催化裂化裝置再生器尾燃原因分析及優化措施

王 明 勝

(中國石化揚子石油化工有限公司，南京 210048)

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催化裂化裝置再生器尾燃原因分析及優化措施

王 明 勝

(中國石化揚子石油化工有限公司，南京 210048)

針對中國石化揚子石油化工有限公司2.0 Mta催化裂化裝置再生器尾燃嚴重的情況，根據生產實際和燒焦理論，從裝置生焦量、再生器內催化劑流化狀態、催化劑內循環量、外取熱量和助燃劑的使用等方面討論了產生尾燃的原因并提出優化措施。結果表明：再生器尾燃主要是因為上述因素對燒焦罐的燒焦溫度、焦炭反應時間、催化劑上炭分布產生影響，使 CO 無法在燒焦罐中完全燃燒，從而進入稀相段并發生劇烈反應造成的；通過調整裝置生焦負荷、各再生催化劑輸送管路中的輸送風量、控制合適的催化劑內循環量和外取熱量等措施可緩解再生器尾燃現象。

催化裂化 再生器 燒焦 尾燃

中國石化揚子石油化工有限公司(簡稱揚子石化)催化裂化裝置設計規模為2.0 Mta，主要加工加氫處理后的常壓渣油和減壓渣油混合原料，由中國石化洛陽工程有限公司(簡稱洛陽院)設計。該裝置反應部分采用中國石化石油化工科學研究院(簡稱石科院)開發的多產異構烷烴和丙烯的 MIP-CGP 工藝，再生部分采用洛陽院開發的燒焦罐-二密床主風串聯高效完全再生技術，與之配套的催化劑為石科院最新研究開發的 CMT-1 專用抗釩劑。

目前催化裂化裝置的原料密度(20 ℃)為 925～940 kgm3，殘炭為 4.0%～6.0%。裝置在滿負荷狀況下運行較為平穩，但仍存在再生器稀相超溫現象，其最高溫度曾達到 742 ℃，稀相、密相溫差高達 30～50 ℃。在再生器稀相嚴重超溫情況下，其內部構件易發生變形，嚴重時會造成設備損壞。這種現象被稱為二次燃燒，也叫尾燃。因此，本課題根據生產實際和燒焦理論，主要從裝置生焦量、再生器內催化劑流化狀態、催化劑內循環量、外取熱量和助燃劑的使用等方面對易引起尾燃的原因進行分析并提出優化措施。

1 再生器特點及主要操作參數

揚子石化催化裂化裝置再生系統如圖1所示，待生催化劑經待生斜管及滑閥進入再生器燒焦罐下部，與自第二密相床來的再生催化劑混合并開始燒焦，在催化劑沿燒焦罐向上流動的過程中燒去焦炭，再生催化劑在燒焦罐頂部經大孔分布板進入第二密相床，剩余的少量焦炭及CO在高溫下最終完成整個燒焦過程。再生器的主要操作參數如表1所示。

圖1 再生系統示意

項 目數 據燒焦罐上部溫度∕℃695煙機入口溫度∕℃695再生壓力∕kPa298燒焦罐藏量∕t70第二密相床藏量∕t100主風量(標準狀態)∕(m3·h-1)275000燒焦量∕(t·h-1)23再生劑上炭含量,%0.08

2 易引起尾燃的原因分析

2.1 燒焦負荷

隨著上游渣油加氫裝置摻渣量提高，原料油性質(見表2)變差，特別是殘炭及膠質、瀝青質含量偏高，造成裝置生焦量超出再生器最高燒焦負荷。在燒焦罐燒焦能力一定的情況下，生焦量大時造成焦炭被部分氧化生成 CO 的幾率大幅增加，CO 穿過床層到達稀相段，容易與氣相中剩余的 O2繼續發生完全氧化反應。另一方面，由于燒焦負荷大，為控制合適的再生煙氣氧含量，主風量(標準狀態)達到 280 000 m3h(正常情況下為 255 000 m3h)，主風量增加會降低氣相在第二密相床層中的停留時間，減少 O2與 CO 反應的時間，使CO 無法完全燃燒，特別是在再生器徑向密度較小的區域，O2消耗量更小，多余的 O2就會穿過床層，在稀相中固相存在滑落與返混以及空隙率、軸向密度、溫度、氧濃度分布不均的環境下，CO 往往是在含氧較多的旋風分離器出口處首先起燃，隨后引發全面的尾燃[1]。

表2 原料油的主要性質

2.2 再生器床層偏流

對于穩定的床層，應該保持床層內溫度穩定，即床層內溫度均一，但裝置目前的溫度分布偏差較大，再生器的溫度分布如表 3 所示。由表 3 可以看出，再生器中存在短流、偏流現象。出現上述情況的原因可能是再生器中催化劑分布不均勻，部分待生催化劑穿透了床層，進入再生器四路斜管的輸送風量大小不一，尤其在外取熱器 B 出料口輸送風停用后，再生器稀相上部同一水平面上不同位置的溫差逐漸增大，表明氣流輸送風不能完全抵消待生催化劑的下沖動能，部分催化劑直接跨過分布器進入床層。這一點從主風分布管下的溫度得到了證明：理論上主風分布管下的溫度應該等于主風溫度(約200 ℃)，實際上約為220 ℃，說明有部分高溫催化劑穿透床層到達了主風分布管下。床層的不穩定性可造成再生催化劑燒焦不均勻，部分催化劑由于短流而未得到充分燒焦。此外，床層溫度升高必然使外取熱器的取熱量增大，大量溫度相對較低的催化劑返回燒焦罐下部后加劇了燒焦罐底部的短流、偏流現象。

表3 再生器的溫度分布

注：位置 a 和位置 b 為同一水平面上的不同位置。

2016年第二密相床底部溫度與外取熱器A上部密度的變化趨勢見圖 2。由圖 2 可以看出，再生器存在偏流現象，其中第二密相床底部位置 a 的溫度一直穩定在 690～700 ℃，但位置 b 的溫度呈周期性變化，且在變化的過程中外取熱器A上部的密度隨之變化，說明外取熱器A的下料口出現了催化劑流化不暢的現象，當催化劑堆積到一定程度時便急速進入外取熱器A，導致其上部密度增加。對比外取熱器A和B的上部密度，外取熱器A的上部密度總是低于外取熱器B，在兩者催化劑藏量相當的情況下，其煙氣返回口的氣相量必然不同，最終對第二密相床上部的流化產生“撓動”，使燒焦罐中的偏流現象加劇[2]。

圖2 2016年第二密相床溫度與外取熱器上部密度的變化趨勢 —位置a的溫度; —位置b的溫度; —密度

2.3 催化劑內循環量

再生器中催化劑內循環量直接影響整個燒焦罐的溫度分布，若催化劑內循環量過小，則燒焦罐底部溫度通常不足660 ℃，燒碳速率較低；此外，催化劑內循環量過小時燒焦罐藏量無法提高，催化劑停留時間降低，影響燒焦效果，并且此時第二密相床藏量相對較高，易引起稀相催化劑濃度增加，進入稀相的 CO 在氣體中催化劑顆粒熱阱的作用下起燃，隨后引發全面的尾燃[3]。若催化劑內循環量過大，加上外取熱器出口冷催化劑的沖擊，增加了短路、死區和內循環的幾率，顆粒的軸向返混系數增加，導致顆粒在燒焦罐內的停留時間分布變寬，使得總燒炭強度降低，還會造成燒焦罐內的氣體分布不均勻，從而使催化劑燒焦出現不均勻的情況[4]。從宏觀上看，即使燒焦后再生劑的平均炭含量可達到要求，但實際上由于床層內催化劑分布不均勻，其停留時間也各不相同，再生劑個體顆粒的炭含量存在差異。炭含量較高的催化劑顆粒進入第二密相床后，雖然其中的氧含量明顯比燒焦罐低，但稀相中沒有氣泡相和乳化相，氧氣傳遞阻力很小，環境溫度高，使炭更易燃燒[5]。

2.4 外取熱器取熱量

外取熱器取熱量主要從外取熱器出口催化劑溫度及循環量兩方面影響再生燒焦效果。一方面，經取熱后的催化劑溫度僅為 550 ℃，與燒焦罐內催化劑混合后使外取熱器出口區域的溫度僅為 650 ℃左右，低于 CO 起燃的最低溫度(683 ℃)，造成焦炭氧化生成的 CO 無法進一步氧化成 CO2[6]；另一方面，外取熱器的催化劑循環量大于反應器和再生器之間的催化劑循環量，對待生劑分布沖擊較大，使取熱器出口待生劑的徑向分布不均勻。燒焦罐底部的溫度分布見圖3。因來自待生斜管的催化劑溫度約為510 ℃，低于外取熱器出口催化劑溫度，理論上測點 a 的溫度應較測點 d 高，但床層混合后情況正好相反，增加了待生催化劑向再生器外壁方向分布的幾率，特別是在開大外取熱器滑閥增加取熱量時，燒焦罐底部溫度差更大，造成整個燒焦罐的炭分布不均勻。

圖3 燒焦罐底部的溫度分布

2.5 CO助燃劑

雖然溫度對燒焦影響較大，但在再生器水熱條件和原料油重金屬含量偏高的環境下，高溫下催化劑的失活速率加快，因此不能僅僅通過提高再生溫度來強化再生效果。在未使用 CO 助燃劑時，即使在溫度接近 700 ℃的燒焦罐中，CO 的氧化反應也進行得很慢，而稀相段中氣相傳質阻力小、環境溫度高、停留時間長，CO 在稀相段的反應相當快[7]。為防止二次燃燒，應限制稀相中 CO 濃度，將絕大部分 CO 在燒焦罐內燒掉。通過添加助燃劑可提高 CO 在燒焦罐中的燃燒速率，減少穿過床層的 CO 量。

由于助燃劑存在正常跑損、水熱失活以及再生煙氣中含硫化合物、含氮化合物對其活性具有抑制作用，需要定時加注助燃劑以保證系統內助燃劑的含量穩定。通過實際操作發現，在系統催化劑總藏量為 360 t 的情況下，助燃劑的日加入量為新鮮催化劑加注量的0.3%左右時助燃效果最佳，若助燃劑加注量過大，其濃度及活性過高，導致氧含量下降，反而對燒焦反應產生不利影響[8]。

3 優化措施

3.1 控制生焦量

控制再生器尾燃的最根本途徑是保證反應生焦量低于再生器的再生負荷，因此考慮從改善原料油性質、控制第二反應器停留時間、保證催化劑活性等方面來降低裝置生焦率。具體措施為：①嚴格控制原料油中易縮合成焦炭的前身物含量，殘炭不大于5.5%；②注入終止劑，控制第二反應器停留時間在 5.5～6.0 s，降低過度氫轉移反應縮合生成焦炭的速率；③保證系統內催化劑活性為 55～60，比表面積不低于 90 m2g，同時通過加入鈍化劑的方式將平衡劑上的銻鎳比控制在 0.35 左右，抑制鎳的脫氫反應，在提高氫利用率的同時降低生焦率。通過采取上述措施，裝置生焦率由9.8%左右降低至約8.9%，燒焦量低于再生器極限燒焦負荷，再生器稀、密相溫度差降低約 12 ℃。

3.2 調整輸送風量

由于燒焦罐底部受各路催化劑循環量的影響，出現徑向溫度差大的現象，正常情況下，主風分布對再生器的影響無法改變，但可以通過調整再生器中4個斜管底部的輸送風量來改善催化劑的分布。由燒焦罐底部的溫度分布(圖5)可以看出，受外取熱器出口催化劑溫度及沖動能的影響，測點A區域的溫度較其它區域低，但待生劑含量最高。因此，提高待生劑及內循環催化劑在燒焦罐底部的分布將同時消除待生劑分配不均和徑向溫差大的不利局面。在實際操作中，將待生斜管底部輸送風量(標準狀態)由 4 000 m3h 提高至 6 000 m3h，內循環斜管底部輸送風量(標準狀態)由 2 200 m3h 提高至 4 500 m3h；同時外取熱器A出口輸送風量(標準狀態)由4 000 m3h 降低至 3 000 m3h，外取熱器B出口輸送風量(標準狀態)由 4 000 m3h 降低至 0。最終燒焦罐底部徑向溫差由最高 33 ℃ 降低至 18 ℃，表明燒焦罐內催化劑的分布狀況得到優化，有利于改善燒焦效果。

3.3 控制合適的催化劑內循環量

3.4 控制合適的外取熱量

圖4 外取熱器下滑閥開度對稀相、密相溫度的影響

3.5 其它措施

正常運行時可以通過調整操作細節來減輕尾燃情況的發生。具體做法為：①外取熱量的調整應緩慢操作，避免燒焦罐藏量及溫度變化過大對燒焦產生不利影響；② CO助燃劑的加注量為新鮮劑加入量的0.3%，且分2～3次加入，保證系統內助燃劑活性的均衡；③穩定待生及再生斜管的流化狀態，將兩個斜管敏感松動點的松動風孔板由 Φ3 mm 改成 Φ5 mm，調整松動風壓力比斜管內壓力高 0.15 MPa，使斜管內的流化達到最佳狀態。

4 結 論

(1)再生器尾燃現象與裝置生焦量、再生器內部流化狀態、催化劑內循環量、外取熱器取熱量、CO 助燃劑的使用有關。上述因素對燒焦溫度、焦炭反應時間、炭分布產生影響，使 CO 無法在燒焦罐內完全燃燒，從而進入稀相段并發生燃燒反應。

(2)通過控制裝置生焦量、改變再生器內部流化狀態、控制合適的催化劑內循環量和外取熱器量等方法可緩解再生器尾燃現象。

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[3] 陳俊武.催化裂化工藝與工程[M].2版.北京：中國石化出版社，2005：1299-1311

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[8] 曹漢昌，郝希仁，張韓.催化裂化工藝計算與技術分析[M].北京：石油工業出版社，2000：107-116

簡 訊

Calumet公司的4 cSt Ⅲ類基礎油投產，成為美國第一家Ⅲ類油生產商

美國Calumet公司開始在路易斯安那州Shreveport的煉油廠生產Ⅲ類基礎油，成為美國第一家從原油直接生產Ⅲ類基礎油的公司。該公司將只生產4 cSt的Ⅲ類基礎油(品牌為Calpar 4GⅢ，黏度指數為123)，具體產能及技術信息不詳，可能是通過提高加氫轉化裝置的苛刻度并犧牲一部分Ⅱ類基礎油產能實現了Ⅲ類基礎油生產。該產品尚未得到美國API和OEM的認證，因此外銷市場有限，將主要在本公司內部使用。

北美洲每年消費1.10～1.20 Mt Ⅲ類基礎油，占全球產能的16%或17%。北美洲地區Ⅲ類油產能主要集中在Holly Frontier公司在加拿大安大略湖的加拿大石油公司，產能195 kta，僅占全球3%。此外，美國佐治亞州的基礎油再生商Avista Oil公司稱具備Ⅲ類油8 kta的產能。此外，Puralube和NexLube Tampa公司正在佛羅里達州建基礎油煉廠，計劃2018年底投產，Ⅲ類油產能約為1 040～1 170 bbld(1 bbl≈159 L)。

[黃麗敏摘譯自Lube Report，2017-05-03]

REASON ANALYSIS OF AFTERBURNING IN FCC REGENERATOR AND OPTIMIZATION MEASURES

Wang Mingsheng

(SINOPECYangziPetrochemicalCompany，Nanjing210048)

The reasons for the poor combustion of off-gas in generator of FCCU with capacity of 2.0 Mt/a in SINOPEC Yangzi Petrochemical Co.Ltd，were analyzed from factors of coke make，catalyst fluidized state in the regenerator，catalyst amount in circulation，external heat quantity，and combustion promoter used.These factors are proved to influence on the coke burning temperature in coke burning tank，the coke oxidation reaction time and the carbon distribution on the catalyst，resulting in incomplete combustion CO entering into the dilute phase and occurring a violent react ion.By adjusting the coke make of device，the air flow in the transportation pipeline for the regenerated catalyst，control the appropriate amount of catalyst in circulation and external heat，the burning of tail gas can be alleviated.

catalytic cracking； regenerator； carbon burning； afterburning

2017-02-10； 修改稿收到日期： 2017-04-24。

王明勝，碩士，從事催化裂化生產技術工作。

王明勝，E-mail：mm091602@163.com。