催化裂化VQS系統運用與改進

郝永杰，程久聯

（中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東青島 266500）

青島煉化催化裂化裝置采用北京石油化工研究院開發的MIP-CGP工藝。沉降器提升管出口采用“VQS快分+單級旋分”形式。

其中VQS系統由旋流快分頭、封閉罩、直聯升氣管、預汽提段等組成，即在提升管出口外設一個封閉罩，將內提升管和部分汽提段設置在罩內。反應后的催化劑和油氣經提升管出口處的旋流快分頭分離后，帶有少量催化劑的油氣經封閉罩上部的直聯升氣管直接進入頂旋風分離器。由于有封閉罩密閉，反應油氣不能進到沉降器內部其它空間。從旋流頭快分出來的待生劑進入封閉罩內汽提段進行汽提。頂旋風分離器料腿出來的待生劑經翼閥落入封閉罩外底部，通過溢流圈槽口進入汽提段。VQS系統在冷態下的分離效率達98.5%以上,油氣出旋流快分頭后在沉降器內的停留時間在5 s以下,當設置2～3層擋板時,預汽提線速在0.1 m/s時即可達到較好的汽提效果[1]。

VQS系統具有“三快”特點：即油氣與催化劑的快速分離、油氣的快速引出、催化劑夾帶油氣的快速預汽提。因此，VQS技術大大縮短了油氣在沉降器中的停留時間，減少二次裂化和死區結焦，焦炭和干氣的產率明顯降低，摻渣比可大幅度提高，總液收可提高1%以上，同時VQS正常工況下穩定性極高。

該結構缺點是開停工或事故狀態下容易跑劑，造成油漿固體含量升高。國內應用此結構的十幾家煉廠中，很多煉廠出現了油漿固含量升高的現象甚至是跑劑被迫停工事故，沉降器示意圖（見圖1）。

圖1 沉降器結構圖Fig.1 chart of settlement structure

1 VQS系統在各大煉廠的運用情況

VQS結構是最近十幾年發展并廣泛運用的快分形式。目前，已在18套裝置上成功運用，總加工量達1 890萬噸/年。從各大煉廠目前的應用情況來看，相比其它工藝結焦問題得到較好解決，然而跑劑事故及油漿固含量升高現象卻時有發生。

燕山石化二催化沉降器在1998年實施VQS改造。改造后VQS系統運行總體平穩，但期間出現了催化劑大量跑損、油漿固含量超高的問題。其中有催化劑破碎細化的問題，也有VQS系統分離效率下降及設計問題[2]。

金陵分公司一套催化裂化裝置在2001年初對裝置沉降器進行了VQS技術改造，在首次開工及同年5月底的事故處理后生產恢復過程中，均出現了沉降器大量跑損催化劑的現象。

蘭州石化一套二套催化裂化裝置在2000年6月實施了VQS改造。該公司在2000年至2007年運行過程中多次出現催化劑大量跑損至分餾塔的事故。

青島煉化公司于2009年3月14日沉降器發生催化劑跑損情況。3月15日檢測油漿中催化劑固含量已達到200 g/L以上。經采取調整裝置加工負荷、調整預提升蒸汽量、補充催化劑和提高沉降器料位等操作措施后，沉降器跑劑無根本性好轉，油漿固含量仍有30 g/L左右，3月16日凌晨裝置被迫停工處理。3月19日、20日對沉降器開人孔檢查發現：旋風分離器翼閥的蓋板磨損嚴重，6個蓋板中4個已經磨穿；VQS罩內未發現結焦，而VQS罩外殼體，沉降器器壁和旋風分離器上結焦相對較嚴重，主要以粉狀焦為主。

2011年2月，沉降器再次發生跑劑現象，裝置被迫停工處理。檢查發現沉降器旋風分離器翼閥蓋板磨損，沉降器罩外壁和沉降器內壁無堅實塊狀焦，但在罩外預提升蒸汽環處有大量粉狀焦。

2 沉降器跑劑原因分析

根據各個煉廠催化裂化裝置沉降器跑劑事故分析，跑劑原因可歸納為催化劑“細化”、開工或生產過程中操作不當、設備設計缺陷以及結焦等四個方面。

2.1 催化劑細化容易跑劑

沉降器中催化劑細化的原因有兩個：一是，選用的催化劑或者平衡劑中小于20 μm的細粉太多；二是催化劑抗磨性較差，在循環過程中發生磨損，產生大量細粉。據研究[3]，在多臂式VQS旋流頭噴出口內側，一方面是切向速度急劇降低，另一方面是軸向速度又變成上行流，形成了短路流，顆粒還來不及在旋流作用下被分離出來，就被夾帶上去了，因而在該區域十分不利于顆粒的分離，特別是細粉更容易被向上揚析夾帶。

本公司2010年1～2月、6～9月催化裝置出現過兩次催化劑跑損量大幅增加的情況，經分析其主要原因是當時加入系統的新鮮劑與系統原有催化劑間物理性能相差較大，不同強度催化劑間磨損產生大量的細粉，引起催化劑大量跑損。

2.2 操作原因造成跑劑

對于建成投產的工業裝置，其設計及設備結構均已定型，要在開工及操作波動過程中避免出現催化劑大量跑損，就必須從操作參數的有效調整控制方面著手。歸納起來主要是VQS出口線速、頂旋入口線速、VQS及頂旋壓降，沉降器壓力。VQS出口線速存在一個催化劑跑損的敏感區，此敏感區因裝置而異，一般在7～14 m/s范圍內，當線速超過20 m/s后，夾帶跑損量也將增加（本公司大約在11～14 m/s）。而VQS線速受沉降器壓力，進料量，提升蒸汽量、反應轉化率等影響。因此正常生產中應平穩地調節沉降器壓力、進料量和提升蒸汽量。而在開工時應盡快避開這個跑劑敏感區。

2.3 設備問題造成跑劑

2.3.1 翼閥選型不合理

2.3.1.1 靜態實驗不符合要求 本公司選用的翼閥按設計的安裝角度4.5～5.5°做靜態實驗時，料腿上催化劑質量僅到2 kg時，翼閥便打開流出催化劑。按照技術要求直徑DN450 mm的翼閥做靜態實驗時，翼閥開啟重量應在4 kg以上。很明顯我公司所選翼閥不合適。

2.3.1.2 翼閥閥體保護罩斜板角度不合適 原設計翼閥閥體保護罩斜板與水平夾角為30°，傾斜角度偏小，阻礙催化劑流動，催化劑在斜板上停留時間較長，容易結焦。焦塊長大后容易卡住翼閥蓋板，蓋板與閥體形成空隙，致使旋分分離器料腿無法形成料封，夾帶催化劑的油氣由縫隙倒竄，磨損蓋板，最終造成沉降器大量跑劑。

2.3.1.3 翼閥料腿直徑不匹配 290萬噸/年催化裂化裝置原設計在考慮正常的兩器間催化劑循環量（2 375 t/h）之外，還要考慮操作時需要從沉降器汽提段經MIP循環管返回提升管下部約800～1 200 t/h的催化劑循環量，因此旋分器的料腿采用直徑DN450 mm，而在實際操作過程中，沒有使用MIP循環管，即沒有催化劑從沉降器汽提段循環至提升管二反區的下部，實際進入旋分器的催化劑量減少約25%～30%。分析因料腿較粗，在生產過程中，料腿中料位無法積攢到料封料位，翼閥便被打開，又由于料位太低，催化劑很快下完，夾帶催化劑的油氣從翼閥反竄進料腿，物料對翼閥蓋板沖刷，造成翼閥的磨損。在裝置現場，翼閥附近可以聽到翼閥頻繁開關的“當、當”聲，恰好證實了這一點。

2.3.2 沉降器溢流密封圈槽口設計不合理 VQS封閉罩原設計下部結構為溢流密封圈式，并在溢流密封圈和封閉罩上開槽口，作為催化劑流動通道。其中封閉罩下部開槽口12個，溢流密封圈開槽口6個。因此，VQS罩外催化劑進入汽提段的直通流動通道只有6個，催化劑流通受阻，催化劑在VQS罩外停留時間長，增大了結焦的幾率。

同時設計的溢流密封圈外腔，存在局部低溫區，影響催化劑的流動性。

2009年3月14日本公司發生催化劑跑損事故，本公司隨即采取提高沉降器料位，以封住翼閥，防止催化劑由翼閥處通過單旋跑損，但是效果并不理想。究其原因就是溢流密封圈阻礙了催化劑流入汽提段。

2.4 VQS罩外結焦導致跑劑

VQS罩外結焦尤其是翼閥處結焦，對沉降器的穩定運行威脅很大。當結焦達到一定程度后，在遇到處理事故或者沉降器溫度大幅波動時，結焦很容易因受熱不均而脫落。當焦塊落到翼閥處時，容易造成翼閥開關不靈活甚至是翼閥無法開啟或閉合，一旦出現這種情況，沉降器將出現跑劑情況。當焦塊在VQS密封圈槽口聚集時，容易造成催化劑流動困難，催化劑堆積，進一步結焦。兩次跑劑事故發生后，操作人員均對沉降器打開進行檢查。VQS密封罩外結焦不太嚴重，但大部分為軟焦。VQS罩外結焦不對稱，離預提升蒸汽注入口遠的地方比近的地方結焦要嚴重。6個直聯升氣管外壁結焦，部分管口內側輕微結焦，但都通暢。

3 VQS系統改進

3.1 改善催化劑性能

2010年針對加入系統的新鮮劑與系統原有催化劑間物理性能相差較大的問題，催化裝置在生產部的指導下及時與石科院、催化劑廠家聯系。石科院再次調整了催化劑活性、磨損指數、細粉含量等指標，對磨損指數、細粉含量確定了窄范圍的上下限指標。催化劑理化性能改善后，裝置催化劑跑損量明顯下降，四季度催化劑單耗維持在0.45 kg/t左右，較去年同期減少0.1 kg/t。

圖2 2010年催化劑用量圖Fig.2 Chart of the catalyst consumption in 2010

3.2 優化操作

VQS系統在開工過程中，如若控制不好是非常容易跑劑的。在此期間主要控制VQS出口線速和沉降器壓力。

在轉劑和噴油初期，通過調節預提升蒸汽量及補充蒸汽量，使VQS出口線速保持在≮14 m/s，并將沉降器壓力控制在0.11～0.12 MPa。當再生二密床層溫度提高到700℃左右后，稍開再生滑閥進行轉劑。在轉劑過程中，稍開再生滑閥，保證提升管出口溫度50℃/h左右的升溫速度，以減少跑入分餾塔的催化劑量。當提升管出口溫度達到500～540℃時，三器催化劑循環正常時，提升管準備噴油，噴油速度以提升管出口溫度不小于480℃為依據，盡快將總處理量提高到滿負荷的80%左右，在提量過程中，密切注意VQS出口線速，使其保持在18～20 m/s，若超出此范圍，可在提量的同時，減少預提升蒸汽量和原料油霧化蒸汽量，直到降到正常操作時蒸汽用量為止。

3.3 沉降器VQS系統設備改造

3.3.1 改造翼閥和料腿 根據本公司的實際情況，為保證料腿工作時有足夠料封，在2011年6月公司大檢修時，將沉降器旋分分離器下部料腿縮徑，由直徑DN350 mm的翼閥和料腿替換原來DN450 mm的翼閥和料腿，翼閥仍然采用半覆蓋式。

正常生產時，旋分分離器料腿中催化劑料位逐漸升高，當達到一定高度后，催化劑重力大于翼閥蓋板開啟力，便開始有催化劑下落，翼閥蓋板開度隨著料位上升而增大，最終達到動態平衡，即隨著料腿中料位的高低蓋板在某一開度范圍內開大和關小。改變了之前翼閥經常工作在半管流的狀況，避免了油氣在翼閥處反串，從而保護了翼閥蓋板免受沖刷。因此，大大減少了催化劑的跑損。

另外將翼閥閥體保護罩斜板與水平夾角由原來的30°改為45°。避免催化劑在此處停留結焦而影響蓋板關不嚴。

3.3.2 重新設計溢流密封圈 本裝置2011年6月進行大檢修時，原準備將VQS罩外部溢流密封圈全部取消，將上部封閉罩延長至汽提段上切線，并在封閉罩下部距翼閥底部約1 m處開12個長方形槽口作為催化劑流動通道。后為穩妥起見，僅增加6個溢流密封圈槽口至12個，并與封閉罩的12個槽口相對應，增加了催化劑的直通流動通道，降低了催化劑流入汽提段的阻力。因此，減少了催化劑在VQS罩外的停留時間，大大降低了催化劑在此結焦的幾率。

圖3 槽口示意圖Fig.3 Schematic diagram of notch

本次改造后，裝置平穩運行了18個月，目前狀態良好，油漿固含量維持在4 g/L以下。只是罩外預提升蒸汽量仍保持6.0 t/h的量。公司可以考慮實施對密封圈的原計劃改造方案。即將全部取消溢流密封圈，以進一步減小催化劑流動阻力，縮短催化劑的停留時間，避免結焦。并為適量降低預提升蒸汽量，進一步節能提供條件。

圖4 取消密封圈后示意圖Fig.4 Cancel the seal ring diagram

3.3.3 改造VQS罩外平衡管和預提升蒸汽環 為改善VQS罩外不對稱結焦情況，將封閉罩外的預提升蒸汽環由一個整環更改為兩個單獨進汽半環，并減少預提升蒸汽環上的蒸汽噴嘴面積，另外還將VQS封閉罩外6個平衡管截短1 100 mm。這樣以來使得罩外氣體的壓力分布更加均勻，氣體更加快捷的由平衡管進入旋分分離器入口。減少了油氣在VQS罩外的停留時間，從而有效遏制了結焦。

此外為防止汽提段的油氣逸出進入外腔，只需保證VQS罩外相對于汽提段微正壓就可。如果能為進一步減少催化劑流入汽提段的阻力，全部取消溢流密封圈，就可以將預提升蒸汽量由目前的6.0 t/h適量降至3.0 t/h（設計 2.0～3.0 t/h）。

4 優化后總結

（1）對催化劑指標優化后，催化劑消耗量明顯下降，較優化前下降約18%。

（2）油漿固含量由檢修前的5～6 g/L下降到4 g/L。不僅降低了催化劑單耗，而且還減緩了油漿系統管線和閥門的磨損，為裝置長周期運行提供了堅強的保障。

（3）本裝置自此次大檢修開工以來，加工負荷平均在115%左右，已平穩運行了18個月，未出現油漿固含量升高的現象。沉降器旋分分離器壓降始終維持在12 kPa左右，油漿固含量維持在4 g/L以下，油漿外甩量在10 t/h以下。這說明翼閥的工作狀態良好，對翼閥和料腿的技術改造是有效的。

（4）本次檢修后，開工時VQS罩外出現了催化劑和泥的征兆。并且此現象在以前開工時也時有發生。本公司沉降器所使用的蒸汽均為1.0 MPa蒸汽。建議改為3.5 MPa的過熱蒸汽，以避免催化劑和泥，影響安全生產。

（5）將溢流密封圈全部取消，進一步降低VQS罩外催化劑進入汽提段的阻力，并將罩外預提升蒸汽量降至3.0 t/h。預計每年可節省1.0 MPa蒸汽2.4萬噸（按裝置運行8 000 h計算），合計432萬元。

（6）總體來說：旋流式快速分離系統（VQS），縮短了油氣在沉降器的停留時間，使熱轉化率明顯降低，有效抑制了氫轉移反應和熱裂化反應，解決了沉降器結焦的問題，提高了目的產品收率及催化汽油的辛烷值，保證了裝置長周期安全運行。操作穩定可靠，具有氣固分離效率高，防焦性能優良的特點。

[1]盧春喜，蔡智，時銘顯.催化裂化提升管出口旋流式快分（VQS）系統的實驗研究與工業應用[J］.石油學報（石油加工），2004，20（3）:24-29.

[2]姜成.快速分離系統（VQS）在催化裂化裝置上的應用[D］.天津大學：化學工程學院，2009.

[3]孫鳳俠，盧春喜，時銘顯.催化裂化沉降器VQS系統內三維氣體速度分布的改進[J］.石油煉制與化工，2004，35（2）:51-55.