催化裂化油漿系統運行分析及優化措施

彭國峰，黃富，沈興，殷嘉鵬

（1.中國石油四川石化有限責任公司，四川成都611930；2.中國石油呼和浩特石化公司，內蒙古呼和浩特010070）

催化裂化裝置的催化裂化油漿（簡稱催化油漿）系統容易結焦，造成裝置能耗增加、裝置處理能力降低、系統熱平衡遭破壞，嚴重時會造成油漿輸送系統、換熱系統堵塞，致使裝置停車清垢［1］。分餾塔底、分餾塔盤、油漿泵和油漿換熱器等設備易發生結焦，原因是原料性質、油漿化學組成、催化劑含量、油漿流速、分餾塔底溫度、停留時間以及操作平穩性等。油漿中多環芳烴和烯烴和原料中金屬的含量增加等均會增加油漿生焦傾向［2］。

文中對某重油催化裂化裝置的油漿組成和其它參數進行分析，探討了結焦的成因及影響因素，制定防范措施，有效抑制了油漿系統的結焦。

1 油漿基本性質

某重油催化裂化裝置原料為經過渣油加氫精制而成的減壓渣油。催化油漿密度1 097 kg/m3、殘炭為15.21%，膠質和瀝青質含量為19.1%，油漿中固體顆粒含量達到5.8 g/L，灰分含量0.301%，灰分主要是無法燒盡的催化劑成分，因此油漿主要特點為密度大、殘碳高、芳烴含量較高、膠質和瀝青質含量較高，飽和烴含量較少。催化劑顆粒成為結焦中心，吸附、富集稠環芳烴等大分子有機物。油漿中的有機物聚集成團，成為易被極性基團覆蓋的大分子幾何體，與無機物粘附、聚結、沉降，形成無機、有機混合物的結焦物質。油漿性質和組分見表1、2。

表1催化油漿和原料基本性質和餾程

表2油漿4組分

2 油漿結焦機理

油漿中鋁和硅含量較高，分別為270μg/g、212.1μg/g，主要是沉降器反應油氣帶來的催化劑成分，催化油漿C/H為10。催化裂化反應油氣中含有的催化劑細粉，進入分餾塔經分餾塔底油漿沖洗后會留在分餾塔底或隨油漿循環到換熱器中及油漿管線中。油漿結焦主要有3種方式：（1）油漿中多環芳烴、膠質及瀝青質在較高溫度及油漿中過渡金屬催化作用下會發生脫氫縮合反應；（2）分餾塔底溫度較高，油漿中烴類發生熱裂化反應生成烯烴、二烯烴，通過自由基鏈反應，停留時間越長，自由基越來越多，縮聚反應越顯著，多環芳烴、瀝青質、膠紙結焦趨勢顯著；（3）油漿主要為大分子有機物組成，凝點為18.03℃，易冷凝結焦。

3 油漿結焦原因分析

3.1 催化劑

3.1.1 催化劑的氫轉移反應活性催化劑氫轉移反應活性會影響產物中高沸點不飽和烴和芳烴的含量。氫轉移反應是由不飽和烴參與的雙分子反應，烯烴一方面作為氫的接受者生成飽和物，另一方面作為氫的給出者，本身成為正碳離子或不飽和物。奪氫分子奪取1個氫，生成不飽和度減少的分子，供氫分子失去氫，生成不飽和度增加的分子，最終生成富氫的飽和烴和缺氫的環烯烴、芳烴、多環芳烴、縮合多環芳烴等結焦母體，其吸附催化劑顆粒表面上為結焦提供了可能［3，4］。

3.1.2 催化劑的機械強度、球形度、篩分組成等參數油漿中硅鋁含量高達270μg/g和212.1μg/g，說明油漿結焦與催化劑細粉含量有關。機械強度弱、球形度差的催化劑易磨損產生＜5μm的細粉，沉降器旋分分離器難以分離，隨高溫油氣進入分餾塔，造成油漿中結焦中心增多，結焦趨勢增強。

3.2 操作條件

3.2.1 溫度分餾塔底溫度高是結焦的直接原因。分餾塔底液相溫度高，將塔底輕質油氣組分汽化分離，增加輕質油收率。油漿中飽和烴較少，其大量芳烴、烯烴進一步縮合成膠質、瀝青質，部分膠質又轉化為瀝青質，造成結焦傾向加劇。

3.2.2 流速油漿流速過低不能充分攜帶油漿中懸浮催化劑及無機物顆粒，造成顆粒物容易沉積而加劇結焦。油漿中固體含量越高，與大分子有機物越容易接觸而發生聚合、縮合反應，尤其在分餾塔底等攪拌蒸汽、攪拌油漿作用不均勻的死區或者在流速較低的油漿管道等區域容易沉降、結焦。在反應器催化劑跑損嚴重和油漿外甩量較小時，會明顯加快結焦。

為使油漿循環系統不結焦，油漿在管道中的流速應不低于1.2 m/s，在換熱器的管程內宜控制在1.0 m/s以上。該催化裝置油漿外甩冷卻器流速僅為0.787 m/s，因此非常容易結焦而堵塞管線。

3.3 密度和固含

油漿密度可間接反映其組成和殘炭等性質，通過調節油漿外甩量和反應深度可控制其密度。

油漿中固體含量包括催化劑顆粒和焦粒，固含高會造成嚴重結焦和對設備管線的摩擦損傷。

3.4 停留時間

將油漿循環量控制在666.7 t/h左右，分餾塔底液位控制在30%～40%，較低的液位利于催化分餾塔長周期運行，低停留時間可以減少結焦。分餾塔底在不同液位下得到油漿停留時間見表3。

表3油漿停留時間

4 防止油漿結焦優化措施

4.1 選用合理的催化劑及反應深度

控制好催化劑的反應傾向，盡量減小氫轉移反應，減少富氫的飽和烴和缺氫的環烯烴、芳烴、多環芳烴、縮合多環芳烴等結焦母體生成同時通過反應深度控制好油漿的密度、固含是減少系統結焦的根本。同時選擇催化劑的機械強度、球形度、篩分等參數，減少細粉的產生，減少油漿系統細粉夾帶量。該催化裂化裝置選擇催化劑磨損指數一般不大于1.8%。

4.2 加注阻垢劑

油漿阻垢劑阻止了油漿結焦。催化裝置油漿阻垢劑加入比例為200 mg/kg（相對外甩油漿）,其為多功能復合添加劑，主要具有以下3個功能：

（1）分散作用，阻止油漿中的催化劑細粉顆粒的凝聚，沉積，使其由原來相對靜止狀態改變為相對游離狀態，防止其沉積成垢物；（2）防止氧化作用，烴自由基氧化后與油漿阻垢劑反應生成惰性分子，終止鏈反應，不能聚合成更大分子；（3）阻止烴類分子反應聚合結垢。

4.3 控制油漿最大循環量，采用較低的塔底溫度

加大油漿循環量，增大循環油漿線速、降低分餾塔底停留時間。通過調控油漿上、下返塔流量，可保證油漿下返塔對分餾塔底的攪拌降溫作用，保證上返塔油漿對反應油氣起到脫過熱洗滌作用，防止結焦現象后移。

該催化裝置實行油漿系統最大循環量控制，加大油漿下返塔循環量以控制較低的塔底溫度，在保證油漿對反應油氣脫過熱洗滌情況下，將分餾塔底溫度控制在335℃以下，控制油漿上返塔流量不低于360 t/h，油漿下返塔實施最大流量控制且流量不低于300 t/h。外甩油漿量控制在16 t/h，盡量提高油漿在換熱器、管線中的線速。

4.4 提高流速，換熱器盡量只走冷路

為了使油漿循環系統的管道和設備不結焦，油漿在管道中的流速應不低于1.0 m/s。換熱器的副線啟用應當慎重，確保油漿換熱器內流速不低于1 m/s，避免油漿在換熱過程中，由于油溫降低，粘度增大而結焦。由于催化外甩換熱器設計不夠合理，油漿在換熱器中流速僅為0.787 m/s。2017年10月，催化外甩換熱器出現過結焦堵塞情況，計劃在油漿外甩冷卻器后增設1條管線至油漿返塔循環線上，提高油漿外甩換熱器線速。

4.5 油漿換熱器設置沖洗油系統

油漿換熱器和油漿泵出入口閥在長期運轉過程中存在部分截流現象，為避免油漿活動區域死區、緩區內結焦，該催化裝置在循環油漿換熱器以及外甩油漿換熱器等部位設有柴油沖洗油線，柴油能夠溶解油漿中瀝青質、膠質以及軟焦等。油漿系統發生結焦時，可以打入柴油沖洗油。2017年10月份，外甩油漿換熱器因長時間線速較低而結焦，外甩油漿量在4 h內從16 t/h降低至4 t/h，且流速下降加快，采取打入柴油沖洗油等方法解決了外甩油漿換熱器結焦問題，恢復正常生產。

4.6 調節油漿外甩量

油漿中催化劑通過油漿外甩排出，能夠減輕油漿系統結焦。該催化裝置油漿外甩量為18 t/h，控制外甩6.0±0.5%。同時，定期分析油漿中飽和烴含量，控制油漿中飽和烴含量低于20%。

4.7 合理利用攪拌油漿和攪拌蒸汽

通過打入攪拌油漿和攪拌蒸汽可以迅速降低塔底溫度和形成擾動，防止不溶物粘在管壁和塔壁形成流動死區，防止催化劑顆粒沉積，堵塞塔底油漿濾焦器。分餾塔底攪拌蒸汽一般為1.8 t/h。

4.8 控制外甩油漿溫度較高

外甩油漿溫度一般控制在80～90℃之間，其溫度過高過低均容易造成結焦。該催化裝置油漿溫度一般控制在88℃左右，稍高的溫度不僅有利于節能，同時由于油漿主要為大分子有機混合物，高溫不易造成油漿組分凝固。

4.9 投用油漿過濾器

催化油漿中固體顆粒物質含量一般為5 g/L以上，固體顆粒為結焦核心，容易引發油漿系統結焦和沉積。該催化裝置采用全自動油漿過濾器能夠使油漿灰分去除率高達90%以上［5］，是在線減少油漿固體含量和催化劑顆粒的先進方法，也是產生較好油漿產品的有效措施，能顯著改善后路油漿系統以及油漿后續加工產生的結焦問題。

5 結束語

通過選用結構堅固球形分子篩催化劑，控制粒度分布，達到減少油漿中催化劑細粉；控制分餾塔底液位35%，外甩油漿收率6%，控制油漿飽和烴含量為20%，調整循環油漿量大于667 t/h，控制油漿系統線速大于1.0 m/s，注入油漿阻垢劑，投用油漿過濾器等，合理使用攪拌油漿和攪拌蒸汽等，保持油漿系統良好運行，生產長期趨于穩定。