再生強化技術在重油催化裂化裝置中的應用

郗艷龍1，周帥帥，盧春喜

(1.中國石化石家莊煉化公司，河北石家莊050099； 2. 中國石油大學(北京)化學工程與環境學院，北京102249)

催化裂化工藝是重要的石油煉制過程之一[1-2]。為了保證催化裂化裝置反應器內催化劑具有較高的活性，需要將反應后的待生劑催化劑進行再生[3]。再生過程一般在催化裂化再生器內進行，其再生效果決定了再生劑的活性[4]。催化裂化再生器氣、 固兩相流動一般處于湍動流動形態[5]。氣泡的存在影響了氣、固相之間的傳質和接觸效果[6-8]。通過在再生器內添加采用帶有開槽的內構件，能夠減小再生器內氣泡的尺寸，從而增強氣、固兩相之間的傳質和接觸。

研究人員通過實驗和理論分析的方法，發現在流化床內增加內構件，不僅能夠減小氣泡尺寸，還能抑制顆粒相的返混以及改善其停留時間的分布[9-11]。針對催化裂化再生過程，為了減少顆粒相的返混，提高氣、固兩相的接觸效率，盧春喜等[12]提出采用在再生器內添加格柵式擋板(Crosser格柵)。通過設置格柵擋板，能夠有效減少再生器內顆粒相的返混，從而改善待生劑的停留時間分布，進而提高再生效率。張英等[13]通過在遼河石化公司80萬t/a的重油催化裂化再生器內加設Crosser格柵，發現格柵的加入能有效抑制再生器內催化劑的軸向返混，改善催化劑停留時間分布，進而提高催化裂化再生效率。李希斌等[14]在中海石油中捷石化50萬t/a的催化裂化再生器內添加Crosser格柵，應用結果表明，格柵的加入提高了再生器的再生效果，再生器的密相溫差由15 ℃降低至3 ℃，稀相溫差由37 ℃降至2 ℃，再生劑的含碳量由0.10%降至0.06%(質量分數，下同)。

為了進一步考察該類格柵擋板在更大處理量再生器中的應用效果，將Crosser格柵應用在一套年處理量為220萬t/a的重油催化裂化裝置再生器中。該套催化裂化裝置屬于中國石化石家莊煉化公司，由中國寰球工程公司設計，再生器和反應器采用高低并列形式，再生器采用單段逆流床層。再生器內徑為9.4 m，密相表觀氣速為0.84～1.13 m/s。再生器燒焦強度主要受傳質速率影響，整個再生過程受傳質控制[15]。該裝置于2014年8月首次開車。2017年，因再生器超負荷運行，出現再生劑含碳量0.122%，稀相密相溫差大于28 ℃，每噸原料助燃劑使用量達到48 g的情況，這嚴重威脅到了安全平穩生產并增加了操作費用。為了解決這一問題，利用2017年7月檢修，在再生器內設置了中國石油大學(北京)開發的Crosser再生強化格柵。通過加入Crosser格柵來提高再生效率，進而在不改變再生器尺寸的情況下提高再生器的處理量。本文中主要研究格柵加入前后對再生器各操作指標的影響。

1 再生器優化

1.1 優化方案

在再生器密相床層內新增一層中國石油大學(北京)開發的高效Crosser再生強化格柵，如圖1所示。格柵位于待生劑分配器、外取熱器催化劑進口之下，二級翼伐和外取熱催化劑返回口上方。

圖1 格柵安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of the baffles installation scheme

1.2 再生器Crosser格柵

催化裂化的再生過程是催化劑上沉積的焦碳和空氣中氧氣的燃燒反應過程。由于顆粒粒徑很小，制約燒焦反應速率的關鍵是流化床乳相氣泡之間的相際傳質阻力。為了提高燒焦速率，必須實現氣固之間的高效接觸，進而降低流化床乳泡相和氣泡之間的傳質阻力。另一方面，由于燒焦速率和催化劑上碳含量成正比，而再生器中催化劑的強烈返混會顯著降低焦碳的平均含量，因此需要抑制催化劑的返混，從而提高再生器的再生效果。

中國石油大學(北京)開發了在再生器床層中內置的Crosser格柵來強化催化裂化再生過程。 Crosser格柵由多層厚度較小的水平格柵構件組成，每層格柵構件(見圖2)分為多個平行的流動區域，相鄰區域由于導向葉片的設置方向不同，而使氣固兩相產生交叉流動； 相鄰兩層格柵距離較小，僅為1～2倍的格柵高度，且由于導向葉片的設置方向不同，使氣固兩相形成“之”字形流動。 這種上下左右的催化劑交錯流動，能夠顯著降低床層內氣泡的平均氣泡尺寸，增大了氣泡和乳相間的傳質界面和傳質效率，還可以抑制床層內存在的溝流，改善氣相的均勻分布和床層的操作穩定性，減少床層內顆粒軸向返混，相當于使單段近似達到兩段再生器的效果。

圖2 中國石油大學(北京)開發的Crosser格柵Fig.2 Crosser baffle developed by China University of Petroleum (Beijing)

1.3 施工過程

再生器內作業空間狹窄，內部構件較多(見圖3和圖4)，這些都增加了安裝難度。為了方便安裝，格柵層被分為多塊，各格柵塊之間通過緊固螺栓和卡件焊接在一起，格柵層上留有供旋風分離器料腿穿過的圓孔。放置格柵的支梁生根在再生器器壁，需焊接支梁的部位需先剔除襯里，焊接后再重新手工補襯，支梁要求雙面滿焊并探傷。整個格柵層放置在水平支梁上，考慮到熱膨脹格柵層與再生器器壁之間也留有足夠的間隙。為不影響格柵安裝二級旋風器翼伐下移600 mm。

1.4 裝置開工及運行情況

再生器實施改造后，兩器催化劑輸送正常，再生床層壓降未見增加，各處密度及流化正常。增加格柵前后的標定數據表明，再生效果明顯改善，尤其助劑用量明顯下降。

圖3 再生器內部結構Fig.3 Regenerator interior structure

圖4 再生器Crosser格柵安裝圖Fig.4 The regenerator with Crosser baffles

2 優化結果及討論

2.1 原料性質

為了考察格柵加入前后再生器再生效果的變化，需要保證催化裂化過程所采用的原料接近。格柵加入前后裝置原料的性質如表1所示。

表1 格柵加入前后反應器原料性質

由表1可以看,出格柵加入前后裝置原料中硫的質量分數為0.31%左右，原料密度為915 kg/m3左右，原料殘碳質量分數為3.0%左右。格柵加入后裝置原料的堿氮和總氮含量略有增加，金屬含量稍有減少。通過對比可以看出，格柵加入前后裝置原料性質總體相近。

2.2 平衡劑性質

平衡催化劑性質數據對比見表2。增加格柵前后的裝置采用高活性操作，控制催化劑活性大于65%，重金屬含量比格柵加入前稍有減少。增加格柵后，加強了燒焦強度，減少了催化劑的返混，尤其是杜絕了少量待生催化劑“走”短路，改善了以前再生劑中存在少量的黑色催化劑顆粒的現象，待生劑含碳量由0.11%減少至0.06%。

表2 格柵加入前后平衡催化劑性質對比

2.3 裝置操作條件

表3給出了加入格柵前后裝置主要操作參數的變化情況。由表3可以看出，格柵加入前后裝置的處理量都在230 t/h左右。格柵加入后裝置主風量稍有下降。因反應深度增加，停回煉油回煉，導致格柵加入后裝置反應溫度比之前增加了5.4 ℃。

再生器尾燃得到緩解，稀相溫度下降約20 ℃，產品分布好轉，汽油加液化氣收率增加了1.4個百分點，達到66.4 %。格柵的加入使得再生器內部氣泡的尺寸得到控制，使再生器內部氣泡變得較小，且分布均勻。這增大了氣泡和顆粒相的接觸概率，從而提高了相間傳質。而再生過程的控制步驟是相間傳質的，因此相間傳質速率的增加，能夠增大再生過程的表觀反應速率，進而提高了再生效率。再生效率的提高保證了較高的再生催化劑活性。因此，在相近的操作條件下，提高了催化裂化反應的反應轉化率，進而提高了輕質油和液化氣的收率。

表3 格柵加入前后裝置操作參數

2.4 再生密相溫差

再生器熱電偶的標高和方位如表4所示。其中稀相熱偶2支安裝在標高為41.62 m處，密相熱偶8支分別安裝在標高為28、 26.5 m處。格柵安裝在標高為24.7 m處。取相同高度熱偶所測溫度的方差來表示床層流化均勻情況。

圖5給出了格柵加入前后溫度方差的變化趨勢。通過圖5可以看出，同一標高處徑向溫度的方差在格柵加入后均有所下降。其中稀相兩支熱偶的平均方差由16.2 ℃減小至4.7 ℃。

表4 再生器熱電偶方位和標高

圖5 溫度方差變化趨勢Fig.5 Trend of temperature variance

2.5 再生劑含碳量

圖6是格柵加入前后再生劑含碳量的變化趨勢圖。由圖可以看出，在格柵加入前，再生劑含碳量大于0.1%；而格柵加入后，再生劑含碳量變為0.06%左右。再生劑含碳量的降低表明格柵的加入能夠有效的提高再生器的再生效率。

2.6 尾燃和助燃劑用量

圖7是格柵加入前后稀相溫度和稀密相溫差的變化趨勢圖。從圖7可以看出，安裝格柵后稀相平均溫度從719.8 ℃降低至700.9 ℃，稀密相平均溫差從28.6 ℃減小至17.6 ℃，稀相尾燃明顯緩解。格柵加入后，每噸原料助燃劑的用量從33.2 g減少至22.3 g。按照這個比例計算，中國石化石家莊煉化公司催化裂化再生器每年可以節約340萬元的助燃劑。

圖6 格柵加入前后再生劑含碳量變化趨勢Fig.6 Changing tendency of regenerated catalyst carbon contention before and after the modification

格柵的加入使得再生器內部氣泡的尺寸得到控制，減小了較大氣泡存在的可能性。氣泡尺寸的減小能夠有效地增加氣、固兩相間的相間傳質。由于再生反應過程相間傳質是主要的反應控制步驟，因此，增加相間傳質能夠有效地增加再生反應的表觀反應速率，進而減少助燃劑的用量。

圖7 稀相溫度和稀密相溫差Fig.7 The temperature difference between the dilute phase and the dense phase

3 結論

通過在中國石化石家莊煉化催化裂化再生器內引入中國石油大學(北京)開發的Crosser格柵，降低了催化裂化再生器助燃劑的用量，提高了再生器的再生效率。通過對比格柵加入前后再生器關操作條件的變化可以得出以下結論：

1)通過加入格柵可以使得催化裂化再生器稀、密相同一徑向溫度方差減小50%左右；

2)通過加入格柵可以使得催化裂化再生器再生劑的含碳量從大于0.1%減小至到0.06%左右；

3)格柵的加入使得催化裂化再生器的稀相尾燃現象得到明顯緩解，進而減少了裝置的助燃劑用量，年經濟效益約為340萬元。