催化裂化裝置油漿系統(tǒng)結(jié)焦原因分析及優(yōu)化措施

摘""""" 要：介紹了催化裂化裝置油漿系統(tǒng)生焦情況及油漿泵入口過濾器堵塞的現(xiàn)象及處理措施，結(jié)合油漿系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的影響因素，對(duì)比分析了油漿系統(tǒng)結(jié)焦的原因，提出在當(dāng)前原料油劣質(zhì)化日益嚴(yán)重條件下，通過降低塔底溫度、縮短油漿停留時(shí)間、增加油漿外甩量等措施來減少結(jié)焦，保證催化裂化裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

關(guān)" 鍵" 詞：催化裂化；油漿；結(jié)焦；塔底溫度

中圖分類號(hào)：TQ420"""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""" 文章編號(hào)：1004-0935（2024）11-1773-05

催化裂化裝置是原油二次加工生產(chǎn)的重要裝置，但是受原油劣質(zhì)化等的影響，油漿系統(tǒng)結(jié)焦始終存在且愈加嚴(yán)重，是限制催化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的瓶頸之一^[1]。

某煉油廠催化裂化裝置年生產(chǎn)能力200萬t，與其配套的分餾系統(tǒng)塔底油漿經(jīng)油漿泵加壓，通過原料油-油漿換熱器、油漿蒸汽發(fā)生器后分三路，一路作為油漿上返塔返回分餾塔人字擋板上方，一路作為油漿下返塔返回塔底油漿液面下方，一路作為產(chǎn)品油漿經(jīng)冷卻后外甩出裝，且在油漿泵入口設(shè)有油漿過濾器，塔底設(shè)有攪拌蒸汽，油漿阻垢劑連續(xù)注入。自2022年起多次出現(xiàn)油漿泵入口過濾器堵塞、返塔量下降等問題，導(dǎo)致油漿泵切換頻繁平均兩周就要切換一次，嚴(yán)重影響裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

1" 結(jié)焦現(xiàn)象及處理措施

本裝置配有兩臺(tái)油漿泵一開一備，油漿系統(tǒng)結(jié)焦主要是導(dǎo)致油漿泵入口過濾器堵塞，在正常生產(chǎn)時(shí)根據(jù)油漿返塔量和控制閥閥位開度的變化，判斷油漿過濾器堵塞情況。油漿下返塔閥位開度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖1所示。

由圖1可知，在機(jī)泵切換初期閥位增長(zhǎng)相對(duì)平緩，經(jīng)過一段時(shí)間后閥位開度快速上漲，此時(shí)如不及時(shí)切泵，就會(huì)出現(xiàn)油漿返塔量下降的情況。

對(duì)于切換出的油漿泵將其倒空后，抽出入口過濾器用蒸汽吹掃清理干凈后重新安裝備用，從過濾器內(nèi)清理出的積炭如圖2所示。

由圖2可知，積炭中含有大量膠泥狀的軟焦和部分顆粒狀的硬焦，這些主要是焦炭和催化劑的結(jié)合體。由于催化裂化油漿本身多環(huán)芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等稠環(huán)芳烴含量高，受塔底溫度、油漿停留時(shí)間、流速及油漿中催化劑等的影響^[2]，此類稠環(huán)芳烴發(fā)生縮合反應(yīng)生成高分子聚合物，逐漸增多導(dǎo)致在油漿中的物系相容性變差并析出，黏附于過濾器上形成焦炭前驅(qū)體，即所謂的“軟焦”^[3]，之后與聚合物不斷相互吸附積聚生成焦炭，堵塞過濾器使油漿返塔量下降。

2" 結(jié)焦原因分析

2.1" 原料性質(zhì)

本裝置催化原料主要是渣油加氫尾油（ARDS尾油）和部分常壓渣油，為了提高經(jīng)濟(jì)效益上游渣加裝置提高了摻渣量，導(dǎo)致催化原料性質(zhì)發(fā)生變化。前后兩年原料油性質(zhì)如表1所示。

由表1可以看出，原料油密度有所下降，但由餾程分析可知2022年原料油組分明顯變重。2022年原料油初餾點(diǎn)較低，但是隨著餾出體積的不斷增加，2022年的餾出溫度超過2021年且兩者的餾出溫差逐漸增大，2021年原料油的70%餾出溫度為581.52 ℃，2022年則達(dá)到620.62 ℃，說明受摻渣量增加的影響，2022年原料油性質(zhì)明顯變重，且輕重組分分布不均含有較多輕質(zhì)烴。

此外由原料油的族組成可以看出，2022年飽和烴含量增加，芳烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)均有所降低，但由上述餾程分析可知原料油變重，說明原料油重組分平均相對(duì)分子質(zhì)量要比2021年的更重。由于重組分的裂解能力更差，隨反應(yīng)油氣進(jìn)入分餾塔后更容易發(fā)生熱縮合反應(yīng)生成高分子聚合物，是油漿系統(tǒng)積炭的主要來源^[4]。

2.2" 塔底溫度

塔底溫度的影響因素包括反應(yīng)溫度、反應(yīng)油氣溫度、油漿返塔量和返塔溫度等，前后兩年在裝置負(fù)荷等相對(duì)穩(wěn)定條件下的運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

由表2可以看出，2022年與2021年相比反應(yīng)溫度下降了1.5 ℃，但提升管出口反應(yīng)油氣的溫度漲了4.8 ℃。這是由于2022年原料油性質(zhì)變重使反應(yīng)油氣中的重組分含量增多，重組分氣化后帶有更多熱量，導(dǎo)致提升管出口反應(yīng)油氣溫度升高。而分餾塔的大部分熱量是由過熱狀態(tài)下的反應(yīng)油氣帶入分餾塔的，反應(yīng)油氣攜帶熱量增多，使分餾塔熱負(fù)荷增加^[5]。

由表2可知2022年塔底溫度升至340.6 ℃，溫度升高使油漿中的縮合反應(yīng)加劇，同時(shí)塔底更多輕組分被蒸發(fā)到塔的上部，對(duì)重組分的溶解能力下降，導(dǎo)致析出更多油漿不溶物，高分子聚合物含量增加。而油漿泵入口溫度2022年與2021年相比下降了6.5 ℃，入口溫度降低使油漿黏度增加，生成的高分子聚合物在油漿泵入口處相互碰撞結(jié)合并在過濾器上吸附積聚，導(dǎo)致油漿泵入口過濾器結(jié)焦堵塞^[6]。工藝人員為了降低塔底溫度，嘗試提高油漿返塔量如表2所示，由于油漿蒸汽發(fā)生器取熱量已達(dá)到最大，因此返塔溫度基本不變，但是油漿系統(tǒng)結(jié)焦現(xiàn)象并未好轉(zhuǎn)。

2.3" 油漿性質(zhì)

油漿的性質(zhì)分析主要包括密度、餾程、固含、殘?zhí)康?，如?所示。

由表3油漿餾程可以看出，538 ℃時(shí)兩者的餾出量都在85%左右基本一致，但是在餾出量低于85%時(shí)的任一溫度2022年均明顯低于2021年，而2022年油漿密度更高，說明在大于538 ℃的油漿組分中2022年的相對(duì)更重。這是由于催化裂化反應(yīng)可以將大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，由原料油分析可知22年原料油大分子物質(zhì)含量更多，其中易裂解的大分子烴類裂解成小分子烴后更容易餾出，而不易裂解的大分子烴類隨反應(yīng)油氣進(jìn)入分餾塔后，會(huì)發(fā)生縮合反應(yīng)生成高分子聚合物，在高溫作用下進(jìn)一步生成焦炭，由表3殘?zhí)亢吭黾右部勺C明。

油漿中含有的固體主要是焦炭和催化劑的結(jié)合體，其中催化劑會(huì)加劇稠環(huán)芳烴的聚合，且催化劑中含有的鎳、鐵等金屬雜質(zhì)會(huì)促進(jìn)塔底脫氫反應(yīng)的進(jìn)行，使稠環(huán)芳烴含量增多。但由表3可知，2022年油漿中的固含和灰分含量均有下降，且遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)6 g·L^-1，說明油漿固含對(duì)油漿系統(tǒng)結(jié)焦的影響有限，不是油漿結(jié)焦的主要原因。

3" 優(yōu)化調(diào)整及預(yù)防措施

3.1" 控制塔底溫度

塔底溫度調(diào)節(jié)的常用手段包括增加油漿下返塔量和降低返塔溫度^[7-9]，此外還可通過減少油漿上返塔量，增加分餾塔中段取熱量，來降低塔底熱負(fù)荷。UOP公司指出油漿上返塔量為裝置總進(jìn)料量的1.2倍時(shí)，即可將反應(yīng)油氣脫過熱并洗去油氣中夾帶的催化劑^[10]，本裝置在進(jìn)料為230 t·h^-1時(shí)，油漿上返塔量為276 t·h^-1即可。因此工藝調(diào)整將油漿上返塔量降低，同時(shí)油漿下返塔量按量程上限控制，調(diào)整后的運(yùn)行參數(shù)如表4所示。

由表4可以看出，調(diào)整后塔底溫度由340.6 ℃降至335.2 ℃，油漿泵的切換頻率也有所下降，證明該措施對(duì)減少油漿系統(tǒng)結(jié)焦是有效的。馬伯文^[11]等在催化裂化裝置技術(shù)問答上也指出原料油性質(zhì)變差時(shí)，為避免油漿系統(tǒng)結(jié)焦塔底溫度也應(yīng)同步降低，因此在當(dāng)前原料油性質(zhì)條件下，塔底溫度應(yīng)控制在335 ℃以下，以減少油漿系統(tǒng)生焦。

分餾塔底溫度還與反應(yīng)油氣溫度和油氣量有關(guān)。當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí)，反應(yīng)油氣溫度相應(yīng)升高，因此根據(jù)原料油性質(zhì)和油漿系統(tǒng)生焦情況，可適當(dāng)降低反應(yīng)溫度 ^[12]。還可以增加反應(yīng)器終止劑的注入量，終止劑氣化吸熱能夠降低反應(yīng)溫度使油氣溫度相應(yīng)降低^[13]。此外本裝置在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)即使維持較高反應(yīng)溫度，油漿泵仍能維持較好的運(yùn)行狀況，說明油漿生焦還與反應(yīng)生成的油氣量有關(guān)。當(dāng)處理量低時(shí)，生成的油氣量少，進(jìn)入分餾塔的熱量少，塔底溫度降低，因此當(dāng)塔底生焦頻繁時(shí)，可適當(dāng)降低處理量來減緩生焦。

3.2" 優(yōu)化原料性質(zhì)

由于催化裂化反應(yīng)本質(zhì)上是一個(gè)氫的再分配過程，汽油等輕質(zhì)油收率越高，會(huì)導(dǎo)致油漿等重質(zhì)油氫含量變少性質(zhì)變差，因此原料油性質(zhì)直接影響到油漿的性質(zhì)，原料油性質(zhì)越差越容易發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象，是導(dǎo)致本裝置油漿系統(tǒng)結(jié)焦的根本原因。優(yōu)化原料性質(zhì)可聯(lián)系上游裝置適當(dāng)減少摻渣量，降低原料油中的重組分含量^[14]，還有煉廠提出對(duì)催化原料中的重組分如膠質(zhì)、瀝青質(zhì)進(jìn)行抽提，以得到優(yōu)質(zhì)的催化原料^[15]。

3.3" 改善油漿性質(zhì)

油漿密度受原料油性質(zhì)和塔底溫度的影響，一般來講油漿密度越高，含有的稠環(huán)芳烴越多，油漿系統(tǒng)結(jié)焦傾向增大。本裝置為了降低油漿密度，控制油漿外甩量不低于處理量的6%，并根據(jù)密度變化適度調(diào)整外甩量。此外還應(yīng)避免回?zé)捰偷某槌鰷囟冗^高，同時(shí)提高中段回流量，保證塔底油漿中的輕組分含量。

油漿中含有的固體主要是上返塔油漿從反應(yīng)油氣中洗滌下來的催化劑與稠環(huán)芳烴等結(jié)合生成的顆粒物，催化劑含量升高會(huì)加劇焦炭的生成。而油漿中催化劑粉塵的多少主要受反應(yīng)器操作的影響，如兩器流化不暢、原料油帶水、旋風(fēng)分離器故障等均會(huì)使催化劑跑損進(jìn)入分餾塔，導(dǎo)致油漿固含升高^[16]。因此為避免油漿固含過高，應(yīng)盡量保證反應(yīng)器壓力平穩(wěn)，加強(qiáng)對(duì)油漿固含的跟蹤分析，及時(shí)調(diào)整油漿外甩量。

3.4" 減少停留時(shí)間

油漿停留時(shí)間指油漿在分餾塔底的停留時(shí)間，停留時(shí)間長(zhǎng)會(huì)增加油漿在塔底結(jié)焦的機(jī)會(huì)。增加油漿返塔量和外甩量會(huì)使油漿循環(huán)量增加，停留時(shí)間變短，但受設(shè)備性能等的影響本裝置油漿循環(huán)量調(diào)整幅度有限。因此根據(jù)以往計(jì)量數(shù)據(jù)假定油漿循環(huán)量為650 t·h^-1，分析了在分餾塔不同液位時(shí)的油漿停留時(shí)間如表5所示。

由表5可以看出，隨著液位的降低，油漿的停留時(shí)間逐漸減少^[17]。為了縮短油漿停留時(shí)間減少結(jié)焦，工藝調(diào)整將分餾塔底液位由之前的50%降至40%，油漿的停留時(shí)間降至6 min以內(nèi)。

3.5" 合理使用塔底攪拌介質(zhì)

油漿在分餾塔的停留時(shí)間只是一個(gè)平均時(shí)間，在塔底抽出口附近還存在有緩流區(qū)和死區(qū)，催化劑粉塵和稠環(huán)芳烴等在此區(qū)域停留時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)縮合生成大量高分子聚合物。為了避免此類情況的發(fā)生，本裝置在塔底設(shè)有攪拌蒸汽，另從油漿下返塔引一路油漿作為塔底攪拌油漿，攪動(dòng)油漿抽出口附近的死區(qū)，從而減少稠環(huán)芳烴在緩流區(qū)富集。

3.6" 控制油漿流速

油漿在低流速部位會(huì)增加稠環(huán)芳烴聚合的機(jī)會(huì)，尤其是在換熱器等低溫區(qū)域油漿溫度變低黏度增大，更容易結(jié)焦。徐學(xué)明^[18]等在油漿換熱器入口注入沖洗油，當(dāng)油漿在換熱器內(nèi)的流通阻力增大時(shí)，注入的低溫沖洗油遇到高溫油漿后迅速氣化增加了油漿的瞬時(shí)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)油漿低流速區(qū)域的沖洗。本裝置配備有三臺(tái)油漿蒸汽發(fā)生器，為了提高油漿在換熱器中的流速，避免油漿在換熱器內(nèi)結(jié)焦，在裝置正常運(yùn)行時(shí)僅投用兩臺(tái)換熱器，且維持換熱器副線開度不超過1%。經(jīng)過計(jì)算本裝置油漿流速維持在1.3 ～ 1.4 m·s^-1，在正常范圍內(nèi)，且根據(jù)油漿蒸汽的發(fā)生量也說明油漿換熱器運(yùn)行狀況良好。

3.7" 注入阻垢劑

油漿系統(tǒng)含有大量稠環(huán)芳烴，很多情況下僅靠工藝調(diào)整對(duì)油漿系統(tǒng)結(jié)焦?fàn)顩r的改善是有限的。阻垢劑能阻止油漿中的催化劑粉塵、顆粒物等的聚集，避免大顆粒物的生成，減緩油漿系統(tǒng)結(jié)焦^[19]，多套裝置已經(jīng)證明油漿阻垢劑的注入是有效且很有必要的^[20]。油漿阻垢劑在使用時(shí)要考慮到注入量、注入頻率、加注方式、阻垢劑的類型等因素，本裝置在開工循環(huán)時(shí)連續(xù)注入油漿阻垢劑，避免初期焦炭的生成。

4" 結(jié) 論

本裝置油漿系統(tǒng)結(jié)焦的主要原因是原料油性質(zhì)變重、油漿密度增加、塔底溫度升高導(dǎo)致油漿結(jié)焦傾向增加，形成的焦炭顆粒物堵塞油漿泵入口過濾器，影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。通過控制油漿下返塔量在量程上限、上返塔量為總進(jìn)料量的1.2倍，塔底溫度不超過335 ℃，塔底液位控制在40%，控制油漿外甩量不低于處理量的6%等措施，使油漿結(jié)焦趨勢(shì)減弱，油漿泵切換頻率降低。未來原料油性質(zhì)勢(shì)必會(huì)越來越差，針對(duì)油漿系統(tǒng)結(jié)焦提出優(yōu)化原料油性質(zhì)、提高油漿流速、合理使用塔底攪拌介質(zhì)、注入油漿阻垢劑等方式來減少生焦，增加催化裂化裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。

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Cause Analysis and Optimization Measures of Coking in

Slurry System of Catalytic Cracking Unit

HOU Zhilong

（Sinopec Yangzi Petrochemical Co.， Ltd.， Nanjing Jiangsu 210044， China）

Abstract： The coking situation of slurry oil system in FCC unit， the phenomenon of filter blockage at the inlet of slurry oil pump and its treatment measures were introduced. Combined with the influencing factors of slurry oil system in the production process， the causes of coking in slurry oil system were compared and analyzed. It was proposed that measures such as lowering the bottom temperature， shortening the residence time of slurry oil and increasing the amount of slurry oil thrown out should be taken to reduce coking and ensure the long-term operation of FCC unit.

Key words： Catalytic cracking; Oil slurry; Coking; Tower bottom temperature