重油催化裂化裝置煙機結垢原因分析及長周期運行措施

張燕文 李剛 張利國 程誠

摘 要：煙氣輪機（以下簡稱煙機）作為重油催化裂化裝置中主要的能量回收設備，可將煙氣含有的熱量轉化為機械能發電，是當前國內外催化裂化裝置回收能量的最有效方法。它的平穩運行與否直接關系到整個機組乃至整個裝置的生產安全。隨著裝置檢修周期的延長，對煙氣輪機的長周期要求也越來越高，因此，煙氣輪機長周期高效運行越來越受各個石化企業的高度重。其中煙氣輪機結垢，成為影響催化裂化裝置長周期運行的主要問題。本文主要根據本裝置煙機運行情況，分析了煙機結垢的原因并提出了預防措施。

關鍵詞：催化裂化;煙機;結垢

0 前言

煙機結垢在故障里占主要比例，如果將部分葉片斷裂與結垢相關聯，煙機故障與結垢的直接間接原因占70%以上。大機組內煙氣輪機的結垢問題是影響裝置運行的主要因素之一。

1 裝置簡介及煙機運行工況

某石化公司280萬t/a催化裂化裝置采用燒焦罐加二密相的完全再生燒焦方式，正常操作時主風量控制在330000m3/h-350000m3/h之間，再生器稀相采用18組兩級PLY旋風分離器，一級旋風器入口線速控制在18m/s左右，二級旋風器入口線速控制在20m/s左右，可控制再生煙氣三旋入口粉塵濃度在400mg/m3以下。再生器煙氣出口采用立管式三級旋風分離器，由108根旋風單管組成，三旋出口的濃度可控制在100-120mg/m3之間，煙機入口粉塵濃度較低。煙氣輪機--主風機能量回收機組中煙機為YL-30000A型煙氣輪機。該煙機為軸向進氣，垂直向上排氣。轉子結構為單級輪盤、懸臂結構。煙機輪盤設有前后兩路冷卻蒸汽，冷卻蒸汽采用250℃以上的1.0MPa低壓蒸汽，輪盤冷卻蒸汽量控制1200kg/h，輪盤溫度控制在300-350℃之間。

2020年3月23日本裝置主風機組運行時間達到運行周期，累計運行13152h，未發生類似煙機結垢引起的煙機振動大等現象。按計劃3月24日煙機正式開始檢修。

煙機檢修解體開蓋后組織對動靜葉片的結垢情況和部分結垢物進行認真分析。煙機解體后，收集的靜葉片結垢物呈片狀，有明顯的吹蝕狀，停機后附著力較弱，可輕松剝離，整個靜葉片上結垢不多，不影響流道面積;動葉片表面流道外緣處有輕微結垢，垢層較酥脆，可用手剝離;在動葉片齒根部有質地較為堅硬的垢層，呈玻璃晶體燒結狀，附著力較強。通過檢修來看在煙機運行全周期期間本裝置只有輕微結垢，未對煙機運行工況造成影響。

2 結垢原因分析

主要原因：煙機結垢的主要原因在于三旋出口煙氣中含有較高濃度<3μm超細粉催化劑顆粒，這些超細粉顆粒在煙機入口環境下，與葉輪根部、圍帶等部位發生高速碰撞，在各種因素的綜合作用下結垢。

煙氣中超細粉含量高的原因在于：①新鮮催化劑顆粒形態不佳（微觀檢查存在超細顆粒粘連、大顆粒空心等問題）、新鮮催化劑中細粉含量較高、催化劑顆粒強度低導致使用過程中產生大量超細粉;②MIP工藝本身相應添加較高比例的擇形分子篩專用催化劑，反再系統中水蒸汽含量較高，上述情況催化劑顆粒容易熱崩破損，從而產生大量<3μm的超細粉顆粒;③一、二級旋風系統故障、效率低、負荷過高及排料不暢等問題容易增加三旋粉塵負荷，導致進入煙機的煙氣中催化劑微粉濃度升高;④再生器催化劑跑損，三旋無法回收的細粉進入煙機，造成煙機動靜葉片迅速結垢;⑤兩種劑或新舊劑磨損強度有差異，在系統混合使用過程當中，催化劑破損量增加，細粉、超細粉含量增多;⑥三旋分離效果不好，煙氣細粉含量增加，也會加速結垢;⑦外取管束泄漏對催化劑產生沖擊導致細粉和微粉增加;⑧催化劑理化性質不合格導致微粉增加，或導致一些裝置流化異常，催化劑磨損加劇;⑨主風分布板、分布管等設計不合理或損壞導致床層偏流，造成催化劑磨損加劇或影響旋風料腿排料。

其他原因：①原料中的鈣、鐵、磷元素金屬離子在催化劑的表面及孔道中富集，加速了催化劑細粉的靜電吸附作用，在SOx的作用下易形成低熔點的硫酸鈣化合物，加之催化劑粉塵媒介的作用，造成煙機結垢;②催化劑表面來不及燃燒的殘炭與低熔點的共晶物，在高溫狀態下，容易與催化劑細粉在煙機葉片表面集結而形成極具黏附力的垢;③再生器燒焦效果下降，焦碳附著在催化劑表面隨催化劑細粉進入煙機，加速垢的生成;④煙機輪盤蒸汽溫度控制不好，造成蒸汽帶水，加速煙氣中夾帶的粉塵沉積在煙氣流道中;⑤進料噴嘴、預提升蒸汽量控制等方面異常導致超線速，造成催化劑磨損破碎。

3 本裝置預防煙機結垢的措施

3.1 建立和完善超細粉檢測

三旋進、出口煙氣均設置在線粉塵檢測儀表，對煙機入口超細粉含量開展在線檢測;每周一次定期手工采樣以校驗在線分析儀表;建立煙機入口催化劑濃度及篩分臺帳，重點監控<3μm、<5μm、<10μm超細粉含量及比例。

3.2 建立新鮮催化劑入廠質量臺帳

對每批次新鮮劑的篩分（尤其是<20μm的細粉含量）、活性、磨損指數等指標進行分析，并與供貨商的質量報告比對。當發現煙機入口<3μm超細粉濃度或比例異常變化時，對該批次新鮮劑外圍增加顆粒顯微觀察，以輔助檢查新鮮催化劑的顆粒形態。

3.3 強化催化劑、助劑管理

嚴格控制催化劑混用，尤其減少不同顆粒強度催化劑的混用，以減少相互磨損產生超細粉。比如丙烯助劑、復活劑等使用要嚴格計算加注量。

3.4 優化煙機運行狀況

保證煙機輪盤蒸汽品質，避免水蒸汽中含有Ca、Mg、Fe、Na等化合物雜質;確保煙機輪盤冷卻蒸汽過熱度，最好達到250℃以上;加強煙道催化劑顆粒激光在線監測系統運行數據的監控，控制指標不大于150mg/m3。一旦發生三旋出口催化劑顆粒濃度超標的現象，要及時關小煙機入口蝶閥，直至全關，采取相應的調整保護措施，確保機組安全。

3.5 優化再生器操作

操作中避免再生密相超溫、稀相尾燃、避免內外取管束泄漏、減少主風事故蒸汽量，以減少催化劑因遇水熱崩而產生超細粉塵。摸索合理的主風用量，主風量過高將導致旋風分離器線速過高偏離工作性能曲線，形成二次夾帶，導致其效率下降;同時線速過高也易造成催化劑磨損，進而影響煙機入口顆粒濃度。

3.6 加強常減壓裝置電脫鹽操作管理

嚴格控制脫后含鹽量小于3mg/l，催化原料含鹽量小于6mg/l;降低催化裝置原料中的金屬，特別是鈣、鐵、鈉離子的含量。

3.7 嚴格控制煙機入口粉塵濃度

定期測算稀密相等各部位線速和密度，保證床層流化均勻穩定;控制煙機入口粉塵濃度低于150mg/m3，其中>10μm的顆粒不操過3%。

3.8 維持平穩操作，減少操作波動

控制穩定的裝置進料量、進料品質，合理調整和控制反再系統操作料位、操作溫度及壓力，減少裝置工藝操作的波動;在調整操作時保證再生器壓力緩慢變化，保證旋風分離效果，防止造成催化劑的跑損和再生器內部構件的損壞使催化劑跑損增加，保證旋風分離器高效運行。

3.9 降低煙氣中的CO含量

本裝置采用完全再生燒焦方式，再生煙氣中的CO含量基本為零，降低了催化劑在煙機上結垢的概率。

3.10 事故狀態下的應急處置

當裝置催化劑跑損嚴重或發生催化劑突發性跑損，三級旋風分離器出口煙氣粉塵超標時及時調整操作，關小煙機入口蝶閥開度，必要時切除煙氣輪機。

4 結論

通過對催化裂化裝置的優化操作，消除了煙機異常結垢，本檢修周期內，未發生異常結垢，說明對煙機結垢的控制措施有效。

參考文獻：

[1]張可偉，王建軍，易軼虎.催化裂化典型故障分析100例[M].北京：中國石化出版社，2019.

[2]許昀，朱玉霞，田輝平，等.催化裂化裝置煙機結垢原因的探索[J].工業催化，2010，18（3）;56-57.

[3]石油煉制與化工編輯部譯.流化催化裂化手冊（第二版）[M].北京：中國石化出版社，2002.