催化裂化油漿系統(tǒng)運行分析及優(yōu)化措施

彭國峰，黃富，沈興，殷嘉鵬

（1.中國石油四川石化有限責任公司，四川成都611930；2.中國石油呼和浩特石化公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010070）

催化裂化裝置的催化裂化油漿（簡稱催化油漿）系統(tǒng)容易結焦，造成裝置能耗增加、裝置處理能力降低、系統(tǒng)熱平衡遭破壞，嚴重時會造成油漿輸送系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)堵塞，致使裝置停車清垢［1］。分餾塔底、分餾塔盤、油漿泵和油漿換熱器等設備易發(fā)生結焦，原因是原料性質、油漿化學組成、催化劑含量、油漿流速、分餾塔底溫度、停留時間以及操作平穩(wěn)性等。油漿中多環(huán)芳烴和烯烴和原料中金屬的含量增加等均會增加油漿生焦傾向［2］。

文中對某重油催化裂化裝置的油漿組成和其它參數(shù)進行分析，探討了結焦的成因及影響因素，制定防范措施，有效抑制了油漿系統(tǒng)的結焦。

1 油漿基本性質

某重油催化裂化裝置原料為經(jīng)過渣油加氫精制而成的減壓渣油。催化油漿密度1 097 kg/m3、殘?zhí)繛?5.21%，膠質和瀝青質含量為19.1%，油漿中固體顆粒含量達到5.8 g/L，灰分含量0.301%，灰分主要是無法燒盡的催化劑成分，因此油漿主要特點為密度大、殘?zhí)几摺⒎紵N含量較高、膠質和瀝青質含量較高，飽和烴含量較少。催化劑顆粒成為結焦中心，吸附、富集稠環(huán)芳烴等大分子有機物。油漿中的有機物聚集成團，成為易被極性基團覆蓋的大分子幾何體，與無機物粘附、聚結、沉降，形成無機、有機混合物的結焦物質。油漿性質和組分見表1、2。

表1催化油漿和原料基本性質和餾程

表2油漿4組分

2 油漿結焦機理

油漿中鋁和硅含量較高，分別為270μg/g、212.1μg/g，主要是沉降器反應油氣帶來的催化劑成分，催化油漿C/H為10。催化裂化反應油氣中含有的催化劑細粉，進入分餾塔經(jīng)分餾塔底油漿沖洗后會留在分餾塔底或隨油漿循環(huán)到換熱器中及油漿管線中。油漿結焦主要有3種方式：（1）油漿中多環(huán)芳烴、膠質及瀝青質在較高溫度及油漿中過渡金屬催化作用下會發(fā)生脫氫縮合反應；（2）分餾塔底溫度較高，油漿中烴類發(fā)生熱裂化反應生成烯烴、二烯烴，通過自由基鏈反應，停留時間越長，自由基越來越多，縮聚反應越顯著，多環(huán)芳烴、瀝青質、膠紙結焦趨勢顯著；（3）油漿主要為大分子有機物組成，凝點為18.03℃，易冷凝結焦。

3 油漿結焦原因分析

3.1 催化劑

3.1.1 催化劑的氫轉移反應活性催化劑氫轉移反應活性會影響產(chǎn)物中高沸點不飽和烴和芳烴的含量。氫轉移反應是由不飽和烴參與的雙分子反應，烯烴一方面作為氫的接受者生成飽和物，另一方面作為氫的給出者，本身成為正碳離子或不飽和物。奪氫分子奪取1個氫，生成不飽和度減少的分子，供氫分子失去氫，生成不飽和度增加的分子，最終生成富氫的飽和烴和缺氫的環(huán)烯烴、芳烴、多環(huán)芳烴、縮合多環(huán)芳烴等結焦母體，其吸附催化劑顆粒表面上為結焦提供了可能［3，4］。

3.1.2 催化劑的機械強度、球形度、篩分組成等參數(shù)油漿中硅鋁含量高達270μg/g和212.1μg/g，說明油漿結焦與催化劑細粉含量有關。機械強度弱、球形度差的催化劑易磨損產(chǎn)生＜5μm的細粉，沉降器旋分分離器難以分離，隨高溫油氣進入分餾塔，造成油漿中結焦中心增多，結焦趨勢增強。

3.2 操作條件

3.2.1 溫度分餾塔底溫度高是結焦的直接原因。分餾塔底液相溫度高，將塔底輕質油氣組分汽化分離，增加輕質油收率。油漿中飽和烴較少，其大量芳烴、烯烴進一步縮合成膠質、瀝青質，部分膠質又轉化為瀝青質，造成結焦傾向加劇。

3.2.2 流速油漿流速過低不能充分攜帶油漿中懸浮催化劑及無機物顆粒，造成顆粒物容易沉積而加劇結焦。油漿中固體含量越高，與大分子有機物越容易接觸而發(fā)生聚合、縮合反應，尤其在分餾塔底等攪拌蒸汽、攪拌油漿作用不均勻的死區(qū)或者在流速較低的油漿管道等區(qū)域容易沉降、結焦。在反應器催化劑跑損嚴重和油漿外甩量較小時，會明顯加快結焦。

為使油漿循環(huán)系統(tǒng)不結焦，油漿在管道中的流速應不低于1.2 m/s，在換熱器的管程內(nèi)宜控制在1.0 m/s以上。該催化裝置油漿外甩冷卻器流速僅為0.787 m/s，因此非常容易結焦而堵塞管線。

3.3 密度和固含

油漿密度可間接反映其組成和殘?zhí)康刃再|，通過調節(jié)油漿外甩量和反應深度可控制其密度。

油漿中固體含量包括催化劑顆粒和焦粒，固含高會造成嚴重結焦和對設備管線的摩擦損傷。

3.4 停留時間

將油漿循環(huán)量控制在666.7 t/h左右，分餾塔底液位控制在30%～40%，較低的液位利于催化分餾塔長周期運行，低停留時間可以減少結焦。分餾塔底在不同液位下得到油漿停留時間見表3。

表3油漿停留時間

4 防止油漿結焦優(yōu)化措施

4.1 選用合理的催化劑及反應深度

控制好催化劑的反應傾向，盡量減小氫轉移反應，減少富氫的飽和烴和缺氫的環(huán)烯烴、芳烴、多環(huán)芳烴、縮合多環(huán)芳烴等結焦母體生成同時通過反應深度控制好油漿的密度、固含是減少系統(tǒng)結焦的根本。同時選擇催化劑的機械強度、球形度、篩分等參數(shù)，減少細粉的產(chǎn)生，減少油漿系統(tǒng)細粉夾帶量。該催化裂化裝置選擇催化劑磨損指數(shù)一般不大于1.8%。

4.2 加注阻垢劑

油漿阻垢劑阻止了油漿結焦。催化裝置油漿阻垢劑加入比例為200 mg/kg（相對外甩油漿）,其為多功能復合添加劑，主要具有以下3個功能：

（1）分散作用，阻止油漿中的催化劑細粉顆粒的凝聚，沉積，使其由原來相對靜止狀態(tài)改變?yōu)橄鄬τ坞x狀態(tài)，防止其沉積成垢物；（2）防止氧化作用，烴自由基氧化后與油漿阻垢劑反應生成惰性分子，終止鏈反應，不能聚合成更大分子；（3）阻止烴類分子反應聚合結垢。

4.3 控制油漿最大循環(huán)量，采用較低的塔底溫度

加大油漿循環(huán)量，增大循環(huán)油漿線速、降低分餾塔底停留時間。通過調控油漿上、下返塔流量，可保證油漿下返塔對分餾塔底的攪拌降溫作用，保證上返塔油漿對反應油氣起到脫過熱洗滌作用，防止結焦現(xiàn)象后移。

該催化裝置實行油漿系統(tǒng)最大循環(huán)量控制，加大油漿下返塔循環(huán)量以控制較低的塔底溫度，在保證油漿對反應油氣脫過熱洗滌情況下，將分餾塔底溫度控制在335℃以下，控制油漿上返塔流量不低于360 t/h，油漿下返塔實施最大流量控制且流量不低于300 t/h。外甩油漿量控制在16 t/h，盡量提高油漿在換熱器、管線中的線速。

4.4 提高流速，換熱器盡量只走冷路

為了使油漿循環(huán)系統(tǒng)的管道和設備不結焦，油漿在管道中的流速應不低于1.0 m/s。換熱器的副線啟用應當慎重，確保油漿換熱器內(nèi)流速不低于1 m/s，避免油漿在換熱過程中，由于油溫降低，粘度增大而結焦。由于催化外甩換熱器設計不夠合理，油漿在換熱器中流速僅為0.787 m/s。2017年10月，催化外甩換熱器出現(xiàn)過結焦堵塞情況，計劃在油漿外甩冷卻器后增設1條管線至油漿返塔循環(huán)線上，提高油漿外甩換熱器線速。

4.5 油漿換熱器設置沖洗油系統(tǒng)

油漿換熱器和油漿泵出入口閥在長期運轉過程中存在部分截流現(xiàn)象，為避免油漿活動區(qū)域死區(qū)、緩區(qū)內(nèi)結焦，該催化裝置在循環(huán)油漿換熱器以及外甩油漿換熱器等部位設有柴油沖洗油線，柴油能夠溶解油漿中瀝青質、膠質以及軟焦等。油漿系統(tǒng)發(fā)生結焦時，可以打入柴油沖洗油。2017年10月份，外甩油漿換熱器因長時間線速較低而結焦，外甩油漿量在4 h內(nèi)從16 t/h降低至4 t/h，且流速下降加快，采取打入柴油沖洗油等方法解決了外甩油漿換熱器結焦問題，恢復正常生產(chǎn)。

4.6 調節(jié)油漿外甩量

油漿中催化劑通過油漿外甩排出，能夠減輕油漿系統(tǒng)結焦。該催化裝置油漿外甩量為18 t/h，控制外甩6.0±0.5%。同時，定期分析油漿中飽和烴含量，控制油漿中飽和烴含量低于20%。

4.7 合理利用攪拌油漿和攪拌蒸汽

通過打入攪拌油漿和攪拌蒸汽可以迅速降低塔底溫度和形成擾動，防止不溶物粘在管壁和塔壁形成流動死區(qū)，防止催化劑顆粒沉積，堵塞塔底油漿濾焦器。分餾塔底攪拌蒸汽一般為1.8 t/h。

4.8 控制外甩油漿溫度較高

外甩油漿溫度一般控制在80～90℃之間，其溫度過高過低均容易造成結焦。該催化裝置油漿溫度一般控制在88℃左右，稍高的溫度不僅有利于節(jié)能，同時由于油漿主要為大分子有機混合物，高溫不易造成油漿組分凝固。

4.9 投用油漿過濾器

催化油漿中固體顆粒物質含量一般為5 g/L以上，固體顆粒為結焦核心，容易引發(fā)油漿系統(tǒng)結焦和沉積。該催化裝置采用全自動油漿過濾器能夠使油漿灰分去除率高達90%以上［5］，是在線減少油漿固體含量和催化劑顆粒的先進方法，也是產(chǎn)生較好油漿產(chǎn)品的有效措施，能顯著改善后路油漿系統(tǒng)以及油漿后續(xù)加工產(chǎn)生的結焦問題。

5 結束語

通過選用結構堅固球形分子篩催化劑，控制粒度分布，達到減少油漿中催化劑細粉；控制分餾塔底液位35%，外甩油漿收率6%，控制油漿飽和烴含量為20%，調整循環(huán)油漿量大于667 t/h，控制油漿系統(tǒng)線速大于1.0 m/s，注入油漿阻垢劑，投用油漿過濾器等，合理使用攪拌油漿和攪拌蒸汽等，保持油漿系統(tǒng)良好運行，生產(chǎn)長期趨于穩(wěn)定。