催化裂化裝置完全再生改造的工業(yè)實(shí)踐

王峰 戰(zhàn)友亮 鄧魯寧 王佳寧 趙娜

（1.中國(guó)石油大港石化公司第三聯(lián)合車間；2.中國(guó)石油大港油田公司井下作業(yè)公司；3.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司；4.中國(guó)石油北京項(xiàng)目管理公司天津設(shè)計(jì)院）

催化裂化是煉油工業(yè)中最重要的一種二次加工工藝，是重油輕質(zhì)化和改質(zhì)的重要手段之一。該工藝可提高優(yōu)質(zhì)的汽油和低碳烯烴的產(chǎn)出率，在減油增化中起著舉足輕重的作用。催化裂化按照再生工藝特點(diǎn)分為完全再生和不完全再生兩種工藝。其中，完全再生工藝可提升催化劑活性， 降低催化劑單耗[1]。同時(shí)由于環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，揮發(fā)性有機(jī)物在完全再生工藝中充分燃燒，增加煙氣脫硝措施后，可大幅降低再生煙氣中污染物，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放[2]。

中國(guó)石油大港石化公司140×104t/a 催化裂化裝置由中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司（原中國(guó)石化集團(tuán)北京設(shè)計(jì)院）設(shè)計(jì)，1996 年10 月建成投產(chǎn)，采用反應(yīng)再生高低并列、兩段再生工藝，后部設(shè)高溫取熱爐。主要加工大港原油的減壓蠟油、常壓渣油和焦化蠟油，裝置投產(chǎn)至今已進(jìn)行過(guò)多次技術(shù)改造，目前加工規(guī)模為140×104t/a。

140×104t/a 催化裂化裝置反應(yīng)系統(tǒng)在2000 年進(jìn)行了改造，沉降器提升管出口快分采用UOP 公司“VSS+單級(jí)旋分”型式。2017 年，對(duì)裝置進(jìn)行了高溫取熱爐安全隱患治理，增加了前置爐，高爐取熱能力提升，爆管風(fēng)險(xiǎn)解除。改造后，煙氣中CO 含量雖大幅降低，但混合煙氣中仍有近2%（體積分?jǐn)?shù)，下同）的CO 未能燃燒，有著進(jìn)一步降低的空間。實(shí)現(xiàn)CO 的完全燃燒，需要解決的主要問題是提高系統(tǒng)過(guò)剩氧，增加裝置主風(fēng)量，要全面考慮裝置尤其是第二再生器的負(fù)荷。為此，委托中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司進(jìn)行可行性研究，結(jié)合其他同類型裝置改造經(jīng)驗(yàn)，確定了通過(guò)第二再生器擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)完全再生的技術(shù)改造方案。2021 年4 月裝置大修期間，實(shí)施了第二再生器擴(kuò)容改造。主要目的是將第二再生器的主風(fēng)流量由原來(lái)30 000 Nm3/h 提高到41 000 Nm3/h，氧含量控制在2%~4%， CO 實(shí)現(xiàn)完全燃燒，最終由不完全再生裝置改造成為完全再生裝置。根據(jù)計(jì)劃，同時(shí)對(duì)裝置進(jìn)行了MIP-CGP 技術(shù)改造[3]。

1 改造前試驗(yàn)

為確保改造成功，在裝置停工前進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)的主要目的有三個(gè)：

第一是現(xiàn)有條件下是否能實(shí)現(xiàn)完全再生，通過(guò)化驗(yàn)分析外排煙氣組分的變化情況，檢查能否燒凈催化煙氣中的CO。

第二是使設(shè)計(jì)工況符合第二再生器操作條件。

第三是考察在設(shè)計(jì)燒焦用風(fēng)總量下，軸流風(fēng)機(jī)、增壓機(jī)的運(yùn)行情況，其負(fù)荷及相關(guān)參數(shù)能否滿足后續(xù)的改造要求。

整個(gè)第二再生器改造試驗(yàn)方案的原則是保證在試驗(yàn)過(guò)程中裝置波動(dòng)最小，不影響正常生產(chǎn)。

試驗(yàn)過(guò)程為：通過(guò)提高第二再生器風(fēng)量，降低第一再生器風(fēng)量，同時(shí)在高溫取熱爐入口補(bǔ)充一部分主風(fēng)量，燒凈混合煙氣中的CO。在試驗(yàn)過(guò)程中，適度降低裝置加工量，保證第二再生器二級(jí)旋風(fēng)分離器線速不超過(guò)26 m/s，第三級(jí)旋風(fēng)分離器線速不超過(guò)32 m/s，高溫取熱爐入口溫度不超過(guò)1 050 ℃，同時(shí)兼顧軸流風(fēng)機(jī)、增壓機(jī)的工況。試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)控制在8 h 之內(nèi)，試驗(yàn)期間進(jìn)行了相關(guān)數(shù)據(jù)采集和采樣化驗(yàn)分析。試驗(yàn)工況主要參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)工況主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of test conditions

通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)，調(diào)整優(yōu)化各相關(guān)參數(shù)，當(dāng)混合煙氣中的過(guò)剩氧含量提高到1.4%時(shí)，CO 含量為0，初步實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目的。通過(guò)降低第一再生器的風(fēng)量，調(diào)整高溫取熱爐補(bǔ)燃風(fēng)量，合理配比風(fēng)量，可提高第二再生器風(fēng)量至41 000 Nm3/h，軸流風(fēng)機(jī)的工況能夠滿足要求，增壓機(jī)在風(fēng)量38 000 Nm3/h、壓力0.42 MPa 工況下運(yùn)行平穩(wěn)，增壓機(jī)電動(dòng)機(jī)電流仍小于額定電流（91.4 A）。在改造設(shè)計(jì)工況下，關(guān)鍵操作指標(biāo)密相、稀相、旋風(fēng)分離器線速等在高質(zhì)量運(yùn)行范圍之內(nèi)，催化劑循化流化、兩器壓力平衡正常。同時(shí)高溫取熱爐入口溫度實(shí)現(xiàn)1 000 ℃左右靈敏控制，調(diào)節(jié)更為平穩(wěn)。即第二再生器進(jìn)行擴(kuò)容改造后，可以實(shí)現(xiàn)混合煙氣的完全燃燒，回收CO全部化學(xué)能，最終達(dá)到降低整個(gè)催化裂化裝置能耗的目的[4]。

2 擴(kuò)容改造

2.1 改造內(nèi)容

針對(duì)目前140×104t/a 催化裂化裝置運(yùn)行中外排煙氣CO 不能完全燃燒的問題，2021 年4 月，在裝置大修期間進(jìn)行了技術(shù)改造，主要改造內(nèi)容如下：

1）第二再生器（C-2103）整體更換；第二再生器裙座直徑?4 480 mm 不變（利用原基礎(chǔ)框架），將原設(shè)計(jì)的?6 400 mm/?4 480 mm×10 254 mm（T/T） 更換為?6 640 mm/?5 800 mm/?4 480 mm ×24 000 mm（T/T）；裙座直徑由?4 480 mm 經(jīng)過(guò)渡段增加至?5 800 mm ， 稀相直徑由?6 400 mm改為?6 640 mm ，稀相沉降高度增加。由于擴(kuò)徑和增加高度，第二再生器重量增加，為減輕第二再生器重量，降低原基礎(chǔ)承重。將現(xiàn)有第二再生器3 組兩級(jí)外旋改為3 組兩級(jí)BY 型內(nèi)旋，設(shè)置內(nèi)集氣室；在更換第二再生器的同時(shí)，取消了第二再生器的溢流斗，還將再生劑冷卻器拆除，改造為再生劑脫氣罐。

2）第一再生器、第二再生器煙氣混合燃燒煙道因第二再生器整體更換，更換第二再生器出口煙道（?1 240 mm /?1 000 mm），更換原曲管壓力平衡膨脹節(jié)。

3） 第二再生器上連接的管道及儀表一次閥、設(shè)備平臺(tái)需要重新規(guī)劃設(shè)計(jì)。原再生器冷卻器抬高，相關(guān)平臺(tái)需要調(diào)整，管道及儀表一次閥要重新鋪設(shè)。

4）儀表控制回路及指示回路不變，設(shè)備及相關(guān)工藝管線上現(xiàn)場(chǎng)儀表利舊，設(shè)備上溫度元件（熱電偶等）更換，增加及更換現(xiàn)場(chǎng)儀表安裝材料。

5）利用原反應(yīng)再生構(gòu)架，并對(duì)第二再生器構(gòu)架進(jìn)行局部改造。

6） 第二再生器改造后，由于燒焦強(qiáng)度提高，外排煙氣中NOx 濃度約為400 mg/Nm3，不能滿足目前小于或等于100 mg/Nm3的國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)要求，因此要配合新增煙氣脫硝設(shè)施[5]，煙氣脫硝適合采用選擇性催化還原法（SCR）[6]。

2.2 改造過(guò)程

再生器分段施工。為了加快施工進(jìn)度，保證施工任務(wù)按時(shí)完成，裝置停產(chǎn)前完成新第二再生器分段預(yù)制工作，達(dá)到吊裝條件[7]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)吊裝環(huán)境及吊車吊裝作業(yè)能力，新第二再生器分兩段預(yù)制組對(duì)吊裝。第二再生器上段吊裝前應(yīng)將封頭、3 組旋風(fēng)分離器、筒節(jié)組對(duì)焊接完成，襯里（下端口預(yù)留1 000 mm）、平臺(tái)及勞動(dòng)保護(hù)設(shè)施安裝完成；第二再生器下段吊裝前應(yīng)將主風(fēng)分布環(huán)、分配器、筒節(jié)組對(duì)焊接完成，襯里（上端口預(yù)留1 400 mm）、平臺(tái)及勞動(dòng)保護(hù)設(shè)施安裝完成，料腿、翼閥放置筒體內(nèi)部固定好[8]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝方案，把第二再生器殼體分三大段預(yù)制，第二再生器三段安裝示意圖見圖1，第二再生器分段情況見表2。

圖1 第二再生器三段安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of the third section of the second regenerator

表2 第二再生器分段情況Tab.2 Sectioning of the second regenerator

3 改造效果

3.1 再生器運(yùn)行情況

改造后，進(jìn)行了旋分線速計(jì)算與空白標(biāo)定對(duì)比分析，再生器各級(jí)旋分線速對(duì)比見表3。可以看出，改造后各級(jí)旋分線速均有下降。主要原因是第二再生器擴(kuò)容改造后，提高了第二再生器燒焦比例，第一再生器風(fēng)量降低、第二再生器主風(fēng)流量增加，導(dǎo)致第一再生器旋分線速降低；第二再生器雖然風(fēng)量增加，但第二再生器加高加大，旋分重新設(shè)計(jì)更換，旋分線速?zèng)]有增加且有所降低。由于各級(jí)旋分線速均有下降，說(shuō)明改造后裝置操作彈性增大，可靠性提高，有利于裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行[9]。

表3 再生器各級(jí)旋分線速對(duì)比Tab.3 Comparison of spinning line speed of regenerator at each stagem/s

3.2 改造后煙氣中CO 含量分析

改造前后第一再生器煙氣、第二再生器煙氣及混合煙氣對(duì)比見表4。改造后第一再生器煙氣CO 含量下降1.63%，第二再生器氧含量增加2.52%，混合煙氣中CO 含量為0。在富氧條件下，CH4及非CH4總烴充分燃燒，外排煙氣中VOCs 接近0，體現(xiàn)了完全再生在外排煙氣達(dá)標(biāo)方面的優(yōu)勢(shì)。但是完全再生過(guò)程中，生成的NOx 增加，配合第二再生器擴(kuò)容改造，在過(guò)熱器中增加了脫硝段，標(biāo)定時(shí)脫硝效果良好，外排煙氣中NOx控制在80 mg/Nm3的減排指標(biāo)以下[10-11]。

表4 改造前后第一再生器煙氣、第二再生器煙氣及混合煙氣對(duì)比Tab.4 Comparison of the first regenerator flue gas，the second regenerator flue gas and mix flue gas before and after reconstruction

3.3 裝置運(yùn)行情況

第二再生器改造后，由于再生溫度、反應(yīng)溫度、再生煙氣溫度平穩(wěn)，高溫取熱爐入口溫度可穩(wěn)定控制在1 000 ℃以內(nèi)，高溫取熱爐的爐管風(fēng)險(xiǎn)降低，安全性大幅提高。再生劑冷卻器取消改為脫氣罐，提高了油氣與再生劑催化劑混合溫度，改善了產(chǎn)品分布，提高了液化氣收率。改造前第二再生器密相床層徑向溫差最大約10 ℃，由于第二再生器擴(kuò)容改造時(shí)對(duì)密相床層增加了分布格柵，使床層流化更加均勻穩(wěn)定，第二再生器密相床層徑向溫差小于1 ℃，流化質(zhì)量進(jìn)一步提高。隨著第二再生器擴(kuò)容改造后，第二再生器燒焦比例由22.9%增加至25.5%，裝置已從不完全再生工藝轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆偕に嘯12-16]。

3.4 裝置綜合能耗

140×104t/a 催化裂化裝置第二再生器擴(kuò)容改造后，煙氣實(shí)現(xiàn)了完全燃燒，CO 化學(xué)能充分回收。通過(guò)標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)比，改造后裝置總能耗降低7.86 kJ/kg，但是由于耗風(fēng)量增加，煙氣總量增加，三旋雙動(dòng)的開度增加；同時(shí)過(guò)熱器增加脫硝段，煙機(jī)出口背壓增加約3.34 kPa，均使得煙機(jī)做功減少，軸流風(fēng)機(jī)耗電增加，裝置電耗增加6.23 kJ/kg。

4 結(jié)論

1）140×104t/a 催化裂化裝置第二再生器的擴(kuò)容改造效果明顯，第二再生器燒焦比例提高，外排煙氣中CO 含量和VOCs 降為0，煙氣實(shí)現(xiàn)了完全燃燒，熱量可充分回收，裝置能耗降低。

2）第二再生器擴(kuò)容改造后，催化劑床層流化均勻穩(wěn)定，密相床徑向溫差減小，流化質(zhì)量明顯提升；高溫取熱爐入口溫度操作平穩(wěn)，安全性提高。

3） 此次改造的成功，保留了兩段再生工藝，具有降低催化劑水熱失活的優(yōu)點(diǎn)，還為不完全再生裝置改造成完全再生裝置提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)。