催化裂化裝置催化劑跑損診斷方法

郭翠翠，李 正，張金慶，趙振華

(青島惠城環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，山東 青島 266555)

在石油煉制加工過程中，催化裂化工藝是將重質(zhì)油轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油的重要二次加工工藝，催化裂化裝置可為燃料型煉廠提供約80%的汽油及30%的柴油產(chǎn)品[1]，此外在有機(jī)化工原料丙烯相對短缺的情況下，催化裂化裝置還可提供約28%的丙烯[2]，因而催化裂化裝置長期穩(wěn)定高效運行是保障煉油廠經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。

催化劑跑損是催化裂化裝置常見的故障，若沉降器發(fā)生跑劑會影響油漿系統(tǒng)的安全運行，增加油漿換熱設(shè)備結(jié)焦的概率，降低換熱效率，還會使油漿泵和油漿管線磨損增加，油漿系統(tǒng)的停運風(fēng)險增加[3]，此外油漿中細(xì)粉含量增加會降低油漿產(chǎn)品價格；若再生器發(fā)生跑劑，則易引起煙機(jī)結(jié)垢和振動異常，增加煙機(jī)停運風(fēng)險，當(dāng)催化劑沉積在余熱鍋爐上，會引起換熱效率降低和吹灰次數(shù)增加，還會使布袋除塵、煙氣脫硫等裝置的細(xì)粉收集量增加，增加其運行壓力[4-5]，催化劑顆粒進(jìn)入煙囪中還會引起污染大氣。催化劑跑損嚴(yán)重，裝置系統(tǒng)內(nèi)催化劑藏量難以維持，使加工量和產(chǎn)品收率降低。總之，催化劑跑損不僅降低了催化裂化裝置的經(jīng)濟(jì)效益，還直接影響催化裂化裝置的安全及長周期運行，裝置跑劑嚴(yán)重時甚至需要停工進(jìn)行處理。因而快速準(zhǔn)確的找到催化劑跑損的原因，減少催化劑的跑損，對保障催化裂化裝置安全穩(wěn)定運行具有重要意義。本文主要介紹催化裂化裝置催化劑跑損診斷方法。

1 催化劑跑損現(xiàn)象

催化裂化裝置反再部分屬于流化床反應(yīng)器，裝置內(nèi)的平衡劑粒徑分布在(0～150)μm范圍內(nèi)，平均粒徑約70 μm。(0～40)μm范圍內(nèi)的通常稱為細(xì)粉，在催化裂化正常生產(chǎn)時，由于催化劑高速流化，與器壁以及催化劑顆粒間的相互摩擦?xí)粩喈a(chǎn)生催化劑細(xì)粉顆粒。在催化裂化裝置反再系統(tǒng)內(nèi)，將油氣或煙氣與催化劑顆粒進(jìn)行分離，并將催化劑顆粒保留在系統(tǒng)內(nèi)主要由旋風(fēng)分離器完成，反應(yīng)器和再生器的兩級旋風(fēng)分離器通常能夠回收產(chǎn)品和煙氣所攜帶的99.995%以上的催化劑粉末，因旋風(fēng)分離器的分離效率不能達(dá)到100%，無法對催化劑細(xì)粉進(jìn)行完全回收，因而催化劑會不可避免的發(fā)生自然跑損，不同工藝和裝置的催化劑自然跑損量不同，正常生產(chǎn)情況下，自然跑損量在0.6 kg·t-1以內(nèi)，有的裝置可控制在0.4 kg·t-1以內(nèi)。

在反再系統(tǒng)中當(dāng)催化劑發(fā)生大量跑損時，催化劑一方面可以從沉降器跑損，通過反應(yīng)油氣進(jìn)入到分餾系統(tǒng)中；另一方面也可以從再生器跑損進(jìn)入煙氣管道中[6]，因而由于操作原因或設(shè)備故障等因素造成催化劑跑損量異常增加時，可以通過以下幾個方面對跑劑是否增加進(jìn)行判斷：

(1)當(dāng)原料油性質(zhì)和裝置操作未有較大調(diào)整時，油漿固含量和灰分增加，可說明催化劑從沉降器跑損增加。

(2)三旋入口煙氣粉塵濃度增加，三旋收集的細(xì)粉量增加，布袋除塵、脫硫裝置等收集的細(xì)粉量增加，可說明催化劑從再生器跑損增加。

(3)煙囪混濁程度增加，說明煙囪催化劑排放量增加，即催化劑從再生器跑損增加，通常直徑大于幾微米的催化劑顆粒對煙囪混濁程度影響較小，而直徑在(0.1～1.0)μm范圍內(nèi)的顆粒對混濁程度的影響更大。

2 催化劑跑損診斷流程

催化劑跑損最直接相關(guān)的因素是催化劑，目前催化劑的常規(guī)取樣分析已經(jīng)普遍，催化劑分析也易于實施和快速獲取結(jié)果，當(dāng)催化劑出現(xiàn)跑損時，平衡劑、待生劑、三旋細(xì)粉、油漿中催化劑細(xì)粉等催化劑的粒度分布常會發(fā)生改變，尤其是(0～40)μm的細(xì)粉顆粒含量會發(fā)生變化，因此本文以催化劑粒度分布變化為出發(fā)點，總結(jié)國內(nèi)外各類型催化裂化裝置出現(xiàn)的催化劑跑損問題，對跑損原因的進(jìn)行匯總分析并分類整理，在此基礎(chǔ)上建立易于實施的催化劑跑損診斷方法，以快速高效的查找出跑劑原因。

影響催化劑跑損的因素眾多，主要可分為操作、催化劑、原料油、設(shè)備等方面因素[7]，本文催化劑跑損診斷方法首要基于以下三方面：平衡劑的粒度分布變化情況、催化劑跑損的位置和分析催化劑屬于磨損或破碎，然后以此三個方面的變化情況為起點再展開分析，催化劑跑損診斷的流程如圖1所示。

圖1 催化劑跑損診斷流程圖Figure 1 Flow chart of catalyst loss diagnosis

3 平衡劑中細(xì)粉減少的催化劑跑損診斷方法

當(dāng)催化裂化裝置催化劑跑損增加，平衡劑中(0～40)μm的細(xì)粉顆粒減少，或確認(rèn)催化劑磨損、破碎沒有明顯增加時，則在查找催化劑跑損原因時，應(yīng)重點關(guān)注相應(yīng)的旋風(fēng)分離器等設(shè)備、操作方法或流化異常等方面可能造成的跑損增加。

3.1 沉降器、再生器工況

在催化裂化裝置中，從提升管裂化后的油氣與待生催化劑在沉降器內(nèi)進(jìn)行分離，沉降器內(nèi)溫度一般為500 ℃左右，沉降器下方為汽提段，在重油催化裂化裝置的沉降器中易發(fā)生結(jié)焦，一般在沉降器頂設(shè)有防焦蒸汽以減少生焦，若沉降器中油氣停留時間過長或開工時操作不當(dāng)會造成沉降器結(jié)焦增加，當(dāng)焦塊掉落易造成沉降器內(nèi)旋風(fēng)分離器設(shè)備故障。

汽提后的待生劑進(jìn)入再生器中在主風(fēng)流化下進(jìn)行高溫再生，待生劑上的焦炭在再生器中進(jìn)行燒焦產(chǎn)生大量熱量，因而再生器中密相溫度一般為(680～690) ℃的高溫，此外再生器稀相段常易發(fā)生尾燃，使稀相溫度可達(dá)(700～710) ℃高溫，因再生器中催化劑藏量大、主風(fēng)量大、溫度高，旋風(fēng)分離器在長時間承受各種高溫和壓力負(fù)載、催化劑顆粒的沖蝕和摩擦，更易發(fā)生機(jī)械故障。

3.2 旋風(fēng)分離器設(shè)備故障

催化裂化旋風(fēng)分離器因長期處于高溫和大量催化劑顆粒流動沖蝕環(huán)境中，造成了旋風(fēng)分離器在操作過程中易于出現(xiàn)各種各樣的故障，如器壁與翼閥的磨損、沖蝕與穿孔，料腿以及拉桿的斷裂，料腿堵塞，吊架變形斷裂等，這些故障導(dǎo)致旋風(fēng)分離器效率降低并進(jìn)而造成催化劑跑損[8]，常見的旋風(fēng)分離器故障如下。

(1)旋風(fēng)分離器料腿有裂縫或斷裂。導(dǎo)致旋分壓降降低，分離效率下降，裝置催化劑大量跑損，影響裝置的運行。

(2)翼閥失效。磨損、卡頓、閥板角度偏離等會造成翼閥失效，使料腿內(nèi)料封高度偏高或偏低，二旋分離效率低，造成催化劑跑損加劇，當(dāng)翼閥處于催化劑床層稀相段時，可采用提高料位掩蓋料腿翼閥操作來減輕跑損問題。

(3)旋風(fēng)分離器器壁或集氣室有孔或裂縫時，泄露的氣體會進(jìn)入到料腿并在其中上行，破壞催化劑在料腿中向下流動導(dǎo)致催化劑收集效率降低，這種情況在二級料腿中更容易發(fā)生，因為一級料腿中催化劑質(zhì)量流量較大會防止氣體向料腿內(nèi)倒竄。當(dāng)旋風(fēng)分離器翼閥失效或器壁、集氣室有孔或裂縫時，跑損的催化劑顆粒中粗顆粒增多，催化劑粒度分布也會變化，跑損的催化劑顆粒分布會呈現(xiàn)雙峰分布，出現(xiàn)一個粒徑值更大的峰值[9]。

(4)旋風(fēng)分離器料腿因焦塊或脫落的襯里堵塞。旋風(fēng)分離器內(nèi)若發(fā)生襯里脫落或者焦塊脫落掉入旋風(fēng)分離器料腿，會造成料腿翼閥閥板被卡，翼閥不能正常關(guān)閉，從翼閥處氣體發(fā)生倒竄，引起大量催化劑跑損。

3.3 裝置操作、催化劑流化等原因分析

當(dāng)平衡劑中細(xì)粉減少的同時，沉降器或再生器催化劑跑損增加，除了分析旋風(fēng)分離器等設(shè)備原因，還應(yīng)關(guān)注裝置操作、催化劑流化方面的原因，尤其是在裝置開停工、晃電或操作大幅調(diào)整時，更易造成裝置催化劑跑損異常增加。

(1)裝置在開工和停工期間，由于各操作參數(shù)較正常運行時差別較大，旋風(fēng)分離器工況不在正常操作范圍內(nèi)，易造成催化劑大量跑損。此外裝置中催化劑流化狀態(tài)異常或突然流化終止都會影響旋風(fēng)分離器的分離效率，從而加劇催化劑跑損。

(2)當(dāng)裝置加工量大幅增加或減少，超出旋風(fēng)分離器的設(shè)計范圍，入口線速過高或過低，都會造成旋分效率降低以及催化劑跑損增加。旋風(fēng)分離器入口線速增大，會使旋風(fēng)分離器壓降上升，料腿內(nèi)催化劑高度上升，可能造成料腿催化劑下料不暢，引起催化劑大量跑損。

(3)操作壓力及料位高度的影響。如果反應(yīng)或再生壓力波動大，會增加煙氣或油氣中催化劑細(xì)粉濃度，使催化劑跑損增加。因此，在正常操作中應(yīng)盡量維持再生器、沉降器壓力穩(wěn)定。此外催化劑床層高度越高，埋入催化劑部分的料腿就越深，旋分壓降增加，料腿內(nèi)催化劑堆積增多，易引起催化劑跑損增大；其次，催化劑床層料位高度增漲，使稀相催化劑顆粒沉積高度減少，因而進(jìn)入旋分器的催化劑顆粒增多，加劇催化劑跑損。

(4)當(dāng)主風(fēng)分布管/板損壞會導(dǎo)致再生器內(nèi)催化劑流化異常，主要引起偏流，可以從兩側(cè)的溫差、壓降對比來判斷，當(dāng)發(fā)生偏流時，催化劑跑損增加，因而再生器內(nèi)應(yīng)盡量保持催化劑密相催化劑密度大，稀相催化劑濃度小，以減少催化劑跑損。

4 平衡劑中細(xì)粉增多或不變的催化劑跑損診斷方法

當(dāng)平衡劑中細(xì)粉含量增多或不變，沉降器和再生器的催化劑跑損增加時，應(yīng)先關(guān)注新鮮劑、助劑等催化劑質(zhì)量，催化劑的粒度分布、磨損指數(shù)和水熱穩(wěn)定性決定了催化劑在使用過程中的耐高溫和耐磨性能，從而影響催化劑跑損。

催化劑磨損指數(shù)越低、催化劑顆粒球形度越好、顆粒表面越光滑，磨損產(chǎn)生的細(xì)粉量越少。耐磨性差的催化劑會在催化劑顆粒自身間以及與設(shè)備之間的運動過程中產(chǎn)生大量細(xì)粉，兩種磨損指數(shù)相差較大的催化劑在系統(tǒng)中流化碰撞和摩擦?xí)r，磨損指數(shù)高的催化劑會首先被磨碎，致使細(xì)粉的含量增加。此外催化劑濕度在一定程度上也會影響催化劑跑損，濕度大灼減高的催化劑加入系統(tǒng)后易熱崩碎裂，增大其損耗量，因此，生產(chǎn)催化劑過程中含水量不能太大，而且在儲備運輸過程中催化劑不能受潮。

當(dāng)新鮮催化劑、助劑等質(zhì)量良好，則需要通過掃描電鏡圖像觀察平衡劑顆粒的球形度和外觀，判斷催化劑細(xì)粉的屬于磨損或破碎造成，細(xì)粉顆粒表面比較光滑呈細(xì)小磨屑是由于催化劑磨損造成，而細(xì)粉顆粒呈碎礫且形態(tài)各異則是由于催化劑破碎造成[10]。

4.1 催化劑磨損原因分析

(1)主風(fēng)及蒸汽量的影響。主風(fēng)量的變化直接影響再生器內(nèi)催化劑顆粒線速度，增加主風(fēng)量會增加催化劑顆粒與顆粒間，以及顆粒與設(shè)備器壁間的碰撞磨蝕。如果再生器主風(fēng)量或霧化、汽提等水蒸氣用量大幅增加，會使旋風(fēng)分離器入口線速增加，造成催化劑從旋風(fēng)分離器的跑損增加。操作中在保證再生器燒焦量最佳和使再生劑含炭量最低的前提下，應(yīng)該盡量減少主風(fēng)量及各種蒸汽和松動風(fēng)量。此外主風(fēng)過高、分布不均或者偏流會打破再生器內(nèi)催化劑流化的穩(wěn)定狀態(tài)，使旋風(fēng)分離器料腿不能長期穩(wěn)定在密相中，催化劑料封不能維持穩(wěn)定，還會增加再生器尾燃，造成催化劑跑損增加。

(2)催化劑循環(huán)次數(shù)過高也會導(dǎo)致催化劑跑損，催化劑的循環(huán)次數(shù)越多，磨損越頻繁，產(chǎn)生的細(xì)粉越多，造成催化劑的跑損增加。

4.2 催化劑破碎原因分析

(1)原料油中的鈉和釩含量高會影響催化劑的穩(wěn)定性。因為鈉與釩反應(yīng)生成的釩酸鈉共熔物的熔點較低，共熔物使催化劑熱穩(wěn)定性降低，在再生器操作溫度(650～700) ℃下會使催化劑發(fā)生破碎，造成催化劑跑損。此外原料油中帶水也會造成催化劑熱崩破碎，同時造成反應(yīng)壓力波動。

(2)內(nèi)外取熱管泄漏。取熱管如果發(fā)生泄漏，催化劑遇水熱崩造成細(xì)粉含量高，進(jìn)而造成催化劑大量跑損。

(3)含水過多或緊急事故噴水降溫不僅會增加線速，而且會造成催化劑熱崩產(chǎn)生大量細(xì)粉，使催化劑跑損加劇。

(4)提升管底部預(yù)提升蒸汽環(huán)管、汽提蒸汽分布環(huán)等損壞會導(dǎo)致催化劑偏流，不能正常流化，并且損壞的噴嘴局部線速高，會擊碎催化劑顆粒，使催化劑細(xì)粉跑損量增加。

(5)噴嘴結(jié)焦導(dǎo)致線速過快，而線速度增加會導(dǎo)致催化劑磨損加重，此外噴嘴不對稱也會使催化劑在噴嘴處流化異常，使催化劑與提升管器壁的摩擦加劇。

(6)提升管底預(yù)提升蒸汽、噴嘴霧化蒸汽量過大時，蒸汽速度太高，會造成催化劑的崩碎，此外蒸汽量過大會破壞正常流化，易于形成渦流，導(dǎo)致催化劑磨損增加。

5 結(jié) 論

為從根本上解決催化劑跑損問題，針對催化劑跑損的機(jī)理和原因不同，首先應(yīng)控制催化劑的非自然跑損，及時排除裝置的設(shè)備故障，操作嚴(yán)格規(guī)范等；其次要開發(fā)高質(zhì)量、高強(qiáng)度的催化劑，減少磨損、破碎等引起的細(xì)粉增多，導(dǎo)致催化劑跑損；最后要通過優(yōu)化工藝，提高旋分器旋分效率來減少催化劑跑損。

建立的催化劑跑損問題的診斷分析方法和流程，可以廣泛應(yīng)用的于各種類型的催化裂化裝置的診斷流程，通過催化劑的粒度分布變化，有序的分析裝置操作條件、催化劑性質(zhì)、原料油性質(zhì)和設(shè)備相關(guān)問題等，可以全面、系統(tǒng)和快速的分析催化劑跑損的原因。