催化裂化油浆系统结焦原因及对策

催化裂化油浆系统结焦原因及对策

摘要：催化裂化装置随着原料的重质化，结焦现象趋于严重，成为影响装置长周期运行的主要因素之一。油浆系统结焦严重影响装置后期的平稳运行。文章提出了治理对策，可供同行借鉴。

关键词：催化裂化，结焦原因，治理对策，长周期运行，油浆系统

近年来，随着国内外原油的重质化和劣质化，催化裂化在原油深度加工、提高轻质油收率与炼油厂经济效益等方面一直发挥着重要作用，发展极为迅速。由于渣油具有较大的结焦倾向，我国多数炼油厂的催化裂化装置都发生过严重的结焦。“催化裂化协作组”的专题调研报告显示[1]，重油催化裂化提升管、沉降器及分馏系统中结焦非常普遍且严重，特别是沉降器结焦对催化裂化装置的影响最为严重。因结焦造成工业装置非计划停工次数几乎占总停工次数的2/3，是重油催化裂化工业装置长周期运转的严重制约因素，直接影响到催化裂化装置的长周期安全运行和炼油厂的经济效益。国内研究者对重油催化裂化装置的结焦做了大量研究工作，并取得了一定成果。公司催化裂化装置停工检修发现，结焦严重主要集中在油浆系统，而并非是沉降器（如下图）。

图 油浆换热器213及油浆备用泵209出口管线结焦情况

1 油浆系统结焦机理

催化裂化装置因其重油、高温的工艺特点，决定了结焦的客观性。油浆系统结焦的机理：油浆结焦物由有机物和无机物组成。有机物主要由各类重质烃缩聚物组成，无机物主要是催化剂粉末。油浆中多环芳烃、胶质、沥青质等各类不饱和烃在高温下，由氧和金属引发催化作用，容易脱氢产生芳烃自由基，通过自由基链反应而产生高分子聚合物。随着聚合物和缩合物的平均相对分子质量的不断增大，其在介质中的溶解度逐渐减小，析出后黏附在设备表面，当遇到催化剂时，易聚集成颗粒，已经黏附在表面的聚合物也能起到捕获剂的作用，加快颗粒的沉积和生焦。

2 油浆系统结焦部位及分析

分馏系统的结焦部位主要发生在分馏塔底部舌形塔盘、人字挡板、塔底、油浆泵入口、油浆管线及油浆换热器等部位。分馏及油浆系统的结焦最初表现在油浆循环量下降，致使分馏塔底热量取不出来，分馏塔气液相超温，结焦趋势增加，容易形成恶性循环。一般认为，催化裂化原料的性质、油浆的性质、分馏塔底温度、油浆停留时间、催化剂含量及流动状态、油浆流速、操作波动等各种因素相互作用是油浆结焦的主要原因。 从上图可以看出油浆备用泵出口管线结焦堵死，主要原因是备用机泵切换频率过低，预热线孔板过小，预热不均匀导致油浆备用泵出口结焦。所以增大备用机泵的切换频率和加大预热线的孔板，可以避免高温油浆在备用机泵管线上的结焦。

2.8Mt/a催化油浆循环量大约维持在600-800t/h。由此可以计算出，油浆在不同循环量和分馏塔不同液面下的停留时间及在换热设备上的线速度。计算结果见表一和表二。

从表一可以看出，在油浆液面50%，装置在油浆循环量在≤600t/h时，油浆在分馏塔的停留时间为≥5.85min；油浆循环量在≥800t/h时，油浆在分馏塔的停留时间≤4.39min。而且油浆液面只要超过80%，在油浆循环量正常的情况下，停留时间都＞5min，在分馏塔的停留时间过长，容易造成分馏塔底结焦。因此，通过调节反应深度，将分馏塔液面控制在50%以下，油浆循环量控制在600t/h以上，可以降低油浆在分馏塔的停留时间，从而可以避免油浆在高温下因停留时间过长而发生的结焦。

表一 油浆在分馏塔的停留时间（油浆密度按330℃平均826kg/m-3）

项 目 油浆循环量600t/h 油浆循环量800t/h

体积/m³ 停留时间/min 体积/m³ 停留时间/min

液面

5% 30.83 2.54 30.83 2.59

20% 44.17 3.65 44.17 2.74

50% 70.84 5.85 70.84 4.39

80% 95.50 8.05 95.50 6.04

100% 115.28 9.53 115.28

7.14

从表二可以看出，催化油浆在通过原料换热器时的线速度在0.9至1.2m/s，在正常范围内。所以开工前四年以来油浆原料油换热器运行正常，只是到了后期由于油浆温度高导致其结焦。油浆蒸汽发生器在长岭2.8Mt/a催化裂化装置中，采取单台运行、两台并联和三台并联的运行方式。但主要的运行方式是单台运行或者两台并联运行。从表二可以看出在两台油浆蒸汽发生器并联运行，油浆循环量在600至800t/h时，油浆蒸汽发生器的线速度都＜1.0m/s，只有在单台运行的情况下油浆蒸汽发生器的线速度才＞1.0m/s。较低的线速度导致油浆容易在换热器及蒸汽发生器上粘结，是导致油浆蒸汽发生器结焦的直接原因。所以在蒸汽发生器负荷正常的情况下，可以采取单台运行方式，控制油浆在蒸汽发生器的线速度，从而可以避免油浆在高温下因线速度过小而发生的结焦。

表二 油浆在换热器中的线速度（油浆密度按330℃平均826kg/m-3）

项目 油浆与原料换热器E212A/B 油浆蒸汽发生器E213A/B/C

单台流通面积（油浆）/m2 0.0827 0.1250

油浆循环量/t.h-1 600 800 600 800

不同换热流程的线速度/m.s-1

单台 1.19 1.59

两台并联 0.60 0.79 三台并联 0.40 0.53

两台串联 0.90 1.20

从近几年结焦的情况来分析,油浆系统结焦原因除了线速之外还有就是外取热的泄漏。从2013年以来，外取热系统出现过三次大量泄漏、几次小泄漏。外取热泄漏期间，油浆固含量、灰分明显都超过工艺指标。油浆系统大量的催化剂会加速油浆系统结焦而且会堵塞换热器，所以必须控制外取热的泄漏避免催化剂的跑损，防止油浆系统在高温下因催化剂的跑损固含量高而发生的结焦。

2.1 影响分馏塔及油浆系统结焦的因素

分馏塔及油浆系统结焦因素如下：①油浆性质。随着油浆中的多环芳烃含量的增加，油浆相对密度和黏度增大，流动性变差；油浆中稠环芳烃和不饱和烯烃在高温下很容易发生缩合反应，生焦能力强。②塔底温度。分馏塔塔底温度是导致油浆系统结焦的关键因素。随着塔底温度的升高，轻馏分逐渐蒸发，油浆浓缩，黏性增加，生焦性能增强。当温度升高到一定值时，热裂化和聚合反应速度会变得很快。当油浆在某一高温下停留时间足够长时，油浆中将有焦炭生成。③停留时间。分馏塔底部是一个平坦的缓流区，当积存一部分催化剂和焦时，油浆在此区域的停留时间会远超过平均停留时间，油浆中的稠环芳烃、胶质、沥青质等就会和夹带的催化剂颗粒一起沉积，最终形成包含催化剂粉末的焦块。④油浆流速。由于油浆中芳烃和胶质含量较高，在高温下极易发生聚合反应，油浆在管道中的流速过低时，停留时间延长，油浆中夹带的催化剂和重组分就会沉积于管线底部，发生热裂化和结焦反应。⑤催化剂及油浆固体含量的影响。随着催化裂化进料的重质化和低氢转移活性超稳分子筛催化剂的使用，一部分原本可能生焦的重芳烃不成焦而以稠环芳烃形式富集于油浆中，从而加重塔底的结焦问题。油浆中含有催化剂颗粒，当油浆流速低或停留时间较长时，催化剂颗粒发生沉降成为油滴聚集的中心，促使结焦发生，固含量增大使结焦性能增强，油浆换热器系统的普通结垢机理为含炭催化剂颗粒的重力沉降。⑥塔的底部存在缓流区和死区。从分馏塔底的椭圆形来看，其中的油浆抽出口附近是相对平坦的，其角度也远小于催化剂流动休止角，客观上是一个催化剂积存的条件，一旦有催化剂在塔底沉积就很难再彻底被液体油带走，这样就造成了分馏塔底的一个高含催化剂颗粒的缓流区或死区，油浆在塔底流动线速不均一，为垢物团的重力沉积和结焦创造了必要条件。

2.2 相应对策

防止分馏塔及油浆系统结焦的措施如下：

（1）控制好分馏塔塔底温度和塔底油浆停留时间。

采用较低的分馏塔塔底温度可以降低聚合生焦反应的速度。长岭2.8Mt/a催化裂化装置从2010年开工以来，分馏塔底温度控制在320～340 ℃，油浆系统正常。但是运行到后期由于油浆蒸汽发生器结焦严重，分馏塔底温度升至350～360 ℃。严重影响装置的平稳生产。所以必须控制好分馏塔塔底温度，主要措施有降低循环油浆返塔温度，加大油浆返塔下返塔量等，此外引一股急冷油（油浆或回炼油）对塔底进行急冷，既可加强对塔底的冲涮，防止催化剂在分馏塔底的缓流区堆积，又可使塔底油浆快速降温，防止油浆重组分高温聚合。分馏塔塔底宜保持较低的分馏塔液面（30％～45％）和较短的停留时间（小于5 min），液面高，油浆在塔内的停留时间长；液面太低，油浆泵易抽空，威胁安全生产。

控制好脱过热段挡板上方的气相温度就可以保证油浆中的轻组分基本拔出，满足分馏所需的热量。实际上分馏塔塔底已处于过冷状态（非平衡液相），较低的塔底温度对油浆中轻组分含量并没有实质性的影响。

（2）加强平稳操作，减少非正常结焦。

精心操作，尽量减少波动及非计划停工，减少非正常结焦，对于防止结焦有着非常重要的意义。在油浆循环中断（比如泵抽空）的情况下，分馏塔下部没有取热，会使分馏塔底部及下部塔板汽相温度迅速上升，如不迅速控制底温，分馏塔底和下部塔板将会很快结焦。因此在油浆泵抽空状态下应立即采取降低进料量或切出进料、控制分馏塔下部不超温、待油浆泵正常后再提量或恢复进料。备用油浆蒸汽发生器出入口阀门内漏的要及时整改。另外反应再生系统每次操作波动都可能造成反应油气中催化剂含量的增加，这是油浆发汽换热器发生堵塞的主要原因，因此及时大量外甩油浆是非常必要的。

（3）视原料性质调节反应深度，降低油浆固含量。

随着原料品种的增多和原料性质的变差，反应条件越来越苛刻，这就给热裂化及缩合反应创造了条件。根据油浆密度决定外甩油浆的多少，降低油浆系统的结焦。油浆含有较高比例的多环芳烃、胶质和沥青质，在回炼操作时生焦比例大，所以适当的减小回炼比。

重油催化裂化不宜采用高循环比操作，根据进料性质、油浆密度和热平衡情况来决定外甩油浆的多少，适当将油浆中浓缩的多环芳烃和催化剂排出系统，对保持装置热平稳和防止结焦、减少生焦均有好处。从表三可以看出，长岭2.8Mt/a催化裂化装置油浆密度较高＞1120

kg/m3，残炭很高。一般油浆外甩量应控制在3％～5％或稍多一些，控制油浆的相对密度在1 000 kg/m3 左右，油浆固含量不大于5 g/L，虽然外甩部分油浆损失了一部分轻质油，但对降低油浆密度、减轻生焦是有益的。

油浆中的固体催化剂对油浆系统结焦影响很大。油浆中催化剂固体颗粒的碰撞会加快其沉降速度，使催化剂颗粒大量沉积于分馏塔塔底，在合适的条件下形成结焦。

采用高效旋风分离器、选用细粉（小于20 µm）少的新剂、新剂补入匀速加入等都有助于减少催化剂的携带，适当外甩也有助于降低油浆固含量。

表三 2.8Ma/t催化油浆性质

项 目

日期 2013-

12-5 2014-

2-5 2014-

2-10 2014-

2-13 2014-

2-14 2014-

2-20 2014-

3-1 2014-

3-10

固含量，g/L 5.6 4.2 4.2 4.2 4.2 4.2

初馏点，℃230 263

10%，℃432 432

20%，℃451 445