催化裂化裝置沉降器防結(jié)焦技術(shù)的研究與應(yīng)用

張可偉，鄭顯偉，孫新文，何承厚，王建軍

(1. 金陵石油化工有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210033； 2. 中國石油化工股份公司化工事業(yè)部，北京 100728； 3. 中國石油化工股份公司煉油事業(yè)部，北京100728)

催化裂化裝置是煉油企業(yè)重要的二次加工裝置。隨著石油需求量的不斷增長和煉油廠催化裂化摻渣比提高，催化裂化裝置沉降器結(jié)焦問題日益突出【1】。結(jié)焦沉積、焦塊脫落造成的非計(jì)劃停車次數(shù)占比大、處理難度大，問題突出。沉降器結(jié)焦不僅影響裝置長周期運(yùn)行，而且已成為我國催化裂化裝置安全運(yùn)行的一個重大隱患。

1 沉降器結(jié)焦分析

1.1 結(jié)焦機(jī)理與原因

現(xiàn)有研究表明【2-3】：原料性質(zhì)是沉降器結(jié)焦的重要因素之一，原料性質(zhì)越差、殘?zhí)烤驮礁撸辉现袨r青質(zhì)、膠質(zhì)和稠環(huán)芳烴等重組分含量越多，在相同運(yùn)行工況下，沉降器結(jié)焦越明顯。沉降器內(nèi)部油氣的流動狀態(tài)對結(jié)焦也影響較大，沉降器結(jié)焦部位主要在流速、溫度相對較低的“死區(qū)”，如沉降器內(nèi)集氣室周邊、旋風(fēng)分離器(簡稱旋分器)及內(nèi)提升管上部外壁、稀相空間內(nèi)壁等。沉降器結(jié)焦與油氣停留時間長短也有一定關(guān)系，常規(guī)結(jié)構(gòu)的沉降器中，油氣在沉降器停留時間一般約為30 s，但器壁附近的油氣流動速度慢，有時高達(dá)數(shù)分鐘，導(dǎo)致該處容易結(jié)焦【4】。

1.2 結(jié)焦特點(diǎn)

通過對近年來5家企業(yè)催化裂化裝置結(jié)焦情況分析，結(jié)焦存在如下幾個特點(diǎn)：

1) 結(jié)焦層次分明。從汽提段防焦格柵上部開始，越往上部結(jié)焦現(xiàn)象越嚴(yán)重，焦塊也越厚，到粗旋出口和頂部防焦蒸汽附近，焦塊基本占據(jù)了大部分沉降器空間(見圖1)。

圖1 沉降器裝卸孔處結(jié)焦情況

2) 結(jié)焦程度。粗旋和單旋的部位被焦塊基本糊死(見圖2)，沉降器器壁焦塊的厚度在100 mm以上，旋分器外壁上焦塊厚度從30～50 mm不等。

圖2 軟連接處結(jié)焦情況

3) 焦塊密度及成分隨結(jié)焦部位的不同而有所區(qū)別。軟連接位置采集的焦塊樣品密度最高，含碳量較高，燃燒后的固體殘留物為10%左右，屬于典型的高溫縮合生焦；旋分器等內(nèi)構(gòu)件外壁上的掛焦密度含碳量次之，沉降器器壁周圍的掛焦組織疏松，含有大量的催化劑成分，燃燒后的固含量高達(dá)60%以上。

1.3 清焦方法

沉降器清焦是搶修和檢修的重點(diǎn)，直接關(guān)系到檢修進(jìn)度和質(zhì)量。由于沉降器內(nèi)焦塊易復(fù)燃(見圖3)，溫度長時間維持在100 ℃左右，無法進(jìn)行清焦工作；同時清焦過程中，上部焦塊存在無規(guī)律脫落風(fēng)險。存在空間小、溫度高、脫落等問題，一般采取如下措施：

1) 為了防止焦塊復(fù)燃，用蒸汽隔離氧氣，同時結(jié)合水噴淋降溫。

2) 為了避免上部焦塊掉落對清焦人員造成傷害，同時防止焦塊塌方，清焦工作只能從上向下進(jìn)行。

3) 裝卸孔內(nèi)部緊靠旋風(fēng)分離器，空間小，人員進(jìn)出困難，清出的焦塊運(yùn)出進(jìn)度慢。因此，多采用再在器壁上開2個天窗(見圖4)的方案，具體位置為人孔南側(cè)天窗以沉降器上封頭焊縫標(biāo)高為基準(zhǔn)，向下約350 mm為天窗的上口，所開天窗中心與人孔中心線之間弧長距離為2 200 mm，天窗尺寸約為1 200 mm×1 600 mm(弧長×高度)；人孔北側(cè)天窗還是以沉降器上封頭焊縫標(biāo)高為基準(zhǔn)，向下約500 mm為天窗的上口，天窗中心線與人孔中心線之間弧長距離為5 400 mm左右，天窗尺寸約為1 200 mm×1 600 mm(弧長×高度)。將開天窗方案發(fā)給沉降器設(shè)計(jì)單位確認(rèn)并報特檢院報檢后，安排施工單位作業(yè)。通過以上措施，清焦工作才可順利展開。天窗恢復(fù)時，嚴(yán)格按照壓力容器的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行內(nèi)、外焊接，并進(jìn)行X射線檢測。

圖4 沉降器壁上增開2個天窗

2 沉降器防結(jié)焦技術(shù)應(yīng)用

2.1 粗旋軟連接改為直聯(lián)

提升管出口快分的主要型式有提升管出口粗旋+沉降器旋風(fēng)分離器的“軟連接”型式、提升管出口粗旋+沉降器旋風(fēng)分離器的“直連接”型式、旋流式快速分離器(VQS)型式等。軟連接結(jié)構(gòu)對施工和操作要求較高，施工過程中要保持良好的對中，在良好的壓力平衡條件下，該結(jié)構(gòu)抑制油氣溢出、避免溢出油氣結(jié)焦作用明顯，而一旦催化裂化裝置出現(xiàn)壓力波動，特別是反應(yīng)壓力大幅度波動的情況，則容易造成軟連接處油氣串出，導(dǎo)致結(jié)焦。2012年沿江某企業(yè)Ⅱ催化裂化裝置、2015年10月華南某企業(yè)催化裂化裝置、2017年華東某企業(yè)Ⅱ催化裂化裝置相繼對粗旋軟連接進(jìn)行了直聯(lián)改造(見圖5和圖6)，有效解決了沉降器結(jié)焦問題。

圖5 軟連接改直聯(lián)結(jié)構(gòu)示意

圖6 改直聯(lián)現(xiàn)場應(yīng)用

2.2 旋風(fēng)分離器防焦導(dǎo)流片技術(shù)

2013年7月，華東某企業(yè)催化裂化裝置兩器藏量下降，單級旋風(fēng)壓降突然下降，油漿固體含量上升，停工打開檢查發(fā)現(xiàn)料腿被焦塊堵死(見圖7和圖8)，為單級旋分升氣管外壁焦塊脫落所致，進(jìn)而造成旋分器失效、催化劑跑劑的情況。

圖7 料腿結(jié)焦堵塞情況

圖8 頂旋升氣管結(jié)焦情況

沉降器旋分易在翼閥口(升氣管外壁脫落所致)、灰斗及料腿、旋分升氣管處結(jié)焦，尤其是旋分升氣管入口處，因升氣管入口背面是滯流區(qū)，重質(zhì)組分油氣和重油液滴向升氣管壁表面粘附和沉積固化累積，進(jìn)而結(jié)焦。預(yù)防該部位結(jié)焦的方法是改變沉降器升氣管外壁的繞流附面層流動【5】。為此，沉降器中的升氣管采取增設(shè)防焦導(dǎo)流片的方法，以改善升氣管外壁的氣相流場分布(見圖9和圖10)，同時還可起到固定焦塊作用，防止焦塊脫落。

圖9 防焦導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)一

圖10 防焦導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)二

2013年沿海某企業(yè)催化裂化裝置在沉降器單級旋分器的升氣管外壁增設(shè)防焦導(dǎo)流片防止焦塊脫落，至2015年11月停工檢修，2年內(nèi)未出現(xiàn)因旋風(fēng)分離器焦塊脫落而引起的非計(jì)劃停工，改造效果明顯。

2.3 應(yīng)用新型VQS結(jié)構(gòu)解決結(jié)焦問題

VQS由旋流快分頭封閉罩、導(dǎo)流管及環(huán)形擋板式預(yù)汽提器等組成。華東某企業(yè)130 t/a重油催化裝置VQS系統(tǒng)改造后，長周期運(yùn)行時長得到了較大提高。VQS系統(tǒng)把催化劑和反應(yīng)油氣進(jìn)行一次分離所攜帶的油氣較快地帶入頂旋，使油氣在此停留時間縮短(一般5 s以下)，同時可預(yù)汽提催化劑所攜帶的部分油氣，避免重組分在沉降器內(nèi)停留時間長而造成結(jié)焦。

2009年4月，東北某企業(yè)Ⅰ催化裂化裝置沉降器結(jié)焦脫落堵塞汽提段，導(dǎo)致停工，打開檢查發(fā)現(xiàn)沉降器內(nèi)部結(jié)焦嚴(yán)重。2011年對該裝置提升管末端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，取消原有的粗旋加軟連接形式，改為帶有封閉罩的VQS，同時罩外與沉降器之間增加防焦隔板結(jié)構(gòu)隔離旋風(fēng)料腿催化劑攜帶的油氣以及VQS下料口返回的油氣，優(yōu)化沉降器拱頂稀相防焦蒸汽分布器以提高用量，通過防焦隔板與器壁間隙形成有效驅(qū)趕油氣環(huán)境，避免了油氣的反串造成停留時間過長的行程結(jié)焦【6】。2013年停工檢修的結(jié)果表明，該沉降器內(nèi)部沒有結(jié)焦，結(jié)焦問題得到徹底解決。

3 結(jié)語

沉降器結(jié)焦問題給催化裂化裝置長周期運(yùn)行造成較大困擾，不同裝置特點(diǎn)和原料性質(zhì)不同，結(jié)焦原因也不相同，所以需要結(jié)合裝置自身結(jié)焦特點(diǎn)“量體裁衣”，制定出具有針對性的防止沉降器結(jié)焦的措施。文中提到的5家企業(yè)的催化裂化裝置均是在分析各自裝置沉降器結(jié)焦原因的基礎(chǔ)上，有針對性地制定出防結(jié)焦的措施，通過進(jìn)行粗旋與單旋直聯(lián)結(jié)構(gòu)、增設(shè)導(dǎo)流片和VQS等防結(jié)焦技術(shù)改造，成功解決了結(jié)焦問題，實(shí)際生產(chǎn)中取得了較好的效果。這些防結(jié)焦技術(shù)的成功應(yīng)用，能從結(jié)構(gòu)上消除重油催化裂化裝置沉降器結(jié)焦對裝置運(yùn)行的危害，達(dá)到延長裝置運(yùn)行周期、減少非計(jì)劃停工的目標(biāo)。