渣油加氫裝置上流式反應(yīng)器床層熱點(diǎn)分析

毛糧兵，李建雷，黎臣麟，劉園元，涂銀堂

（中國石油四川石化公司，四川 彭州 611900）

某公司300×104t/a渣油加氫脫硫裝置（以下簡(jiǎn)稱裝置）采用CLG公司的UFR/VRDS工藝技術(shù)設(shè)計(jì)建造，分為平行的2個(gè)反應(yīng)系列，每系列5臺(tái)反應(yīng)器。第1臺(tái)反應(yīng)器為上流式反應(yīng)器（UFR），分為上下2個(gè)床層，后部4臺(tái)反應(yīng)器為常規(guī)固定床反應(yīng)器，均為單個(gè)床層。

UFR中物料是連續(xù)相的自下而上流動(dòng)，原料油和氫氣的自下而上的流動(dòng)方式使反應(yīng)器內(nèi)催化劑處于微膨脹狀態(tài)［1］，其作用是避免金屬、雜質(zhì)、固體顆粒等的沉積造成催化劑床層堵塞，提高裝置對(duì)渣油原料的適應(yīng)性，有利于延長(zhǎng)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)周期［2］。但UFR內(nèi)催化劑床層的不均勻膨脹，會(huì)造成物料在床層的分配不均勻，物料偏流，形成催化劑局部熱點(diǎn)溫度，引起催化劑結(jié)焦，抑制催化劑活性效能發(fā)揮，不利于催化劑的長(zhǎng)周期運(yùn)行［3］。

文中就裝置I系列UFR出現(xiàn)床層熱點(diǎn)進(jìn)行分析并提出應(yīng)對(duì)措施，為同類裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行實(shí)踐提供參考。

1 問題描述

300×104t/a渣油加氫脫硫裝置原料主要是減壓渣油和減壓重蠟油，加氫精制后的渣油作為下游催化裂化裝置原料。I系列第5周期運(yùn)行至442 d后UFR催化劑2床層徑向溫差的變化見圖1。

圖1 I系列第5周期UFR催化劑2床層徑向溫差

裝置I系列第5周期實(shí)際運(yùn)行547 d，運(yùn)行至第453 d（2021-07-07）時(shí)UFR反應(yīng)器2床層上部溫度TI1288開始呈上漲趨勢(shì)，之后逐漸上漲；運(yùn)行至第465 d（07-19）時(shí)徑向床層溫度達(dá)24.1℃，熱點(diǎn)溫度TI1288在1 h內(nèi)由391℃上漲到401℃。I系列運(yùn)行狀態(tài)如下：處理量187 t/h，摻渣比89.3%，催化柴油15 t/h，5 t/h機(jī)泵沖洗柴油循環(huán)。反應(yīng)爐出口F1001-1約377℃，UFR1床層BAT377.5℃，溫升4.5℃，2床層BAT382.5℃，溫升9.1℃。

經(jīng)過降低摻渣比、催化柴油量等多方面調(diào)整，TI1288熱點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定，在控制TI1288溫度不超402℃、徑向溫差不超30℃狀況下運(yùn)行70 d。為保證催化劑活性最大限度發(fā)揮，催化劑運(yùn)行末期，對(duì)Ⅰ系列催化劑熱點(diǎn)TI1288溫度進(jìn)行釋放，徑向溫差很快超過30℃。

2 熱點(diǎn)影響因素分析

裝置上流式反應(yīng)器R1001-1分上下2個(gè)催化劑床層，上部2床層采用急冷氫控制床層溫升，原料油和混氫混合加熱后從R1001-1底部進(jìn)料自下而上流動(dòng)。發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)溫度后，經(jīng)過分析，確定可能的影響因素為原料油性質(zhì)、摻渣比、冷氫量（2床入口溫度）、催化柴油量等，并對(duì)其進(jìn)行分析和調(diào)整。

2.1 摻渣比和冷氫量

2.1.1 降低摻渣比實(shí)驗(yàn)8月1～6日期間I系列各加工原料的處理量變化情況見圖2。

圖2 I系列各加工原料量的變化情況

調(diào)整期間裝置處理量保持在187 t/h，特別說明，裝置任何工況都有5 t/h機(jī)泵沖洗柴油循環(huán)。

08：00（8月1日）開始進(jìn)行調(diào)整摻渣比，降低罐區(qū)來渣油量，同步補(bǔ)充減壓蠟油，保持催化柴油的加工量不變，至17：00渣油摻煉比例從89.3%降至80.2%；同時(shí)將2床入口溫度TC1284B從380.5℃降低至378.5℃，爐出口溫度保持不變。調(diào)整I系列摻雜比和2床入口溫度前后熱點(diǎn)TI1288和其徑向?qū)Ρ葴囟萒I1289的變化情況見圖3。

從圖3可以看出：（1）降低摻渣比后，TI1288溫度降低較多，從最高399.2℃降至394.5℃，降低了4.7℃；（2）通過增大冷氫量降低2床入口溫度TC1284B，TC1284B降低2℃，與熱點(diǎn)TI1288同徑向溫度TI1289同步降低2.5℃。由此可知，與徑向其它溫度點(diǎn)相比，同時(shí)降低摻渣比和2床層入口溫度對(duì)熱點(diǎn)TI1288的影響較大。

圖3 調(diào)整摻渣比后熱點(diǎn)TI1288變化情況

2.1.2 冷氫實(shí)驗(yàn)為進(jìn)一步確認(rèn)2床冷氫量對(duì)熱點(diǎn)TI1288及2床層BAT的影響，在維持摻渣比80.2%、減壓蠟油17 t/h、催化柴油15 t/h的情況下，穩(wěn)定爐出口溫度，2床層冷氫控制閥逐步關(guān)小至冷氫為0，驗(yàn)證冷氫對(duì)熱點(diǎn)TI1288的影響。09：00（08.02）開始把TC1284B由378.5℃逐步升高至380.5℃，12：00開始逐步關(guān)閉TC1284B。冷氫實(shí)驗(yàn)中關(guān)閉冷氫閥TC1284B后熱點(diǎn)TI1288的變化情況見圖4。

圖4 冷氫對(duì)熱點(diǎn)TI1288的影響

從圖4可以看出：（1）冷氫逐步關(guān)小恢復(fù)至調(diào)整摻渣比前的380.5℃，TI1288溫度由394.5℃升高至396.5℃，比調(diào)整摻渣比前熱點(diǎn)399.2℃低2.7℃。由此可得，摻渣比降低對(duì)熱點(diǎn)溫度的降低是有利的，摻渣比越高對(duì)熱點(diǎn)溫度越不利；（2）冷氫閥全關(guān)閉后，2床氫氣減少約4 000 m3/h，熱點(diǎn)TI1288最高漲至400.8℃，上漲6.3℃；同徑向溫度TI1289最高漲至387.7℃，上漲3.7℃。由此可知，冷氫對(duì)床層BAT有較大影響，尤其對(duì)熱點(diǎn)TI1288影響更大。

由于反應(yīng)物流在微膨脹的催化劑床層的分散程度與加工油的黏度、表面張力等因素有關(guān)［4］，降低原料的摻渣比，實(shí)際上降低了加工油的黏度，同時(shí)氫油比對(duì)液相物流的分散度也有很大影響，氫油比高，物流的分散度比較好；降低加工原料的摻渣比，提高反應(yīng)的氫油比對(duì)控制床層熱點(diǎn)有利。

2.2 反應(yīng)溫度

8月5日，凌晨大暴雨導(dǎo)致爐出口溫度大幅度波動(dòng)，加熱爐出口溫度從377.5℃短時(shí)間降至372℃，通過調(diào)整后，2 h后恢復(fù)至377.5℃。反應(yīng)爐出口溫度大幅波動(dòng)和調(diào)整催化柴油加工前后的熱點(diǎn)變化情況見圖5。

圖5 反應(yīng)爐出口溫度大幅波動(dòng)和調(diào)整催化柴油加工前后的熱點(diǎn)變化情況

從圖5可以看出：（1）熱點(diǎn)TI1288溫度、同徑向TI1289溫度、2床入口溫度TC1284B都同步逐漸升高，熱點(diǎn)TI1288漲幅最大；（2）8月5日13：00催化柴油提高至20 t/h后，TI1288在約20：00達(dá)到最高值401℃，上漲4.9℃。

0：00（08.06）開始降低催化柴油至12 t/h，各點(diǎn)溫度逐漸下降，熱點(diǎn)TI1288恢復(fù)至396.5℃。催化柴油量增加提高了2床入口溫度、2床BAT、TI1288溫度，不利于熱點(diǎn)溫度的控制。催化柴油摻煉量越大，對(duì)熱點(diǎn)的影響越大。

8月5日00：30爐出口溫度大幅降低后，UFR床層各點(diǎn)溫度都下降明顯，熱點(diǎn)TI1288也出現(xiàn)5.6℃的降幅，說明當(dāng)前階段反應(yīng)溫度對(duì)熱點(diǎn)影響是極大的，床層溫度過高不利于熱點(diǎn)溫度的控制。

2.3 催化柴油摻煉量

進(jìn)行摻煉催化柴油量的調(diào)整。維持摻渣比80.2%，穩(wěn)定爐出口溫度377℃，穩(wěn)定冷氫閥TC1284B開度不變。08：00（08.05）催化柴油摻煉量從10 t/h逐步提高到20 t/h，同步降低減壓蠟油摻煉量（變化情況見圖2）。

3 熱點(diǎn)危害分析

加工油原料性質(zhì)、催化劑裝填質(zhì)量、反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量、運(yùn)行操作條件、反應(yīng)器入口分配器等多種因素都會(huì)造成UFR床層熱點(diǎn)的形成［5，6］，對(duì)裝置生產(chǎn)運(yùn)行有4方面影響。

3.1 床層飛溫

導(dǎo)致UFR 2床層下部溫度過高，在提溫過程中，床層BAT提高1℃，TI1288上漲超5℃。該點(diǎn)溫度上漲速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他部位溫度的漲速，如果提溫過高，TI1288溫度無法控制，甚至造成“飛溫”，危害裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。

催化劑運(yùn)行末期，2床層徑向溫差超30℃，TI1288一度快速達(dá)到407℃，過高的溫度形成惡性循環(huán)，會(huì)造成催化劑結(jié)焦粘結(jié)，影響催化劑的膨脹，導(dǎo)致物流分配不均勻。

3.2 影響操作平穩(wěn)

TI1288溫度的不可控嚴(yán)重影響操作的平穩(wěn)性。在催化劑末期運(yùn)行中，TI1288溫度多次快速上漲超過405℃，給安全生產(chǎn)帶來隱患；為穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行，控制TI1288，反復(fù)調(diào)整加工方案，反應(yīng)爐出口溫度頻繁升降，同時(shí)2床層入口溫度無法自動(dòng)控制，需要手動(dòng)頻繁調(diào)整。

3.3 限制反應(yīng)器提溫

裝置運(yùn)行至第452 d，UFR床層各點(diǎn)溫度隨運(yùn)行天數(shù)穩(wěn)定同步。熱點(diǎn)溫度形成前，UFR床層BAT在397.8℃，熱點(diǎn)TI1288形成后，為控制熱點(diǎn)溫度防止其上漲過快產(chǎn)生“飛溫”，需要降低UFR入口溫度和2床層入口溫度，從而限制了床層的提溫，運(yùn)行末期TI1288上漲超過400℃，UFR床層BAT反而將至371℃。

催化劑運(yùn)行末期，熱點(diǎn)TI1288不斷上漲，各床層溫度降低8℃左右，UFR和第1固定床反應(yīng)器的入口溫度無法提溫，末期溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)值，無法最大效能發(fā)揮催化劑活性效能，降低催化劑的利用率，不利于催化劑長(zhǎng)周期運(yùn)行。

3.4 影響產(chǎn)品質(zhì)量

催化劑末期運(yùn)行中，催化劑活性下降，需要提高床層溫度來抵消催化劑失活的影響。由于TI1288熱點(diǎn)溫度的形成限制UFR和第1固定床反應(yīng)器的提溫，產(chǎn)品精制渣油的質(zhì)量惡化。形成熱點(diǎn)溫度前后產(chǎn)品質(zhì)量情況見表1。

表1 形成熱點(diǎn)溫度前后產(chǎn)品質(zhì)量情況

從表1可以看出，TI1288熱點(diǎn)溫度形成后，通過改變加工方案，原料油性質(zhì)明顯改善，但催化劑對(duì)金屬Ni+V，F(xiàn)e和殘?zhí)恐档拿摮史謩e下降了3.69%，6.01%，10.58%。

4 降低床層徑向溫差的應(yīng)對(duì)措施

確定了對(duì)熱點(diǎn)TI1288的影響因素后，從控制摻渣比、催化柴油加工量和反應(yīng)溫度3方面提出具體應(yīng)對(duì)措施來降低UFR 2床層的徑向溫差。

（1）為保證裝置I系列正常運(yùn)行，首先控制熱點(diǎn)溫度TI1288≯400℃，爐出口溫度控制在375℃以下；加工方案總體原則是摻渣比≯80%，穩(wěn)定輕重循環(huán)油的加工量。

（2）裝置I系列反應(yīng)器整體CAT溫度的提高通過提高后3個(gè)固定床反應(yīng)器的BAT溫度來實(shí)現(xiàn)。因原料性質(zhì)波動(dòng)而導(dǎo)致熱點(diǎn)溫度TI1288上升，可減少或者停止催化柴油的摻入。

（3）熱點(diǎn)溫度偏高或持續(xù)升高，可適當(dāng)降低爐出口溫度；同時(shí)也可通過上流式反應(yīng)器冷氫來降低熱點(diǎn)溫度。

5 結(jié)束語

（1）通過分析，確定了對(duì)UFR床層熱點(diǎn)TI1288影響較大的主要是摻渣比、反應(yīng)溫度和催化柴油量，高摻渣比、高反應(yīng)溫度、大催化柴油量都會(huì)導(dǎo)致熱點(diǎn)TI1288快速升高。

（2）摻渣比和催化柴油加工量的變化，本質(zhì)是原料性質(zhì)的變化。因此，嚴(yán)格監(jiān)控原料油的性質(zhì)對(duì)穩(wěn)定熱點(diǎn)溫度有重要作用。

（3）為保證裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行，使運(yùn)行周期達(dá)到換劑計(jì)劃，熱點(diǎn)出現(xiàn)后的運(yùn)行過程中要控制好摻渣比、反應(yīng)溫度和催化柴油量3個(gè)參數(shù)；同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)后3個(gè)固定床反應(yīng)器溫度來補(bǔ)償上流式反應(yīng)器相對(duì)低溫度控制方式的影響。但由于UFR出口溫度不高，限制后面固定床溫度的提高，需注意為提高固定床溫度導(dǎo)致固定床氫油比不足引發(fā)反應(yīng)物在催化劑上的偏流、結(jié)焦、熱點(diǎn)形成等風(fēng)險(xiǎn)。

（4）加強(qiáng)對(duì)UFR 2床層徑向溫差的監(jiān)控，通過對(duì)熱點(diǎn)溫度控制參數(shù)的總結(jié)，不斷優(yōu)化對(duì)徑向溫差有利的操作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多種加工方案的精準(zhǔn)控制，從而降低反應(yīng)器床層的徑向溫差，充分發(fā)揮催化劑活性效能，達(dá)到提高催化劑的利用率，延長(zhǎng)裝置的運(yùn)行周期的目的。