馬明亮 盧朝鵬 趙靜

中國石油蘭州石化分公司煉油廠

催化裂化是煉油工業(yè)中重要的二次加工過程[1],是將重油輕質(zhì)化的重要手段。該工藝過程使原料油在適宜的溫度、壓力和催化劑存在的條件下,進行分解、異構(gòu)化、氫轉(zhuǎn)移、芳構(gòu)化、縮合等一系列化學(xué)反應(yīng),原料油轉(zhuǎn)化成氣體、汽油、柴油等主要產(chǎn)品及油漿、焦炭等副產(chǎn)品。催化裂化過程具有輕質(zhì)油收率高、汽油辛烷值高、氣體產(chǎn)品中烯烴含量高等特點。中國石油蘭州石化分公司重油催化裂化裝置設(shè)計規(guī)模為300×104t/a,主要加工減壓蠟油與減壓渣油混合原料,裝置主要由反應(yīng)-再生、分餾、吸收穩(wěn)定、熱工、主風(fēng)四機組、氣壓機組等單元組成,其中反應(yīng)-再生系統(tǒng)(以下簡稱反-再系統(tǒng))是裝置的核心,也是影響裝置長周期運行的關(guān)鍵因素[2-4]。

該裝置自2003年7月首次投產(chǎn)以來,運行至今已歷時15年,期間雖先后經(jīng)歷6次大檢修,但對于反再系統(tǒng)長期使用的提升管出口旋流快分(vortex quickseparation,以下簡稱VQS)、沉降器頂旋風(fēng)分離器、再生器一、二級旋風(fēng)分離器等內(nèi)構(gòu)件產(chǎn)生的內(nèi)部損壞部位,僅做過局部修補和修復(fù)性措施,未予以徹底解決。因此,在2016年8月～2019年4月的運行周期中,相關(guān)內(nèi)件均表現(xiàn)出工作性能降低、工作狀況惡化等問題,以下將分別進行詳細說明。

1 沉降器旋流快分及單級旋風(fēng)分離器

300×104t/a重油催化裂化裝置提升管選用VQS旋流快分、預(yù)汽提和多段汽提技術(shù)。采用VQS旋流快分、預(yù)汽提和多段汽提技術(shù)可實現(xiàn)氣-固快速分離,分離后油氣快速引出和分離下來的催化劑快速預(yù)汽提,使油氣在沉降器內(nèi)的停留時間縮短到5 s以內(nèi)[5],減少油氣在沉降器高溫環(huán)境下的過裂化反應(yīng),從而有效地降低干氣和焦炭產(chǎn)率,減緩沉降器內(nèi)部的結(jié)焦。

1.1 提升管出口VQS旋流頭運行情況

自2003年7月裝置投產(chǎn)以來,沉降器VQS組合未進行過更換。由于長期在高溫高流速的環(huán)境中運行,2011年7月,大檢修時首次出現(xiàn)旋流頭破損現(xiàn)象。其后,在2014年、2016年、2019年的歷次大檢修時,均發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部損壞較嚴重,如2016年7月停工檢修,經(jīng)過對沉降器進行內(nèi)部檢查后發(fā)現(xiàn),VOS旋流頭三臂均出現(xiàn)破損,在旋流臂的頂部、背部、底部有3處破損,最大的破口約350 mm×300 mm;2019年5月停工檢修,經(jīng)過對沉降器內(nèi)部檢查后發(fā)現(xiàn)VOS一側(cè)旋流臂明顯開裂,見圖1。

VQS損壞主要是在懸臂筒體出現(xiàn)穿孔、開裂以及耐磨襯里變形鼓包等情況,而其造成VQS分離效率下降的主要原因在于:

(1)VQS旋流臂變形,導(dǎo)致快分旋流流場方向變化,內(nèi)外渦流運動破壞,外渦流向下運動不到位,使內(nèi)渦流攜帶固體顆粒進入頂旋。

(2)VQS旋流臂破損,導(dǎo)致部分油氣偏流或短路,與催化劑接觸不充分,未經(jīng)過旋流頭分離;也造成出口線速度降低,線速度處于邊界條件或降至不穩(wěn)定區(qū)線速度以內(nèi),使得油氣攜帶催化劑固體顆粒,造成催化劑的損失。

此外,油氣線速度降低后,延長了油氣在沉降器內(nèi)的停留時間,導(dǎo)致二次反應(yīng)增加,干氣和焦炭等副產(chǎn)品產(chǎn)率增加。

由于封閉罩內(nèi)施工空間極為狹小,檢修材料只能通過人孔進入,設(shè)備維修也只能進行貼板焊接修補。目前已經(jīng)過3次貼板補焊,修復(fù)效果與原裝設(shè)備相比相差較大。

2016年、2019年大檢修時均發(fā)現(xiàn),沉降器集氣室內(nèi)有較大量結(jié)焦,且不同于以往集中掛在穹頂?shù)慕Y(jié)焦情況,而是大量焦炭集中在集氣室底部,呈現(xiàn)波浪狀堆積,說明氣流流速較慢,油氣在集氣室停留時間長,二次反應(yīng)增加,形成大量結(jié)焦。這與旋流頭的損壞情況密切相關(guān)。

1.2 單級旋風(fēng)分離器及翼閥運行情況

VQS封閉罩出口直聯(lián)6臺單級旋風(fēng)器,主要是進一步回收油氣中攜帶的催化劑細顆粒,并通過料腿返回汽提段,料腿出口安裝半覆蓋翼閥,閥口直徑DN450 mm。

2014年檢修時發(fā)現(xiàn),沉降器單級旋風(fēng)分離器頂部也出現(xiàn)了穿孔破損現(xiàn)象,隨即采用貼板補焊進行修復(fù)。沉降器單級旋風(fēng)翼閥閥板磨損程度歷次檢查均較嚴重,有不同程度的穿孔現(xiàn)象,特別是隨著2011年以后VQS及頂部單級旋風(fēng)分離器工況不佳,增加了頂部旋風(fēng)分離器底部翼閥的開關(guān)頻率,更加快了翼閥磨損的速率,磨損程度也非常嚴重。為此,從2008年開始,每次檢修時均會對翼閥進行更換。但2016年因旋風(fēng)器料腿變形嚴重,對安裝翼閥造成困難,安裝角度已難以達到靜態(tài)試驗的數(shù)據(jù)指標。以上問題均會造成生產(chǎn)運行過程中沉降器旋風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)催化劑跑損及油劑分離不好、返混時間增加、產(chǎn)品分布變差、沉降器結(jié)焦增加等一系列問題。

1.3 存在問題

1.3.1油漿泵磨損

沉降器分離效率直接影響油漿固含量和油漿泵的正常運行。VQS旋流器損壞會引起直聯(lián)的6組單級旋風(fēng)入口密度、顆粒物濃度均超出負荷,使得分離效率下降,運行過程中油漿催化劑固體含量上升。同時,由于劑油分離不好,接觸時間延長,使二次反應(yīng)機會大大增加,產(chǎn)生的縮合產(chǎn)物隨油氣進入分餾塔,被冷凝下來后,縮合產(chǎn)物與催化劑細粉相互裹挾,使油漿中“膠質(zhì)”升高,也會使油漿黏度增大,油漿泵輸送動力增加,進而造成油漿泵電流升高。油漿固含量上升會加速對油漿泵及油漿循環(huán)系統(tǒng)的管線及換熱器的磨損,嚴重威脅到裝置的運行安全。

2.3.2結(jié)焦增多

由于旋風(fēng)分離系統(tǒng)效率降低,致使油氣停留時間延長,二次反應(yīng)大大增加。因而,自2011年以來的歷次檢修過程中,均發(fā)現(xiàn)沉降器頂部掛焦不斷增多,而且由以前的“軟焦”居多逐漸變?yōu)橐浴坝步埂睘橹?說明油氣停留時間增加較多,油氣的返混增加。同時,頂旋升氣管部位也出現(xiàn)較多的掛焦,對安全生產(chǎn)和長周期運行極為不利,易發(fā)生焦塊脫落堵塞料腿,引起嚴重的催化劑跑損。

2 再生器一二級旋風(fēng)分離器

300×104t/a重油催化裂化裝置再生型式采用耗風(fēng)指標較低的重疊式兩段再生,兩個再生器重疊布置,第一再生器位于第二再生器之上。第一再生器貧氧再生,CO部分燃燒,第二再生器含過剩氧再生,CO完全燃燒。第一再生器上部安裝了12組兩級旋風(fēng)分離器,可將大部分粒徑大于40μm的催化劑細粉回收。經(jīng)過再生器一、二級旋風(fēng)分離器分離后,煙氣中主要攜帶粒徑小于20μm的催化劑細粉,再經(jīng)過三級旋風(fēng)分離器,回收的細粉主要是粒徑為10～20μm的顆粒物[6]。因此,通過分析三級旋風(fēng)分離器回收的細粉中粒徑＜20μm的顆粒占比值,可以直觀地判斷再生器一、二級旋風(fēng)分離器的工作狀況。

2.1 旋風(fēng)器效率的判斷

2.1.1三級旋風(fēng)分離器回收細粉的篩分組成

表1為2003-2018年三級旋風(fēng)分離器細粉篩分組成及其變化趨勢。

表1 2003-2018年三級旋風(fēng)分離器細粉篩分組成

從表1和圖2中可以看出:

(1)當(dāng)新旋風(fēng)分離器工作效率較高時,經(jīng)三級旋風(fēng)分離器回收細粉的篩分組成中粒徑＜20μm顆粒的占比一般在90%以上。隨著使用年限的增加或受其他因素的影響,旋風(fēng)器工作效率會出現(xiàn)下降。在催化長周期運行指導(dǎo)意見中明確指出,當(dāng)三級旋風(fēng)分離器回收細粉的篩分組成中粒徑＜20μm顆粒的占比出現(xiàn)低于75%的情況時,一般可判斷為出現(xiàn)跑劑。

(2)2003年-2018年4月,經(jīng)三級旋風(fēng)分離器回收細粉的篩分組成中粒徑＜20μm顆粒的占比呈現(xiàn)逐年大幅下降的趨勢,從88.5%降至49.59%。

(3)與此同時,粒徑為20～40μm的顆粒占比出現(xiàn)大幅上升,從11.5%上升到44.82%。

(4)尤其是在裝置運行了3個周期(每3年算1個周期)以后,自2012年開始,粒徑為40～110μm的顆粒也從無到有,且不斷增加,最高達到10.39%。

(5)以上數(shù)據(jù)可以充分說明再生器一、二級旋風(fēng)分離器的工作狀況不佳,分離效率下降較多,再生器旋風(fēng)分離器已出現(xiàn)持續(xù)“跑劑”。

2.1.2再生器平衡劑的篩分組成

表2和圖3為2003-2018年平衡劑篩分組成及其變化趨勢。

表2 2003-2018年平衡劑篩分組成

從表2和圖3可以看出:

(1)平衡劑篩分組成中粒徑為0～20μm、20～40μm的顆粒占比也呈現(xiàn)下降趨勢,說明細顆粒跑損增大,再生器床層中催化劑細顆粒(粒徑＜40μm)跑損殆盡。

(2)平衡劑大顆粒的篩分基本穩(wěn)定,主要是通過補充新鮮催化劑得以維持,但總體而言,催化劑的平均粒徑(average particle size,簡稱APS)應(yīng)當(dāng)是增大的,說明粒度變粗,系統(tǒng)催化劑細粉的存量較少。

(3)反-再系統(tǒng)中的篩分整體有增大的趨勢,生產(chǎn)過程中為保持正常流化狀態(tài),需要更大的主風(fēng)流量。這將進一步加劇顆粒間的磨損和催化劑的跑損。三級旋風(fēng)分離器細粉中大顆粒的占比增加,也驗證了這一點。

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2.2 分離效率下降原因分析

2.2.1使用年限長

目前使用的再生器旋風(fēng)分離器,自裝置2003年7月投產(chǎn)以來未進行過更換。因此,在長時間的高溫環(huán)境中,旋風(fēng)器的筒體會出現(xiàn)熱變形,改變氣體進入的流向流速,使旋風(fēng)分離器效率降低。而這種變形對于直徑較大的筒體,僅憑目視檢查難以察覺。

2.2.2破損襯里無法維修

歷年檢修人員檢查只能通過再生器集氣室進入二級旋風(fēng)分離器進行簡單檢查,而內(nèi)部已有襯里碳化、裂紋,均由于空間狹小無法施工修復(fù)。但是襯里的破損和斑駁也使氣流轉(zhuǎn)向發(fā)生變化,從而會降低氣固分離的效率。

2.2.3旋風(fēng)分離器檢查的盲區(qū)

由于旋風(fēng)分離器料腿和一級旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)的原因,人員無法進入內(nèi)部檢查,故內(nèi)部筒體和襯里的損壞情況均未知。但從細粉中粒徑在20μm以上顆粒含量的變化可以斷定,再生器一、二級旋風(fēng)分離器運行工況不佳。

2.2.4料腿變形

由于長期受到高溫環(huán)境的影響,再生器旋風(fēng)分離器的二級料腿出現(xiàn)變形,直接導(dǎo)致翼閥的安裝角度發(fā)生改變,使得運行過程中翼閥的閥板與閥口出現(xiàn)嚴重磨損,翼閥的閉合效果變差,導(dǎo)致料腿密封不佳,出現(xiàn)跑劑。

2.3 存在問題

2.3.1催化劑的消耗量增加

旋風(fēng)分離器分離效率降低,直接造成催化劑的跑損增加,這不僅會直接影響再生床層的正常流化,同時,參與催化反應(yīng)的催化劑有效顆粒數(shù)目也會減少。因此,在生產(chǎn)操作過程中,不得不通過增大催化劑的劑耗來維持正常篩分組成,以保持平穩(wěn)操作。研究表明,當(dāng)旋風(fēng)分離器分離效率η=99.99%時,催化劑消耗水平正常;當(dāng)η=99.98%時,催化劑消耗增加50%;當(dāng)η=99.97%時,催化劑消耗增加200%[7]。而根據(jù)300×104t/a重油催化裂化裝置三旋粒徑為0～20μm的細粉占比變化,估算這一原因會導(dǎo)致每年增加催化劑單耗0.3～0.5 kg/t原料。

2.3.2三旋負荷增加

由于再生器一、二級旋風(fēng)分離器效率下降,勢必增加三級旋風(fēng)分離器的工作負荷,超負荷工作增加了對三級旋風(fēng)分離器內(nèi)各分離單管的磨損,超細粉會造成單管堵塞,在上述因素的綜合作用下,使得三級旋風(fēng)分離器的分離效率下降。

2.3.3煙氣輪機的磨損和葉片結(jié)垢

再生器跑劑會增加煙氣輪機的磨損,加快煙氣輪機結(jié)垢的速率。煙氣輪機中的固體顆粒在高氣速條件下會給輪機葉片及輪盤等部件造成磨蝕,從而影響其使用壽命和運行周期。在催化煙氣輪機長周期運行管理指導(dǎo)意見中明確指出,進入煙氣輪機的煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度(0 ℃,101.325 k Pa,下同)不大于200 mg/m3,但目前已達到160～200 mg/m3,說明再生器一、二級旋風(fēng)分離器和三級旋風(fēng)分離器的分離效率均降低。

同時,由于近幾年原料中重金屬含量的上升,導(dǎo)致系統(tǒng)中平衡劑的重金屬含量逐年上升。細粉的體積較小,表面更容易富集重金屬中的Ca、Fe、Ni等,單純的重金屬含量上升不會造成煙機結(jié)垢,但再生器旋風(fēng)分離器和三旋分離效果差會導(dǎo)致煙氣中細粉含量增多,加之Ca、Fe、Ni等金屬和硫元素的共同作用,會增加粉末的黏結(jié)傾向,使顆粒在煙機的葉片上黏附形成垢層[8]。

2.3.4煙氣余熱鍋爐管束積灰嚴重

再生器旋風(fēng)分離器效率下降,使三級旋風(fēng)分離器出口的煙氣中也含有大量細粉和超細粉,在后部能量回收設(shè)施煙氣余熱鍋爐的管束表面積灰,導(dǎo)致余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量下降、過熱蒸汽品質(zhì)下降,煙氣選擇性催化還原(selective catalytic reduction,簡稱SCR)脫硝反應(yīng)器床層溫度接近上限,尾部排煙溫度和SCR床層壓降上升速度快,完全依賴鍋爐高頻次蒸汽和乙炔氣激波吹灰進行控制,蒸汽和乙炔氣用量均較大。

2.3.5煙氣脫硫裝置運行困難

催化裝置配套的煙氣脫硫裝置循環(huán)漿液中固含量持續(xù)升高,漿液外甩量勢必增加,造成裝置的水耗量、堿液耗量大幅上升。同時,煙氣脫硫裝置吸收塔噴嘴、循環(huán)漿液泵的泵體、葉輪及附屬管線閥門均附著沉積的硬垢,造成噴嘴及管線堵塞,設(shè)備閥門損壞,嚴重影響環(huán)保裝置的長周期安全運行。

3 整改措施及效果

針對上述嚴重影響裝置長周期運行和技術(shù)經(jīng)濟指標的問題,進行以下相應(yīng)整改:

(1)2019年裝置大檢修期間,對沉降器VQS、單級旋風(fēng)分離器以及料腿進行整體更換。

大檢修后,催化油漿中催化劑固體質(zhì)量分數(shù)保持在0.2%,煤油溶解后油漿中可見膠質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為0.2%,油漿灰分明顯降低,油漿泵電流值為70～72 A,油漿循環(huán)量為900～1 000 t/h,運行平穩(wěn),流量正常,見表3。

(2)2019年裝置大檢修期間,對再生器一、二級旋風(fēng)分離器及料腿進行整體更換。

大檢修后,三旋細粉篩分中粒徑＜20μm的顆粒占比達到80%以上,粒徑為0～3μm的超細粉占比上升到11.1%,較檢修前的4.1%有明顯提升,APS隨之減小,見表4。

在檢修后新鮮催化劑加劑量大幅降低的條件下,平衡劑篩分組成中粒徑為0～20μm、20～40μm的顆粒占比上升,說明再生器一、二級旋風(fēng)分離器更換后細顆粒跑損明顯減少,平衡劑APS降至72.4μm,表明粒度變小,反-再系統(tǒng)催化劑細粉的存量恢復(fù)正常。以上數(shù)據(jù)充分說明再生器新更換一、二旋風(fēng)器分離的工作狀況良好,分離效率明顯提升,經(jīng)旋風(fēng)分離后煙氣夾帶的顆粒物減少,三級旋風(fēng)分離器的分離效果提高,有助于后部煙氣輪機、煙氣余熱鍋爐、煙氣脫硫裝置運行工況長周期平穩(wěn)運行,見表5。

表3 檢修前后催化油漿分析對比

表4 檢修前后三級旋風(fēng)分離器細粉分析對比

表5 檢修前后平衡劑分析對比

大檢修后,300×104t/a重油催化裂化裝置于2019年6月21日重新開工至今,在滿負荷生產(chǎn)的情況下運行平穩(wěn),實現(xiàn)了催化劑的高效分離。

4 結(jié)論

通過對300×104t/a重油催化裂化裝置近幾個運行檢修周期內(nèi)催化劑性質(zhì)變化和提升管出口旋流快分、沉降器頂旋風(fēng)分離器、再生器一、二級旋風(fēng)分離器內(nèi)部檢查維修情況進行詳細分析,最終確認氣固分離設(shè)備工作性能效率降低,造成裝置出現(xiàn)跑劑。在2019年裝置大檢修時對上述氣固分離設(shè)備進行了更換,從設(shè)備本質(zhì)保障了旋風(fēng)分離器的運行安全,徹底消除了裝置的生產(chǎn)瓶頸。