強的吸收SOx和CO2的能力，容易形成低熔點共熔物，增加金屬細粉與催化劑細粉黏連結垢的趨勢，另一方面γ-Fe2O3和鋁酸鎳等具有磁性，易吸附在煙機葉片上。

有研究者對催化裂化催化劑進行模擬高溫燒結試驗，發(fā)現金屬含量低的催化劑燒結后仍然松散，但加入Na，Fe，Ca，Ni等金屬后的樣品很容易形成固定形狀垢塊，而且金屬加入量越大，垢塊質量越大越結實，硬度越大[5]。圖2為催化劑靜態(tài)燒結后的對比照片。

圖2 催化劑靜態(tài)燒結后的對比照片

(5)煙機垢樣斷面金屬含量分析

取4個煙機垢樣，對垢樣的外表面和斷面(煙機葉片側)進行X射線熒光半定量分析，得到垢樣斷面的元素富集比(垢樣斷面/表面)，結果見表8。從表8可以看出，垢樣的斷面硫含量相對較高。這種富集梯度的形成表明，煙機結垢與煙氣中的硫逐漸富集密切相關，元素組成從開始結垢部位向垢的厚度增長方向上呈不均勻分布。催化劑基質中含有質量分數1.5%左右的硫酸根，折合硫質量分數為0.5%，硫酸根在催化劑制備過程中產生，易與金屬發(fā)生反應，生成低熔點硫酸鹽。再生煙氣中一定會含有一定量的SO3，SO3能夠與水反應生成硫酸，有可能發(fā)生硫酸與金屬反應而導致垢樣中硫含量變化。

表8 煙機垢樣斷面的元素富集比

綜上分析可知，催化劑上金屬沉積(如鐵、鎳、銻、鈣等)的含量與煙機結垢的關聯度較大。金屬對煙機結垢影響由高到低的順序為：Fe/Sb>Ca>Ni。

1.3.3助劑的加注對煙機結垢的影響催化裂化裝置當前加注的典型助劑主要有助辛劑、丙烯助劑、降烯烴助劑、重油裂解劑、硫轉移劑、脫硝劑等。

從各催化裂化裝置運行數據看，未能發(fā)現助劑使用與煙機結垢的必然聯系，但煙機結垢嚴重的13套裝置存在同時使用2種以上牌號催化劑或助劑的情況(最多的甚至高達3種)。某催化裂化裝置同時使用3種助劑、另一裝置使用2種主劑同時使用2種助劑，均存在較嚴重的結垢問題。

在多種助劑與主劑混用時需要關注兩個問題：①不同配方和工藝制造的催化劑，其理化性質存在一定的差異。當這些催化劑混合使用或在反應-再生系統(tǒng)中同時并存時，可能會加劇某一品種催化劑的磨損，產生大量細粉，造成煙機結垢傾向增大。②部分助劑中稀土含量較高，有觀點認為稀土容易產生靜電，強化小顆粒的吸附作用，使催化劑更容易聚團。

2 煙機結垢的原因分析

由以上分析可知，煙機結垢是一個多因素相互作用的結果。首先，煙氣經過煙機流道的流場不均勻、擾動大，為煙機結垢提供了條件，影響流場的因素除葉型外，主要受葉片的表面粗糙度、輪盤冷卻蒸汽流量和溫度的影響；其次，平衡劑脫附的金屬、煙氣中的細粉(尤其是超細粉)與煙氣中的水蒸氣、硫等介質相互作用，加劇葉片表面的粗糙度，易造成煙機結垢。

3 避免煙機結垢的應對措施

針對上述導致煙機結垢的因素，提出以下5項改進措施。

3.1 控制平衡劑的金屬含量

從4個方面對平衡劑的金屬含量進行控制：①對催化裂化原料進行優(yōu)化，控制平衡劑的鐵質量分數不高于5 000 μg/g、鎳質量分數不高于6 000 μg/g；②對于以加氫重油為原料的裝置，在原料加氫催化劑級配上應考慮容鐵容垢的保護劑；③對新鮮劑的配方進行優(yōu)化調整，以增加催化劑的抗鐵能力；④開發(fā)新的助劑，降低鐵對系統(tǒng)的影響。

3.2 控制煙機入口的細粉尤其是超細粉濃度

從5個方面控制煙機入口的細粉濃度：①控制煙機入口粉塵濃度盡量不大于120 mg/m3；②催化劑生產廠家在催化劑生產過程中控制好新鮮劑的品質，減少催化劑的磨損；③對催化裂化裝置的目標任務進行優(yōu)化，避免多種主劑及助劑混合使用；④嚴格控制操作條件，避免設備損壞；⑤開工后加大催化劑置換速率，減少系統(tǒng)內性能下降的催化劑比例。

3.3 控制優(yōu)化輪盤冷卻蒸汽的流量及溫度

從3個方面對輪盤冷卻蒸汽的流量及溫度進行優(yōu)化：①嚴格控制輪盤冷卻蒸汽用量，在輪盤中心溫度不超設計上限(一般為350 ℃)時，盡量降低輪盤蒸汽量，進入輪盤的蒸汽流量建議控制在800 kg/h以內；②提高輪盤蒸汽品質，蒸汽溫度建議控制在250～260 ℃；③新設計的葉根保護技術，能降低冷卻蒸汽對煙氣流場的干擾和煙氣中水蒸氣的含量，提高葉片葉根和輪盤榫齒的許用強度，值得推廣。

3.4 優(yōu)化鈍化劑的品種及加注量

開發(fā)新型鈍化劑，避免應用低熔點金屬，對鈍化劑的品種進行優(yōu)化；提高現有鈍化劑的掛銻率，同時應明確鈍化劑中的銻含量，對鈍化劑的加注量進行優(yōu)化，避免過度加注。

3.5 優(yōu)化設備結構

從3個方面對設備的結構進行優(yōu)化：①做好葉片的氣動模擬設計，改進葉型，使葉片的流場、溫度場更均勻；②在確保葉片耐磨性能的前提下，降低葉片、圍帶等容易結垢部位的表面粗糙度；③對煙機轉子進行振動敏感性分析及優(yōu)化，降低轉子對催化劑剝落后產生不平衡質量的敏感性。

4 結 論

(1)從煙機輪盤冷卻蒸汽統(tǒng)計結果來看，冷卻蒸汽溫度低于220 ℃的裝置，出現結垢問題的比例為75%；冷卻蒸汽流量超過1 000 kg/h的裝置，出現結垢問題的比例為73.33%。表明輪盤蒸汽的溫度及流量對煙機結垢影響較大，并且溫度越低、流量越大越容易結垢。

(2)從煙機機械設計統(tǒng)計情況來看，采用雙極煙機的裝置，出現結垢問題的比例為87.5%；提高葉片表面的光潔度，優(yōu)化葉片葉型可以緩解煙機結垢。

(3)從煙機垢樣和平衡催化劑分析統(tǒng)計結果來看，催化劑上鐵、鎳、銻、鈣等金屬沉積與煙機結垢的關聯度較大。金屬對煙機結垢影響由高到低的順序為：Fe/Sb>Ca>Ni。

(4)從37家煉油廠催化裂化裝置的運行數據來看，煙機結垢是一個多因素相互作用的結果，需要從控制平衡劑的金屬含量、控制煙機入口的細粉濃度、控制輪盤冷卻蒸汽的流量及溫度、優(yōu)化鈍化劑的品種及加注量、優(yōu)化設備結構等方面進行控制和優(yōu)化，以期達到緩解和避免煙機結垢的問題。

[1] 韓柏，李玉鐸，金友海.不同流量對催化裂化煙氣輪機內部氣-固兩相流動的影響[J].中國粉體技術，2014，20(3)：11-15

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[3] 杜玉朋，趙輝，楊朝合，等.煙氣輪機葉片間隙中 FCC 催化劑細粉運動規(guī)律：氣相流場分布的影響[J].化學工程，2012，40(7)：57-60

[4] 杜玉朋，趙輝，楊朝合，等.煙氣輪機葉片間隙中FCC催化劑細粉運動規(guī)律：葉片上的磨損與結垢[J].化學工程，2012，40(9)：52-55

[5] 王瑜，邢少偉，王建軍.催化裂化煙氣輪機內催化劑結垢機理的實驗研究[J].中國粉體技術，2016，22(1)：92-96