140萬t/a DCC裝置沉降器跑損催化劑分析

朱玉鎮,李維峰,葉樂,肖申瑋

(中國化工正和集團股份有限公司,山東 東營 257342)

DCC裝置原設計規模140萬t/a,于2008年1月正式奠基破土動工,DCC裝置2010年4月投產。沉降器與再生器采用同軸式布置,整個汽提段插入再生器中,反應器采用外置折疊式提升管,預提升段采用高效預提升結構,鋼徑為1 100 mm,襯里厚度為150 mm,預提升段長度3.5 m;提升管反應器鋼徑為1 300 mm,襯里厚度為150 mm,提升管進料段設6組進料霧化噴嘴,單排設置;提升管出口設2組粗旋快分,入口面積0.426 m2/組,沉降器設單級旋分器4組,入口面積0.19 m2/組。沉降器下設汽提段,汽提段共設8塊高效擋板和汽提蒸汽環,外襯100 mm 隔熱耐磨襯里。再生器為大小筒結構,下部為密相段,上部為稀相段,稀相鋼徑12.0 m(內徑11.7 m)、密相鋼徑9.0 m(內徑9.7 m),無龜甲網單層隔熱耐磨襯里厚度為150 mm,再生器內部有9組兩級PLY型旋風分離器、高效主風分布板、待生塞閥套筒及特殊設計的待生催化劑分配器、整流格柵、內取熱器、5組3.5 MPa飽和蒸汽和2組0.8 MPa飽和蒸汽的過熱盤管等。眾所周知,催化劑跑損是DCC裝置運行過程中一種經常出現且具有重大安全隱患的事件,會造成旋風分離器、三旋、煙機、油漿系統等設備的磨損,不利于裝置的長周期運行,進而影響企業效益[1]。

DCC裝置在本單位屬于承上啟下的核心裝置,所用硅酸鋁催化劑的粒徑在0～149 μm范圍內(下表為本裝置所用平衡劑篩分),催化劑粒徑<40 μm的顆粒為細粉,本裝置中,催化劑與原料油進行催化裂化反應后,經過旋風分離器將催化劑與反應后油氣進行分離,由于旋風分離器不能對細粉完全回收,反應油氣攜帶催化劑至分餾系統,再生煙氣攜帶催化劑至煙機,造成系統內催化劑損失。一般情況下,本裝置催化劑的單耗在1.3～1.5 kg/t(原料油),通過小型加料線補充新鮮催化劑,維持反-再系統藏量和催化劑的活性。造成催化劑大量跑損的原因主要有三方面:催化劑的理化性質不合格、生產工藝參數出現大幅度波動、旋風分離器出現故障。由此,一方面催化劑單耗增加,另一方面還會對設備造成磨損,甚至出現泄漏著火事故。當沉降器出現催化劑跑損時,表現為產品油漿固含量增加、分餾系統出現堵塞、產品油漿系統設備出現較大磨損;當再生器出現催化劑跑損時,表現為再生煙氣中細粉含量偏高、煙機轉子結垢、煙機振動升高,影響煙機的長周期運行,甚至會停工檢修處理,使公司經濟效益受損[2]。

1 催化劑跑損的判斷

在反-再系統中,催化劑可以從沉降器或者再生器跑損。沉降器跑損的催化劑會由反應油氣攜帶至分餾系統中,而再生器中跑損的催化劑由再生煙氣經煙道攜帶至三旋、煙機、余熱鍋爐和煙氣脫硫脫硝系統。本裝置在日常生產中,通過分析化驗產品油漿固含量、三旋出入口煙氣濃度、煙機振動情況和煙氣脫硫脫硝壓濾機出污泥量來判斷催化劑跑損的原因。結合本裝置實際運行情況,當產品油漿固含量>5 g/L時,催化劑自沉降器跑損,三旋出入口煙氣催化劑濃度升高時,則再生器跑損催化劑[3-4]。此外,本裝置還通過催化劑篩分來判斷催化劑跑損的原因,當產品油漿或三旋出入口煙氣中細粉含量高時,則系統內細粉含量高,旋風分離器不能有效分離,從而出現大量細粉跑損。當產品油漿或三旋出入口煙氣中>40 μm的顆粒含量高時,表明旋風分離器出現故障,反應油氣或再生煙氣攜帶大量催化劑離開反-再系統[5]。

2 催化劑跑損分類

根據本裝置的運行情況,催化劑跑損分為自然跑損和非自然跑損兩種[6]。自然跑損時,DCC裝置運行狀況為產品油漿固含量≤5 g/L,廢劑罐間隔3 d排劑一次,每次1～2 min,煙氣脫硫脫硝系統壓濾機出污泥一板/2 d,總體來說每天催化劑自然跑損為5～6 t。自然跑損時可以通過小型加料線向再生器內補充新鮮劑或選擇耐磨性能好的催化劑來減少催化劑的跑損[7]。

當反再系統工藝操作條件紊亂或設備出現故障時,反再系統內催化劑藏量減少,產品油漿或再生煙氣中催化劑顆粒顯著增加,發生非自然跑損。一般情況下首先根據生產運行情況調整各個操作參數,觀察是否能夠解決催化劑跑損的問題,否則就是設備出現故障引起的非自然跑損。DCC裝置在本煉油廠起到平衡全廠3.5 MPa過熱蒸汽供求的作用,正常情況下,公用工程運行一臺鍋爐產汽,與DCC裝置共同提供3.5 MPa過熱蒸汽供全廠需求,DCC裝置作為核心裝置之一,一旦因事故出現緊急停工,由于公用工程沒有時間運行另備用鍋爐,會對全廠裝置造成一定的影響,從而使全廠的經濟效益受損。因此,催化劑出現大量跑損或泄漏著火事故,制定消缺計劃進行停工搶修[2]。

3 翼閥介紹

DCC裝置沉降器單級旋風分離器(PLY型)的作用是分離反應油氣和催化劑,其角度和運行效率決定著反-再系統催化劑的消耗,影響著裝置的加工負荷。該裝置沉降器4個旋風分離器的翼閥于2018年10月份檢修期間進行了更換,運行了16個月左右,翼閥能夠保證料腿內有一定的料柱高度,形成料封,防止油氣互串,確保旋風分離器催化劑循環正常。因此翼閥的性能直接影響到旋風分離器的運行狀況。

4 本裝置跑劑介紹及處理

1)2020年2月12日,DCC裝置受疫情影響而停工,18:14左右DCC裝置切料,本裝置已經連續運行16個月,借此停工機會,DCC裝置重點對反-再系統進行檢查、消缺,其間部門本著認真全面檢查、嚴格按照設計消缺的原則,對反-再系統進行消缺。

2)通過對兩器檢查發現:(1)沉降器單級旋風分離器和粗旋快分料腿存在磨穿問題;(2)汽提蒸汽盤管焊道開裂,支撐斷裂;(3)再生器、沉降器內引壓管出現不同程度斷裂和磨損;(4)汽提段經測厚減薄至5.5 mm(原設計厚度18 mm)。針對以上主要問題,制定消缺方案進行修補或更換。

3)3月22日裝置驗收完畢達到開工條件,嚴格按照開工步驟和升溫曲線進行,并于19:26左右噴油,開工噴油后,隨著加工負荷的提高,如圖1～2沉降器旋風分離器壓降在9 kPa左右(正常值在13 kPa左右),油漿固含量嚴重超標(>25.4 g/L),現場多次取油漿清洗后判斷沉降器跑損催化劑較嚴重。

圖1 3月22日噴油后旋風分離器壓降

圖2 停工前旋風分離器壓降

4)經多次調整各個操作參數無果后,3月23日,組織召開專題會,制定反-再系統切料后,兩器重新建立催化劑循環,再次噴油后觀察跑劑情況的方案。6:19左右反-再系統切料,兩器重新建立催化劑循環,進行兩器流化。

5)3月24日在具備噴油條件下再次進料,隨著加工負荷的提高,沉降器旋風分離器壓降仍沒有大的變化(仍在9 kPa左右)。3月25日再次切料、兩器置換、卸催化劑,反-再系統停工進行全面檢查、消缺。

6)通過全面檢查后發現翼閥磨損較嚴重,由此判斷本次沉降器跑損催化劑原因為翼閥磨損導致的可能性較大。于是采購新翼閥,將四個磨損后的舊翼閥更換為新翼閥,在與廠家溝通了解后在設計角度的基礎上將每個翼閥安裝角度增加0.5個角度。

7)為了確保裝置開工順利,解決開工過程中出現其他問題,避免因其它原因再次導致反-再系統跑損催化劑,對開工方案進行討論、優化。并在原料油預熱溫度、原料油霧化蒸汽量、如何裝劑、如何轉劑、噴油條件、升溫曲線等方面著重討論,對開工中各參數制定詳細的數值,組織全員進行學習、考試,同時制定開工條件驗收確認單,管理人員嚴格落實、跟蹤。達到噴油條件后,催化裝置于3月31日17:00左右進行噴油。

8)隨著加工負荷的提高,沉降器壓降恢復正常值,如圖3但油漿固含量仍偏高(平均10 g/L左右),從現場清洗產品油漿看催化劑跑損現象減輕,判斷系統內因開工過程導致催化劑細粉較多,通過對各個參數的優化調整,控制合適的油漿外甩量,4月4日1:00左右油漿固含量4.4 g/L,逐漸恢復正常。

圖3 油漿固含量(控制指標≤5 g/L)

5 原因分析

1)DCC裝置噴油過程中出現原料油預熱溫度偏低的問題。本裝置自2010年開工以來,除2016年原料油預熱溫度到達200 ℃以上,催化裝置開工原料油都是冷進料(120～150 ℃),如圖4控制高反應溫度520～550 ℃,如圖5原料油霧化蒸汽控制9 t/h。本次開工原料預熱溫度120 ℃、進料量調整較快,霧化蒸汽波動大,易導致提升管內原料油霧化效果不好。霧化效果差的油滴在反應過程中容易生焦,并附著在設備、料腿的內壁,嚴重時可能造成料腿堵塞,造成旋風分離器分離效果差,催化劑跑劑。從本次打開反-再系統檢查看,雖未發現沉降器、料腿結焦現象,但現場檢查翼閥外部護板上有一活動焦塊(圖6)。因此,原料油預熱溫度低而霧化效果不好是造成裝置跑劑的原因之一。

圖4 2020年3月22日19:26分左右噴油時原料油預熱溫度

圖5 2020年3月22日19:26分左右噴油時加工量

圖6 翼閥外部護板處焦塊

2)檢查發現翼閥閥板出現磨損,磨損部位主要發生在閥口的密封面和閥板與閥口接觸的橢圓形環形區域內,表現為溝槽狀。對翼閥的閥板的溝槽進行了分析,溝槽的形成是由沉降器內油氣及催化劑倒竄至料腿磨損造成的,具體原因如下:正常操作下反應壓力為170 kPa,旋風分離器的壓降為13 kPa左右,旋風器料腿內壓力低于反應壓力,由于磨損破壞了閥板與閥口的密封,反應油氣及細粉催化劑反串入翼閥內。并且閥板出現溝槽狀都在翼閥閥板根部,通過翼閥做靜態實驗表明:翼閥內只有2.5 kg催化劑,只有閥板下部存有一點催化劑,翼閥閥板根部是沒有催化劑的,只要翼閥閥板開啟,閥板根部打開的縫隙就會進入油氣及催化劑,就會磨損翼閥閥板根部,從實際來看閥板根部形成較深的溝槽和鋸齒狀邊緣,而翼閥舌板下部未出現磨損現象(圖7),也就是說:翼閥舌板的磨損,是由于沉降器內油氣及催化劑反竄造成的。油氣反竄至旋分器料腿內,降低了旋風分離器壓降,打破旋分的效果,最終導致催化劑的跑損。本次是因疫情停工,停工前裝置生產正常,油漿固含量較低,但是翼閥舌板出現磨損,通過再次噴油過程有可能造成磨損更嚴重、料封不住情況,因此翼閥未更換維修是造成裝置跑劑的另一原因之一。

圖7 磨損的翼閥

6 防范措施

1)針對裝置跑損催化劑,組織技術人員對裝置開工方案進行優化,通過優化開工方案,經討論為確保原料霧化效果,如圖8噴油前原料油預熱溫度必須≥200 ℃,原料油霧化蒸汽12 t/h,制定了開工時提高原料預熱溫度和搶修更換4個翼閥的方案。

圖8 噴油時原料油預熱溫度

2)針對修訂后的開工方案,進行了詳細討論,重點討論了如何提高原料油預熱溫度、如何裝劑轉劑、噴油條件、升溫曲線等,并組織員工進行培訓學習、考試,并制定開工條件驗收確認表,管理人員實時進行跟蹤,并進行落實、簽字;每進行一個環節,就召開一次碰頭會議,梳理完成步驟,查找問題,討論、安排下一個環節工作部署。

3)開工過程中出現的問題形成案例收藏、學習。針對開停工過程中出現的問題,形成案例進行收藏,并以工藝事件的形式進行全員分享,讓全員知悉事件原因,吸取經驗教訓,制定防范措施,杜絕類似事件再發生。

4)檢修時兩器內設備需進行專業、深度的評估,必要時邀請專家現場指導、檢查。由于裝置運行周期較長,對兩器內設備缺乏專業、深度的評估,給原已固化開工方案帶來了一些被動,需要結合兩器內設備的實際性能,完善開工方案,確保開工過程不出現問題。

5)工藝、儀表人員協同對兩器儀表進行全面細致檢查。為避免兩器儀表堵塞影響開工的進行,兩器吹掃、試密時工藝與儀表人員對兩器所有儀表進行暢通檢查,確保吹掃風全部投用正常,并進行審核簽字。

7 結束語

DCC裝置催化劑跑損是影響裝置長周期運行的重要因素,正常生產中首先選擇磨損系數低、汽提效果好、水熱穩定性好、抗重金屬污染能力強的催化劑。其次平穩操作,避免各項參數大幅度波動。最后檢修時要對裝置進行深度檢查、評估,確保設備性能良好,尤其是檢維修期間對旋風分離器和翼閥進行重點檢查,開工時保證原料油預熱溫度≥200 ℃,并嚴格按照開工步驟進行。