FCC裝置結(jié)焦問題及措施

1、FCC裝置結(jié)焦問題及措施李文杰 吳雷 楊啟業(yè)（中國石化工程建設(shè)公司，北京市，100011）摘要：FCC裝置結(jié)焦問題由來已久，是造成裝置非計(jì)劃停工的主要原因之一。針對(duì)不同部位的結(jié)焦原因，采取系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，輔以適當(dāng)?shù)牟僮鳎M量減少結(jié)焦程度，可以延長操作周期，提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益主題詞：結(jié)焦 催化裂化裝置 非計(jì)劃停工 設(shè)計(jì)1 前言目前，我國FCC裝置已達(dá)一百余套，其中中國石化系統(tǒng)五十余套，加工量四千多萬噸，是我國原油深度加工最重要的手段，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益1。當(dāng)前，長周期安全運(yùn)行，降低成本，提高競(jìng)爭(zhēng)能力，成為各煉廠的主要工作目標(biāo)。但由于反應(yīng)分餾系統(tǒng)結(jié)焦造成的非計(jì)劃停工仍然時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了生

2、產(chǎn)任務(wù)和經(jīng)濟(jì)效益。FCC裝置結(jié)焦主要發(fā)生在以下部位：提升管在噴嘴旁邊或噴嘴對(duì)面，都有可能結(jié)焦，造成提升管壓降增加，影響劑油比的靈活調(diào)節(jié)，無法調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，甚至造成反應(yīng)溫度下降，并造成結(jié)焦進(jìn)一步增加。沉降器及旋分器系統(tǒng)沉降器器壁與拱頂，以及汽提段都有可能產(chǎn)生大塊致密堅(jiān)硬的焦塊，焦塊有時(shí)可以通過待生斜管進(jìn)入再生器燒掉，但有時(shí)也會(huì)在毫無預(yù)兆的情況下，堵塞待生斜管格柵，造成流通面積減小，使得裝置循環(huán)量降低。或可能卡住待生滑閥，沉降器料位無法調(diào)節(jié)，在極端情況下，再生煙氣甚至有可能反竄到沉降器，引發(fā)爆炸等嚴(yán)重后果。旋分內(nèi)部升氣管背面結(jié)焦，脫落時(shí)堵塞料腿，卡住翼閥，都會(huì)造成旋分效率下降甚至失去作用，造成催化

3、劑劑耗上升，在分餾系統(tǒng)造成分餾塔底堵塞，油漿泵抽空，泵、換熱器、管線的磨損，容易發(fā)生火災(zāi)事故。反應(yīng)油氣管線反應(yīng)油氣管線的結(jié)焦在部分裝置上非常嚴(yán)重，達(dá)到150-200毫米，其后果主要是壓降增加，反應(yīng)器壓力受主風(fēng)機(jī)能力的限制，無法增加太多，裝置被迫降低處理量，而氣壓機(jī)入口壓力降低，不但所需功率增加，更增大了氣壓機(jī)喘振的危險(xiǎn)性。分餾塔底及油漿系統(tǒng) 分餾塔底和油漿系統(tǒng)的結(jié)焦結(jié)垢，主要會(huì)造成管路系統(tǒng)壓降增加，換熱器取熱負(fù)荷受到限制，分餾塔無法保持合理的取熱分配，影響產(chǎn)品質(zhì)量。 以上問題，都會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)壓降增加、流化不暢、催化劑跑損等后果，造成事故隱患，裝置不得不停工檢修。一般認(rèn)為，重質(zhì)原料霧化及汽化不良，

4、反應(yīng)過程產(chǎn)生的雙烯、大分子芳烴的縮合及聚合反應(yīng)，是造成結(jié)焦的主要機(jī)理。這一點(diǎn)，在1995年中國石化總公司生產(chǎn)經(jīng)營協(xié)調(diào)部和催化裂化協(xié)作組組織的FCCU反應(yīng)分餾系統(tǒng)結(jié)焦調(diào)查報(bào)告中，也得到證實(shí)，并針對(duì)不同部位提出了相應(yīng)的防焦措施。主要有：在提升管改進(jìn)預(yù)提升段的設(shè)計(jì)和操作、進(jìn)料段的優(yōu)化設(shè)計(jì)；沉降器采用良好的汽提段結(jié)構(gòu)，在拱頂合理使用防焦蒸汽，縮短反應(yīng)器出口油氣停留時(shí)間；大油氣管線加強(qiáng)保溫；分餾塔底控制好溫度和停留時(shí)間，使用濾焦器，油漿系統(tǒng)使用阻垢劑并保持適宜的線速，等等。事實(shí)上，催化裂化的工藝特點(diǎn)所帶來的高溫與油氣環(huán)境，決定了結(jié)焦傾向是客觀存在的，而重油催化裂化裝置表現(xiàn)的則更為嚴(yán)重。所以盡管國內(nèi)外對(duì)結(jié)

5、焦問題的探討相當(dāng)充分，近幾年催化裂化裝置因反應(yīng)分餾系統(tǒng)結(jié)焦而造成的非計(jì)劃停工仍屢見不鮮。但仔細(xì)分析不同部位的結(jié)焦原因，采取適當(dāng)?shù)拇胧?，盡量減少結(jié)焦程度，可以延長操作周期，提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益2，3。2 主要措施21 提升管部分 提升管部分的設(shè)計(jì)與操作對(duì)整個(gè)裝置都至關(guān)重要，設(shè)計(jì)和操作的好壞，不僅影響提升管本身的結(jié)焦，也會(huì)影響沉降器及后路系統(tǒng)結(jié)焦的程度。1） 預(yù)提升段原料和催化劑在進(jìn)料段的接觸環(huán)境，由預(yù)提升段決定，油滴和催化劑接觸不良，不但會(huì)造成焦炭和干氣上升，影響產(chǎn)品收率，也會(huì)造成提升管器壁的結(jié)焦。圖-1 和圖-2是催化劑和原料接觸情況的對(duì)比，可見催化劑的流化狀態(tài)以及原料的霧化狀態(tài)，都會(huì)產(chǎn)生巨大的

6、影響4。圖-1 催化劑和原料接觸不良圖-2 催化劑和原料接觸良好催化劑在預(yù)提升段轉(zhuǎn)向，加速上升，到達(dá)進(jìn)料區(qū)之前，流化狀態(tài)發(fā)生劇烈的擾動(dòng)變化。影響進(jìn)料區(qū)原料的接觸、汽化和傳質(zhì)傳熱效果的因素很多，其中主要的有軸向和徑向返混及密度因素。為使進(jìn)料段催化劑在徑向上混合均勻，而軸向上返混程度降低，減少滑落的催化劑與油滴二次接觸的機(jī)率，近年來，我院采用了新型蓮蓬頭式的預(yù)提升介質(zhì)分布器，可注入蒸汽、干氣及汽油作為預(yù)提升介質(zhì)，同時(shí)提高預(yù)提升段線速和延長預(yù)提升段長度，靈活控制預(yù)提升段的密度，從而調(diào)整進(jìn)料段催化劑的流化狀態(tài)。2） 進(jìn)料噴嘴及提升管使用新型高效霧化噴嘴，是緩解結(jié)焦問題的有效手段之一，而且成本低，實(shí)施方

7、便。我院開發(fā)的BWJ型噴嘴，霧化粒徑分布均勻，取得了很好的效果。除了分布均勻，有利于油、劑接觸外，利用旋流機(jī)理霧化的另一個(gè)好處是噴嘴的出口速度適中，不會(huì)導(dǎo)致催化劑的破碎，也不會(huì)產(chǎn)生噴射到噴嘴對(duì)面管壁上而結(jié)焦的問題。冷模實(shí)驗(yàn)表明，霧化過程中產(chǎn)生的少量的大于80微米的液滴，是最難以迅速氣化，容易產(chǎn)生焦炭和結(jié)焦的部分，為此，我院正積極開發(fā)BWJ第三代噴嘴，進(jìn)一步改善原料的霧化效果。另外，為改善油劑接觸效果，在同一標(biāo)高采用4個(gè)或6個(gè)多個(gè)噴嘴對(duì)稱布置。每路進(jìn)料均設(shè)置計(jì)量孔板，使得進(jìn)料分配均勻。在施工安裝過程，必須堅(jiān)持施工技術(shù)交底，講清噴嘴安裝的重要性和技術(shù)要求，對(duì)安裝結(jié)果進(jìn)行檢查，開工前使用膠帶封住噴口

8、，保證噴嘴安裝符合技術(shù)要求，內(nèi)部無異物堵塞。對(duì)于較重的原料，適當(dāng)增加霧化蒸汽量，降低提升管內(nèi)油氣分壓，有利于原料霧化以及減少反應(yīng)產(chǎn)物之間的聚合反應(yīng)，同時(shí)從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)看，油氣分壓適當(dāng)降低所形成的較好產(chǎn)品分布的好處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該部分蒸汽能耗的代價(jià)。另外，應(yīng)保證提升管內(nèi)反應(yīng)的充分進(jìn)行，從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)看，在原料較重的情況下，片面追求“高溫短接觸”對(duì)防止結(jié)焦是不利的，應(yīng)根據(jù)原料情況保證足夠的反應(yīng)時(shí)間。否則，在采用新型提升管出口快分設(shè)施的情況下，會(huì)出現(xiàn)結(jié)焦后移的情況。提升管中部及下游注入中止劑，例如汽油、水等，提高劑油比，從而提高油劑初始接觸溫度，特別是重質(zhì)劣質(zhì)原料的“熱爆”效應(yīng)，加速原料液滴氣化，減少結(jié)焦的效

9、果也比較顯著，在各廠獲得了廣泛的應(yīng)用。22 沉降器及汽提段提升管出口快分根據(jù)原料情況，可以分別采用粗旋和VQS技術(shù)。其中VQS技術(shù)是目前防止沉降器結(jié)焦最有效的技術(shù)。燕山二催化原設(shè)計(jì)摻渣35%，采用VQS技術(shù)改造后，摻渣比為65%-85%，焦炭產(chǎn)率達(dá)9.5%-10.5%，自1998年11月到2000年4月平穩(wěn)運(yùn)行1.5年，正常停工檢查發(fā)現(xiàn)沉降器內(nèi)無以往大的焦塊，封閉罩和沉降器內(nèi)壁附著一層約25mm厚的粉末狀、絮狀焦層，容易清理，而分餾塔內(nèi)無結(jié)焦現(xiàn)象，縮短了檢修周期，減少了費(fèi)用支出。VQS系統(tǒng)在沉降器頂部采用防焦蒸汽，VQS升氣管與旋風(fēng)分離器系統(tǒng)連接處采用承叉結(jié)構(gòu)并使用彈性材料密封，使用平衡管將旋

10、風(fēng)分離器料腿夾帶的少量油氣導(dǎo)入VQS系統(tǒng)內(nèi)部，使得VQS與沉降器之間基本沒有油氣存在，從根本上消除了結(jié)焦的環(huán)境。而VQS內(nèi)部有大量催化劑沖刷，油氣停留時(shí)間從提升管出口到集氣室停留時(shí)間小于5秒，也很難產(chǎn)生焦塊。從產(chǎn)品分布看，由于有效縮短了油氣停留時(shí)間，減少過裂化和縮合等二次反應(yīng)，干氣產(chǎn)率可有較大效率的降低。對(duì)于原料不是很重的裝置，也可以采用粗旋加旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡單，效率高，操作彈性大，抗干擾能力強(qiáng)。粗旋出口與旋分入口保留一定的空間，相對(duì)三葉快分而言，既可以大大縮短油氣在沉降器的停留時(shí)間，也可以使沉降器保持較高溫度，避免少量油氣在沉降器內(nèi)長期停留的情況下，大分子因溫度下降冷凝

11、而結(jié)成焦塊。汽提段采用新型擋板技術(shù)，有利于減少焦炭在待生催化劑出口格柵的生成，避免阻塞格柵，影響系統(tǒng)流化。很多情況下，裝置停工是由于電力或蒸汽系統(tǒng)的故障，造成沉降器內(nèi)溫度急劇下降，沉降器頂部焦塊脫落，堵塞格柵或待生滑閥造成的。可以將汽提段延長，待生出口開設(shè)在筒體，格柵垂直放置，可大大減少格柵被焦塊堵塞的可能性。脫落的焦塊可暫時(shí)堆積到汽提段底部，等到正常停工檢修時(shí)予以處理。汽提段底部的松動(dòng)流化蒸汽的設(shè)置，對(duì)維持汽提段底部的良好流化狀態(tài)，減少結(jié)焦死區(qū)的形成十分有利。旋風(fēng)分離器內(nèi)部升氣管外壁背面（相對(duì)于旋分入口而言）結(jié)焦脫落，卡住翼閥或堵塞料腿而造成的停工也很常見，而且，目前似乎仍沒有公認(rèn)的較好的辦

12、法來解決此問題（有資料稱可以在升氣管焊接保溫釘?shù)任?，以固定產(chǎn)生的焦塊，避免脫落，或改變升氣管結(jié)構(gòu)以增加局部擾流流場(chǎng)，破壞結(jié)焦形成等，但效果均未經(jīng)證實(shí)）。一般來講，對(duì)此問題仍應(yīng)對(duì)問題的根源采取措施，例如：改進(jìn)提升管的設(shè)計(jì)和操作，改善原料霧化效果，加大注汽量等。另外，停工檢修時(shí)應(yīng)對(duì)此類部位詳細(xì)檢查，將產(chǎn)生的焦塊清理干凈，也很重要。某些裝置采用兩級(jí)旋風(fēng)分離器，二級(jí)旋分料腿設(shè)計(jì)偏大，催化劑細(xì)粉和油氣長時(shí)間停留，也容易造成料腿內(nèi)部結(jié)焦和堵塞，從而使二級(jí)旋分失去作用，在采用出口快分等措施后，單級(jí)旋分的效率已經(jīng)足夠，建議拆除二級(jí)旋分，消除隱患。23 反應(yīng)油氣管線反應(yīng)油氣管線結(jié)焦問題由來已久，對(duì)此公認(rèn)的觀點(diǎn)是

13、加強(qiáng)保溫，減少油氣冷凝，提高線速，減少停留時(shí)間并增加焦塊沉積增大的難度。一般，外保溫的熱壁式設(shè)計(jì)，施工上不容易達(dá)到設(shè)計(jì)要求，會(huì)產(chǎn)生較多的局部冷點(diǎn)，而冷壁式油氣管線襯里可以做得比較均勻，有較好的保溫效果，分餾塔入口法蘭使用保溫涂料也有利于減少熱損失。但使用龜甲網(wǎng)雙層襯里，由于保溫釘一頭與管壁相連，一頭與龜甲網(wǎng)相連，仍有可能產(chǎn)生局部冷點(diǎn)，造成油氣冷凝。從理論上講，單層襯里的保溫效果應(yīng)該更好，基本無局部冷點(diǎn)，但單層襯里目前強(qiáng)度稍差，在清理焦層時(shí)容易造成襯里損壞，因此，在襯里方面，仍有大量工作可做。提高線速，會(huì)造成系統(tǒng)壓降的增加，需要統(tǒng)籌考慮。一般建議以不大于35米/秒為宜，并且當(dāng)油氣管線內(nèi)結(jié)有一層焦

14、質(zhì)后，會(huì)具有更好的保溫效果。另外，在反應(yīng)油氣管線的布置、走向上，也應(yīng)通過詳細(xì)計(jì)算，以盡量縮短油氣停留時(shí)間。24 分餾塔底和油漿系統(tǒng)分餾塔底和油漿系統(tǒng)的結(jié)焦結(jié)垢，會(huì)造成系統(tǒng)壓降增加，取熱效率下降等問題。除了在系統(tǒng)上游采取措施，減少結(jié)焦傾向以外，在分餾塔底使用濾焦器，注入油漿防垢劑，在設(shè)計(jì)上充分考慮油漿系統(tǒng)的特點(diǎn)，減少分餾塔底油漿停留時(shí)間，提高油漿系統(tǒng)管線和換熱器管程線速，都有助于減少結(jié)焦結(jié)垢。在操作上，各廠也都有豐富的經(jīng)驗(yàn)，比如控制塔底溫度不大于350度，適當(dāng)回?zé)捯曰厥掌渲锌闪鸦妮p組分；外甩油漿，控制油漿密度在1.0左右，不宜過大等。25 其它對(duì)重質(zhì)原料進(jìn)行預(yù)處理，減少原料中的焦質(zhì)、瀝青質(zhì)以及

15、芳烴組分，可以改善裝置的結(jié)焦問題。在全廠流程的規(guī)劃上，尚需做大量的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，但把最重最差的原料給催化裂化裝置，不一定能達(dá)到最優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)效益。另外開發(fā)、選用適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，減少反應(yīng)產(chǎn)物二烯烴和大分子芳烴含量，也有助于減少裝置結(jié)焦。根據(jù)原料，開發(fā)相應(yīng)催化劑，是一項(xiàng)長期的任務(wù)。3結(jié)論 結(jié)焦問題在催化裂化裝置比較常見，是造成裝置非計(jì)劃停工的主要原因之一，而由于催化裂化裝置的工藝特點(diǎn)，結(jié)焦傾向客觀存在，但可以采取一系列措施予以緩解，延長裝置的開工周期，主要有：1）采用新型進(jìn)料噴嘴和出口快分設(shè)施，注入反應(yīng)終止劑，提高劑油比，使原料在提升管內(nèi)良好霧化、迅速氣化、充分反應(yīng)、快速導(dǎo)出。2）改善設(shè)備結(jié)構(gòu)，油漿系統(tǒng)采用防垢劑，優(yōu)化操作，減少原料和油氣產(chǎn)品的結(jié)焦傾向，破壞結(jié)焦環(huán)境。3）改善催化裂化裝置原料，使用適當(dāng)?shù)拇呋瘎?。催化裂化裝置不斷出現(xiàn)的新問題，正是推動(dòng)催化裂化技術(shù)不斷發(fā)展的動(dòng)力，而結(jié)焦問題也有賴于科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)各部門的緊密協(xié)作，共同努力，才能得到較好的解決。參考文獻(xiàn)中國石油化工股份有限公司煉油事業(yè)部編，2000年煉油生產(chǎn)裝置基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯編，2001FCCU反應(yīng)分餾系統(tǒng)結(jié)焦調(diào)查組，F(xiàn)CCU反應(yīng)