重油催化裂化裝置結焦問題及降低措施研究

霍彥斌 閆麗瑩

（中國石油天然氣股份有限公司 玉門油田分公司煉油化工總廠催化車間，甘肅 玉門 735200）

1 前言

在石油煉化生產中，重油催化裂化裝置故障對生產安全和生產效益帶來很多影響。裝置結焦的問題是突出的故障類型。對重油催化裂化裝置進行結焦問題分析，是制定和優化措施的重要前提。

2 裝置結焦類型及焦炭生產途徑

重油催化裂化裝置反應器以同軸方式排列。反應器采用燒焦的方式，提升管出口為旋風分離器，減速機頂部為防焦蒸汽。裝置運行中，因溫度、原料狀態、停留時間等因素的影響導致沉降器等設備內部產生結焦，隨著結焦積累逐漸蔓延到更多部位，形成大型結焦現象。結焦的類型主要包括兩種，一種是軟焦，一種是硬焦。軟焦一般呈現黑灰色，整體結構松散，容易碎，內部結構一般為層狀結構，有孔隙。軟焦含有大量的催化劑顆粒，當催化裂化反應發生時，催化劑顆粒和重組組分在油氣中會發生冷凝縮合，繼而形成軟焦。在重油催化裂化裝置中，軟焦的結焦面積較大，在沒有空間約束的情況下會形成很大的焦塊。硬焦的表面顏色一般是黑色，有光澤，整體結構致密堅硬。硬焦含有很少的催化劑顆粒，主要是連成一體的碳，催化劑顆粒位于碳體之間。在重油催化裂化裝置中，硬焦一般存在于催化劑濃度較低的部位，尤其是油氣流速較高的位置，這些位置顆粒擴散性強。硬焦主要是油氣液滴和催化劑顆粒粘附在設備內壁，隨著不斷沉積逐漸形成硬焦。很多硬焦是由軟焦逐漸硬化形成的。

焦炭的產生主要是油氣和催化劑之間的反應導致，反應包括液相反應和氣相反應，不同的反應得到的焦炭種類不同。如烴類在催化劑活性中心反應形成催化焦，這種焦炭的特點是氫和碳的質量比較低；膠質和瀝青質等多環芳香烴化合物在催化劑表面發生脫氫反應形成附加焦，由焦化物前身縮合而得到焦炭；在汽提塔中因為反應不完全導致催化劑和重組烴發生反應形成可汽提焦炭，這種焦炭的特點是氫和碳的質量比較高；在催化劑表面上的重金屬與油氣發生反應形成污染焦，這種焦炭隨著油氣脫氫冷凝形成。

3 重油催化裂化裝置結焦原理及原因

重油催化裂化裝置結焦問題的解決離不開結焦原理分析。一般情況下，形成結焦的機理包括三類。第一種是由自由基反應形成的。在重油催化裂化的過程中，因汽油、水蒸氣、烴類等物質相互反應，在重油催化裂化沉降器中很容易引發自由基鏈反應，隨著自由基鏈的反應的進行，聚合物在高溫條件下縮合，逐漸沉積在設備上，造成裝置結焦。第二種是由相分離形成的。根據石油具有的膠體分散性特質，導致石油體系主要由油質、膠質、瀝青、碳質構成。隨著重油催化裂化反應進程，隨著熱量的傳遞轉化導致重油液相體系中的膠體相發生分離，造成裝置結焦的問題。第三種是由液相重組分縮合形成的。在重油催化裂化過程中，原料重組分存在未完全氣化的情況，這種情況下在催化劑作用下，原料重組分容易發生縮合沉淀，導致裝置出現結焦問題[1]。在重油催化裂化裝置中，上述三種類型一般并不是單一體現，而是相結合的體現。

重油催化裂化裝置主要設備是反應器，采用的技術為MIP 技術，主要包括提升管、沉降器、分離器等設備部件。在對重油催化裂化裝置結焦問題進行原因分析的過程中，對設備進行實際檢修，發現結焦情況嚴重的部位包括提升管噴嘴、待生協管、沉降器、管道、油氣大管線。針對上述結焦情況嚴重的部位進行檢查，分析結焦形成原因。（1）對提升管噴嘴檢修時發現結焦類型主要是硬焦，重組分中的膠質、瀝青含量較多。提升管內焦層厚度逐漸增加，隨之管徑逐漸縮小，甚至堵死，嚴重影響提升管作用的正常發揮。造成結焦的原因包括：一是選擇提升管噴嘴時存在不合理的地方，噴嘴管徑不當導致裝置運行工況不佳，容易發生結焦堵塞的問題，影響生產安全和效率。二是反應過程中原料和催化劑二者未充分接觸，繼而導致反應不完全。三是在反應過程中，參數調控不當。如反應溫度偏低、原料配比不合理、油劑比配置不當、霧化參數不合理等。這些因素都會導致提升管噴嘴結焦問題出現，在實際生產中，根據具體情況合理選擇適當的噴嘴型號、對反應溫度、油劑比等生產參數條件進行科學調控，可防止提升管噴嘴結焦問題。（2）待生協管結焦是導致重油催化裂化裝置停工的重要因素。造成該部位結焦的原因主要是鈍化劑使用不當。當鈍化劑使用超過合理用量時，大量的鈍化劑會對待生協管催化劑的流動狀態造成影響，鈍化劑超過飽和度后析出，會與催化劑中的物質結合，造成結焦。在實際生產中，控制鈍化劑使用量，保證鈍化劑使用科學合理能避免待生協管結焦問題出現。（3）在重油催化裂化裝置中，管道結焦突出的部位是閥后管，由于MIP 循環閥開度較小，因此在裝置運行時，閥后管道部位容易出現油氣滯留的情況。當油氣中攜帶的催化劑不斷滯留集聚，就容易在管道內部形成結焦問題。閥后管道內結焦的類型一般以軟焦為主。實際生產中，可將蒸汽輸送量適當調高，通過提高蒸汽量增加管道通暢性，避免油氣和催化劑在閥后管道內滯留，減少管道內結焦情況出現幾率。（4）沉降器結焦是重油催化裂化裝置中結焦危害性最大的一類，結焦的程度較深而且清理起來難度很大，因此對生產造成危害最大。沉降器結焦的部位主要集中在沉降器內部、沉降器組成構件上。結焦的原理集合了自由基反應、相分離、液相重組分縮合三種類型，因原料重組分或催化劑停留引發，或者油氣烯烴聚合反應引發，或是重組分縮合反應引發而形成結焦。沉降器結焦應從沉降器裝置結構方面進行改造，認真做好反應器檢修，保證沉降器運行工況良好，避免結焦問題加劇。（5）在重油催化裂化裝置中，反應器頂部的油氣大管線中是容易結焦的部位，該部位結焦類型主要是硬焦，檢修時會發現結焦形狀呈層狀分布。隨著結焦層厚度的增加，催化裂化反應裝置中的物料流通速度將減慢，對于相關聯的設備的運行工況帶來不利影響，使催化裂化裝置整體運行穩定性和可靠性降低。

4 降低重油催化裂化裝置結焦的措施

一方面，對重油催化裂化裝置進行設備結構優化。（1）提高裝置設備的防結焦性能。圍繞重油催化裂化裝置對設備進行改造，具體包括：沉降器改造為單級高效旋風分離器，內部結構為集氣室結構；在汽提環節采用多段高效汽提裝置，增加汽提效率；將放焦蒸汽噴嘴進行改造，該造為二級孔結構，進一步增強防結焦效果。（2）對大油氣管道進行改造。大油氣管道的保溫效果是影響結焦的因素。為了達到較好的保溫效果，對大油氣管線進行結構優化，減少管線的有效內徑。管線內部采用冷壁結構，有效減少散熱速率，降低熱量損失。通過減小管線有效內徑，有效提升大油氣管線內介質流速，通過縮短介質滯留在管道內的時間，減緩管道溫度降低速率，起到更好的大油氣管線保溫效果[2]。（3）對分餾塔設備進行結構改造。通過改造分餾塔設備，減少催化劑和焦炭沉積死區，減少結焦問題發生。在分餾塔底部設置環狀的盤管，盤管上分布有小孔，孔的直徑在1.5 厘米，開孔位置為外部45 度，孔的方向為斜下向內。在油漿下部設置攪動裝置對油漿進行攪動引流。對分餾塔底部的阻焦器高度進行提升，通過提高阻焦器高度，更有利于阻擋結焦物質。

另一方面，對生產工藝條件進行調控，對生產工藝參數進行優化。（1）終止劑在注入后經常會出現沉降器等設備結焦問題。為了避免結焦，除了對提升管噴嘴進行改造以外，對終止劑進行合理控制。使用水作為終止劑可有效增加產品收率，而且可以使反應沉降器和大油氣管道中的水蒸氣分壓，有利于促進反應進行。同時，以水作為終止劑可以降低設備內容易發生結焦部位的露點溫度，阻礙結焦形成。（2）采用嚴格規范的生產操作規程。在重油催化裂化生產中，各個崗位人員的操作必須嚴格按照生產規程中的方法進行操作，確保單程生產中物料的轉化率，通過促進反應轉化效率減少焦炭形成，避免結焦問題發生。（3）對物料進料溫度進行嚴格控制。如對物料混合參數進行嚴格把控，保證物料混合后黏度指標在合理范圍內，保證噴嘴霧化效果最佳，避免結焦形成。（4）嚴格控制霧化蒸氣量。除了對水蒸氣的霧化效果進行優化外，應結合進料情況控制注入水蒸氣的量，減少油壓，為重油催化裂化反應創建有利的氣化和裂化條件，促進物料充分反應有效反應，降低結焦發生概率。（5）對提升裝置運行速度進行控制。在設備進料前，設置一定的提升段，加速熱催化劑的運行，促進進料油傳熱速率，形成良好的熱初始反應。生產過程中對催化劑密度進行嚴格控制，保證催化劑形成均勻向上的流動態，避免催化劑返混情況出現以及催化劑被液體穿透的情況。在長預提升段，控制催化劑密度，降低再生線路運行阻力，提升設備運行效率。

5 結語

綜上所述，隨著對重油催化裂化裝置結焦問題的日益重視，對重油催化裂化裝置結焦的原理和原因進行分析，采取合理對策，提升裝置系統運行流暢性和安全性，使結焦問題得到科學防控。