催化裂化裝置催化劑跑損診斷方法

郭翠翠，李 正，張金慶，趙振華

(青島惠城環保科技股份有限公司，山東 青島 266555)

在石油煉制加工過程中，催化裂化工藝是將重質油轉化為輕質油的重要二次加工工藝，催化裂化裝置可為燃料型煉廠提供約80%的汽油及30%的柴油產品[1]，此外在有機化工原料丙烯相對短缺的情況下，催化裂化裝置還可提供約28%的丙烯[2]，因而催化裂化裝置長期穩定高效運行是保障煉油廠經濟效益的重要因素。

催化劑跑損是催化裂化裝置常見的故障，若沉降器發生跑劑會影響油漿系統的安全運行，增加油漿換熱設備結焦的概率，降低換熱效率，還會使油漿泵和油漿管線磨損增加，油漿系統的停運風險增加[3]，此外油漿中細粉含量增加會降低油漿產品價格；若再生器發生跑劑，則易引起煙機結垢和振動異常，增加煙機停運風險，當催化劑沉積在余熱鍋爐上，會引起換熱效率降低和吹灰次數增加，還會使布袋除塵、煙氣脫硫等裝置的細粉收集量增加，增加其運行壓力[4-5]，催化劑顆粒進入煙囪中還會引起污染大氣。催化劑跑損嚴重，裝置系統內催化劑藏量難以維持，使加工量和產品收率降低。總之，催化劑跑損不僅降低了催化裂化裝置的經濟效益，還直接影響催化裂化裝置的安全及長周期運行，裝置跑劑嚴重時甚至需要停工進行處理。因而快速準確的找到催化劑跑損的原因，減少催化劑的跑損，對保障催化裂化裝置安全穩定運行具有重要意義。本文主要介紹催化裂化裝置催化劑跑損診斷方法。

1 催化劑跑損現象

催化裂化裝置反再部分屬于流化床反應器，裝置內的平衡劑粒徑分布在(0～150)μm范圍內，平均粒徑約70 μm。(0～40)μm范圍內的通常稱為細粉，在催化裂化正常生產時，由于催化劑高速流化，與器壁以及催化劑顆粒間的相互摩擦會不斷產生催化劑細粉顆粒。在催化裂化裝置反再系統內，將油氣或煙氣與催化劑顆粒進行分離，并將催化劑顆粒保留在系統內主要由旋風分離器完成，反應器和再生器的兩級旋風分離器通常能夠回收產品和煙氣所攜帶的99.995%以上的催化劑粉末，因旋風分離器的分離效率不能達到100%，無法對催化劑細粉進行完全回收，因而催化劑會不可避免的發生自然跑損，不同工藝和裝置的催化劑自然跑損量不同，正常生產情況下，自然跑損量在0.6 kg·t-1以內，有的裝置可控制在0.4 kg·t-1以內。

在反再系統中當催化劑發生大量跑損時，催化劑一方面可以從沉降器跑損，通過反應油氣進入到分餾系統中；另一方面也可以從再生器跑損進入煙氣管道中[6]，因而由于操作原因或設備故障等因素造成催化劑跑損量異常增加時，可以通過以下幾個方面對跑劑是否增加進行判斷：

(1)當原料油性質和裝置操作未有較大調整時，油漿固含量和灰分增加，可說明催化劑從沉降器跑損增加。

(2)三旋入口煙氣粉塵濃度增加，三旋收集的細粉量增加，布袋除塵、脫硫裝置等收集的細粉量增加，可說明催化劑從再生器跑損增加。

(3)煙囪混濁程度增加，說明煙囪催化劑排放量增加，即催化劑從再生器跑損增加，通常直徑大于幾微米的催化劑顆粒對煙囪混濁程度影響較小，而直徑在(0.1～1.0)μm范圍內的顆粒對混濁程度的影響更大。

2 催化劑跑損診斷流程

催化劑跑損最直接相關的因素是催化劑，目前催化劑的常規取樣分析已經普遍，催化劑分析也易于實施和快速獲取結果，當催化劑出現跑損時，平衡劑、待生劑、三旋細粉、油漿中催化劑細粉等催化劑的粒度分布常會發生改變，尤其是(0～40)μm的細粉顆粒含量會發生變化，因此本文以催化劑粒度分布變化為出發點，總結國內外各類型催化裂化裝置出現的催化劑跑損問題，對跑損原因的進行匯總分析并分類整理，在此基礎上建立易于實施的催化劑跑損診斷方法，以快速高效的查找出跑劑原因。

影響催化劑跑損的因素眾多，主要可分為操作、催化劑、原料油、設備等方面因素[7]，本文催化劑跑損診斷方法首要基于以下三方面：平衡劑的粒度分布變化情況、催化劑跑損的位置和分析催化劑屬于磨損或破碎，然后以此三個方面的變化情況為起點再展開分析，催化劑跑損診斷的流程如圖1所示。

圖1 催化劑跑損診斷流程圖Figure 1 Flow chart of catalyst loss diagnosis

3 平衡劑中細粉減少的催化劑跑損診斷方法

當催化裂化裝置催化劑跑損增加，平衡劑中(0～40)μm的細粉顆粒減少，或確認催化劑磨損、破碎沒有明顯增加時，則在查找催化劑跑損原因時，應重點關注相應的旋風分離器等設備、操作方法或流化異常等方面可能造成的跑損增加。

3.1 沉降器、再生器工況

在催化裂化裝置中，從提升管裂化后的油氣與待生催化劑在沉降器內進行分離，沉降器內溫度一般為500 ℃左右，沉降器下方為汽提段，在重油催化裂化裝置的沉降器中易發生結焦，一般在沉降器頂設有防焦蒸汽以減少生焦，若沉降器中油氣停留時間過長或開工時操作不當會造成沉降器結焦增加，當焦塊掉落易造成沉降器內旋風分離器設備故障。

汽提后的待生劑進入再生器中在主風流化下進行高溫再生，待生劑上的焦炭在再生器中進行燒焦產生大量熱量，因而再生器中密相溫度一般為(680～690) ℃的高溫，此外再生器稀相段常易發生尾燃，使稀相溫度可達(700～710) ℃高溫，因再生器中催化劑藏量大、主風量大、溫度高，旋風分離器在長時間承受各種高溫和壓力負載、催化劑顆粒的沖蝕和摩擦，更易發生機械故障。

3.2 旋風分離器設備故障

催化裂化旋風分離器因長期處于高溫和大量催化劑顆粒流動沖蝕環境中，造成了旋風分離器在操作過程中易于出現各種各樣的故障，如器壁與翼閥的磨損、沖蝕與穿孔，料腿以及拉桿的斷裂，料腿堵塞，吊架變形斷裂等，這些故障導致旋風分離器效率降低并進而造成催化劑跑損[8]，常見的旋風分離器故障如下。

(1)旋風分離器料腿有裂縫或斷裂。導致旋分壓降降低，分離效率下降，裝置催化劑大量跑損，影響裝置的運行。

(2)翼閥失效。磨損、卡頓、閥板角度偏離等會造成翼閥失效，使料腿內料封高度偏高或偏低，二旋分離效率低，造成催化劑跑損加劇，當翼閥處于催化劑床層稀相段時，可采用提高料位掩蓋料腿翼閥操作來減輕跑損問題。

(3)旋風分離器器壁或集氣室有孔或裂縫時，泄露的氣體會進入到料腿并在其中上行，破壞催化劑在料腿中向下流動導致催化劑收集效率降低，這種情況在二級料腿中更容易發生，因為一級料腿中催化劑質量流量較大會防止氣體向料腿內倒竄。當旋風分離器翼閥失效或器壁、集氣室有孔或裂縫時，跑損的催化劑顆粒中粗顆粒增多，催化劑粒度分布也會變化，跑損的催化劑顆粒分布會呈現雙峰分布，出現一個粒徑值更大的峰值[9]。

(4)旋風分離器料腿因焦塊或脫落的襯里堵塞。旋風分離器內若發生襯里脫落或者焦塊脫落掉入旋風分離器料腿，會造成料腿翼閥閥板被卡，翼閥不能正常關閉，從翼閥處氣體發生倒竄，引起大量催化劑跑損。

3.3 裝置操作、催化劑流化等原因分析

當平衡劑中細粉減少的同時，沉降器或再生器催化劑跑損增加，除了分析旋風分離器等設備原因，還應關注裝置操作、催化劑流化方面的原因，尤其是在裝置開停工、晃電或操作大幅調整時，更易造成裝置催化劑跑損異常增加。

(1)裝置在開工和停工期間，由于各操作參數較正常運行時差別較大，旋風分離器工況不在正常操作范圍內，易造成催化劑大量跑損。此外裝置中催化劑流化狀態異常或突然流化終止都會影響旋風分離器的分離效率，從而加劇催化劑跑損。

(2)當裝置加工量大幅增加或減少，超出旋風分離器的設計范圍，入口線速過高或過低，都會造成旋分效率降低以及催化劑跑損增加。旋風分離器入口線速增大，會使旋風分離器壓降上升，料腿內催化劑高度上升，可能造成料腿催化劑下料不暢，引起催化劑大量跑損。

(3)操作壓力及料位高度的影響。如果反應或再生壓力波動大，會增加煙氣或油氣中催化劑細粉濃度，使催化劑跑損增加。因此，在正常操作中應盡量維持再生器、沉降器壓力穩定。此外催化劑床層高度越高，埋入催化劑部分的料腿就越深，旋分壓降增加，料腿內催化劑堆積增多，易引起催化劑跑損增大；其次，催化劑床層料位高度增漲，使稀相催化劑顆粒沉積高度減少，因而進入旋分器的催化劑顆粒增多，加劇催化劑跑損。

(4)當主風分布管/板損壞會導致再生器內催化劑流化異常，主要引起偏流，可以從兩側的溫差、壓降對比來判斷，當發生偏流時，催化劑跑損增加，因而再生器內應盡量保持催化劑密相催化劑密度大，稀相催化劑濃度小，以減少催化劑跑損。

4 平衡劑中細粉增多或不變的催化劑跑損診斷方法

當平衡劑中細粉含量增多或不變，沉降器和再生器的催化劑跑損增加時，應先關注新鮮劑、助劑等催化劑質量，催化劑的粒度分布、磨損指數和水熱穩定性決定了催化劑在使用過程中的耐高溫和耐磨性能，從而影響催化劑跑損。

催化劑磨損指數越低、催化劑顆粒球形度越好、顆粒表面越光滑，磨損產生的細粉量越少。耐磨性差的催化劑會在催化劑顆粒自身間以及與設備之間的運動過程中產生大量細粉，兩種磨損指數相差較大的催化劑在系統中流化碰撞和摩擦時，磨損指數高的催化劑會首先被磨碎，致使細粉的含量增加。此外催化劑濕度在一定程度上也會影響催化劑跑損，濕度大灼減高的催化劑加入系統后易熱崩碎裂，增大其損耗量，因此，生產催化劑過程中含水量不能太大，而且在儲備運輸過程中催化劑不能受潮。

當新鮮催化劑、助劑等質量良好，則需要通過掃描電鏡圖像觀察平衡劑顆粒的球形度和外觀，判斷催化劑細粉的屬于磨損或破碎造成，細粉顆粒表面比較光滑呈細小磨屑是由于催化劑磨損造成，而細粉顆粒呈碎礫且形態各異則是由于催化劑破碎造成[10]。

4.1 催化劑磨損原因分析

(1)主風及蒸汽量的影響。主風量的變化直接影響再生器內催化劑顆粒線速度，增加主風量會增加催化劑顆粒與顆粒間，以及顆粒與設備器壁間的碰撞磨蝕。如果再生器主風量或霧化、汽提等水蒸氣用量大幅增加，會使旋風分離器入口線速增加，造成催化劑從旋風分離器的跑損增加。操作中在保證再生器燒焦量最佳和使再生劑含炭量最低的前提下，應該盡量減少主風量及各種蒸汽和松動風量。此外主風過高、分布不均或者偏流會打破再生器內催化劑流化的穩定狀態，使旋風分離器料腿不能長期穩定在密相中，催化劑料封不能維持穩定，還會增加再生器尾燃，造成催化劑跑損增加。

(2)催化劑循環次數過高也會導致催化劑跑損，催化劑的循環次數越多，磨損越頻繁，產生的細粉越多，造成催化劑的跑損增加。

4.2 催化劑破碎原因分析

(1)原料油中的鈉和釩含量高會影響催化劑的穩定性。因為鈉與釩反應生成的釩酸鈉共熔物的熔點較低，共熔物使催化劑熱穩定性降低，在再生器操作溫度(650～700) ℃下會使催化劑發生破碎，造成催化劑跑損。此外原料油中帶水也會造成催化劑熱崩破碎，同時造成反應壓力波動。

(2)內外取熱管泄漏。取熱管如果發生泄漏，催化劑遇水熱崩造成細粉含量高，進而造成催化劑大量跑損。

(3)含水過多或緊急事故噴水降溫不僅會增加線速，而且會造成催化劑熱崩產生大量細粉，使催化劑跑損加劇。

(4)提升管底部預提升蒸汽環管、汽提蒸汽分布環等損壞會導致催化劑偏流，不能正常流化，并且損壞的噴嘴局部線速高，會擊碎催化劑顆粒，使催化劑細粉跑損量增加。

(5)噴嘴結焦導致線速過快，而線速度增加會導致催化劑磨損加重，此外噴嘴不對稱也會使催化劑在噴嘴處流化異常，使催化劑與提升管器壁的摩擦加劇。

(6)提升管底預提升蒸汽、噴嘴霧化蒸汽量過大時，蒸汽速度太高，會造成催化劑的崩碎，此外蒸汽量過大會破壞正常流化，易于形成渦流，導致催化劑磨損增加。

5 結 論

為從根本上解決催化劑跑損問題，針對催化劑跑損的機理和原因不同，首先應控制催化劑的非自然跑損，及時排除裝置的設備故障，操作嚴格規范等；其次要開發高質量、高強度的催化劑，減少磨損、破碎等引起的細粉增多，導致催化劑跑損；最后要通過優化工藝，提高旋分器旋分效率來減少催化劑跑損。

建立的催化劑跑損問題的診斷分析方法和流程，可以廣泛應用的于各種類型的催化裂化裝置的診斷流程，通過催化劑的粒度分布變化，有序的分析裝置操作條件、催化劑性質、原料油性質和設備相關問題等，可以全面、系統和快速的分析催化劑跑損的原因。