催化裂化裝置再生器燒焦效果分析及改進措施

1、中外能源第1期SINO-GLOBALENERGY·87·催化裂化裝置再生器燒焦效果分析及改進措施童三和(中國石化九江分公司，江西九江332004)摘要介紹了中國石化九江分公司套催化裂化裝置燒焦效果較差的原因，包括實際燒焦風量不能滿足燒焦需要、再生器床層穩(wěn)定性差、外取熱器催化劑返回造成低溫區(qū)域的存在以及密相床層操作線速偏低。針對再生器存在問題，進行了減少外取熱器風量，提高床層燒焦風量，提高燒焦強度等3個階段的調(diào)整，使再生定碳穩(wěn)定在了0.15%，并在計算后提出了進一步提高燒焦效果的改造設(shè)想。關(guān)鍵詞催化裂化催化劑燒焦措施1前言催化裂化裝置中燒焦的好壞直接決定了催化劑的再生效果，良

2、好的再生可保證催化劑的活性，提高輕質(zhì)油收率，減少催化劑單耗。中國石化九江分公司套催化裂化裝置(以下簡稱“催”)再生器采用單段不完全再生工藝。近些年，由于受各種原因影響，裝置再生燒焦效果差，再生催化劑定碳較高(0.250.35)，已嚴重影響到催化劑活性，進而使裝置催化劑單耗增高、產(chǎn)品分布變差(見表1)。表1單段不完全再生工藝主要指標項目控制指標裝置實際指標圖1所示。表2催反應(yīng)再生系統(tǒng)關(guān)鍵操作參數(shù)項目反應(yīng)壓力/MPa再生壓力/MPa反應(yīng)溫度/再生溫度/混合進料量/(t·h-1)再生器總藏量/t反應(yīng)器藏量/t煙氣至煙機控制指標0.1250.1505156906951309025反應(yīng)油氣至分

3、餾塔CO2、CO，%燒焦強度/kg·(t·h)-1再生催化劑定碳，%(質(zhì)量分數(shù))催化劑單耗/(kg·t-1)33001200.100.200.40.56101101300.250.351.01.252裝置現(xiàn)狀催主要加工魯寧管輸油，加工能力1.0Mt/a，反應(yīng)器為反再高低并列式提升管反應(yīng)器。2000年，為提高重油摻渣能力，減少結(jié)焦，提高輕質(zhì)油收率，外取熱器自主風機來再生器渣油自罐區(qū)來回煉油自容303來蠟油自容302來催進行了技術(shù)改造：沉降器采用多段高效汽提段；提升管采用分段進料、混合溫度控制和反應(yīng)終止劑等多項技術(shù)；提升管出口采用VQS旋流快分技術(shù)；再生器采用待生催化

4、劑船型分布器逆流燒焦技術(shù)；新增1臺小主風機和外取熱器。2003年，為適應(yīng)國家新汽油標準，完成MGD工藝技術(shù)改造。目前裝置采用降烯烴主催化劑GOR-。反應(yīng)再生系統(tǒng)主要操作參數(shù)見表2，催反應(yīng)再生主要流程如提升管反應(yīng)器3影響燒焦效果的原因分析再生過程是典型的氣-固非催化反應(yīng)，不僅受作者簡介：童三和，高級工程師，1991年畢業(yè)于成都科技大學化學工程專業(yè)，目前主要從事技術(shù)管理工作。E-mail：yuanjian819中外能源·88·SINO-GLOBALENERGY2009年第14卷化學反應(yīng)、流態(tài)化、傳質(zhì)等的控制，而且受燒氫、重金屬污染、水蒸氣等因素影響。因此，首先要對上述影響因素進

5、行分析、探討，確認造成燒焦效果差的原因，再提出操作調(diào)整方向和相應(yīng)改進措施。嚴重的短流、偏流現(xiàn)象。造成目前催床層穩(wěn)定性較差的原因如下。分布器壓降不夠，不能穩(wěn)定支撐床層。催分布管實際壓降為10kPa，遠大于0.31kPa的臨界布氣壓降，能滿足布氣均勻要求。但穩(wěn)定性壓降系數(shù)只有0.23，遠小于適宜的0.75，這說明分布管不能滿足穩(wěn)定支撐床層的要求。3.1燒焦風量不足催再生器內(nèi)風量主要包括：由AV45主風機提供的風量，完全用于燒焦再生，1350m3/min(標準)；由小主風機提供的風量，其中305m3/min(標準)用于外取熱器催化劑的提升、轉(zhuǎn)向和流化，95m3/待生催化劑分布不均勻，部分待生催化劑穿

6、透了床層。待生催化劑在進入再生器后通過“船型”分布器進行分配以達到均勻配料。船型分布器設(shè)有8個溢流槽，底部設(shè)有氣流輸送管。然而，船型分布器的效果較差，且在待生斜管下料的第象限最為嚴重。這是由于氣流輸送風不能完全抵消待生催化劑下沖動能，部分催化劑直接跨過船型分布器進入床層。這一點從主風分布管下溫度得到了證明：理論上主風分布管下溫度應(yīng)該等于主風溫度min(標準)并入主風機風量。在外取熱器內(nèi)，由于盤管取熱造成整個外取熱處于相對低溫狀態(tài)，用于外取熱提升、轉(zhuǎn)向和流化的風量燒焦效果幾乎可以忽略不計。因此，實際用于燒焦的風量為1445m3/min(標準)?；谠擄L量，可計算理論最大燒焦量(總燒焦)1。按照完

7、全再生考慮，C/H為16.47，空氣密度為1.29kg/m3，實際燒焦氧量為18207kg/h。則計算結(jié)果為：燒氫量304kg/h，燒碳量5007kg/h，總燒焦5311kg/h。這只是實際燒焦量的53%，與裝置實際燒焦量差異太大。(140)，實際為297，說明有高溫催化劑穿透床層到達了主風分布管下。同時，第象限溢流槽相對較多(4個)，因而從第象限進入密相的催化劑量也較多，從而加劇了第象限軸向、徑向溫差增大。床層的不穩(wěn)定性可造成：再生催化劑燒焦不均勻，部分催化劑由于短流而未得到充分燒焦，如圖3中的黑色顆粒，可認為基本無燒焦效果；第3.2再生器床層穩(wěn)定性差對于穩(wěn)定的床層，應(yīng)該保持密相區(qū)內(nèi)溫度穩(wěn)定

8、，即床層內(nèi)溫度均一。催密相床層溫度分布情況見表3(其中T218熱電偶已壞，無法測量溫度)。各熱電偶分布(主風分布管標高0.8m)如圖2所示。象限的催化劑燒焦負荷過大。80m圖3催化劑燒焦顯微照片床層穩(wěn)定性差是單段低速率再生器固有的缺T218T216T219T217待斜221T222再斜點，這主要由單段低速率再生器的大直徑床層所引起。這一點在催表現(xiàn)的尤為明顯。根本原因是再生器床層線速低，造成床層返混嚴重燒焦強度低，流化不好。T2233.3外取熱器返回催化劑對燒焦影響由于重油催化裂化的生焦量大，燒焦后熱量過從床層的徑向分布來看，T216、T217、T219存在明顯徑向溫差，最大溫差42，這說明床層

9、中存在剩，所以一般催化裝置都設(shè)有外取熱器以取走多余熱量，保持反應(yīng)再生系統(tǒng)的熱平衡。催化劑自密相第1期童三和.催化裂化裝置再生器燒焦效果分析及改進措施·89·分布管上3.25m處進入外取熱器；返回標高在分布管上1.45m，返回溫度510。外取熱器返回量包括提升風178m3/min(標準)，催化劑循環(huán)量110t/h。由于循環(huán)量大，催化劑返回溫度低，不可避免地對床層穩(wěn)定性和燒焦效果造成影響：個單位，因此再生過程中最大限度降低催化劑定碳，能有效保證催化劑活性，進而影響到整個反應(yīng)系統(tǒng)的產(chǎn)品收率、產(chǎn)品分布、催化劑單耗等重要指標，這對催化裂化裝置的重要性是不言而喻的。對于老的單段再生工藝

10、，通過改善催化劑分布、提高操作線速等措施可以使再生定碳降到0.1%以下。而從催的實際定碳情況來看(見表1)，由于設(shè)備和工藝操作的原因，再生定碳長期保持在0.3%以上，這與單段再生工藝可以達到的水平有較大差距。通過上述分析，確認了造成催再生定碳高的主要原因，也提供了操作調(diào)整路徑，確定了催的再生器工藝調(diào)整方向。自2003年10月起，分3個階段對再生器工藝參數(shù)作了幾次大的調(diào)整，達到降低再生催化劑定碳的目的。由于燒焦反應(yīng)速率在高溫下對溫度很敏感，如700下反應(yīng)速率常數(shù)是600下的4.85倍。大量低溫催化劑降低了返回區(qū)域的密相床層溫度、徑向溫差大，降低該區(qū)域內(nèi)的燒焦強度。部分返回催化劑直接穿透了床層，破

11、壞了床層的穩(wěn)定。在檢修過程中發(fā)現(xiàn)，唯一發(fā)生主風分布管噴嘴磨損的區(qū)域就是正對外取熱返回管返回口，由此可見是由于外取熱催化劑穿透至分布管下，造成催化劑磨損噴嘴。3.4操作線速的影響操作線速對燒焦的影響反映在對床層穩(wěn)定性和對氧傳遞速率兩方面的影響2。由于密相床層氣體線速較低，不能支撐大直徑床層，同時無法抵御待生催化劑和外取熱催化劑進入床層的沖擊，造成了床層的短流、床層穿透等現(xiàn)象，直接影響了燒碳效果。從燒焦動力學的分析中可知，其結(jié)果都遠遠大于實際燒焦，但從傳質(zhì)動力學的分析卻小于實際燒焦。對比其他裝置氧傳遞速率(見表4)可見，影響催燒焦的關(guān)鍵因素是氧傳遞速率過小。影響氧傳遞速率的主要因素是床層線速，由于

12、燒焦中對于小直徑催化劑內(nèi)擴散和氣膜擴散阻力很小，因此可以忽略不計。表4不同裝置氧傳遞速率比較裝置氧傳遞模型燒碳強度/kg·(t·h)-14.1第一階段2003年10月，對再生器工藝參數(shù)進行了第一次大的調(diào)整，主要對外取熱器風量進行了調(diào)配，減少外取熱器風量。這樣做的目的是提高實際用于床層的燒焦風量，提高外取熱返回催化劑溫度，減少低溫催化劑返回引起的床層混流、短流現(xiàn)象，增加燒焦強度。調(diào)整前、后的操作參數(shù)見表5。表5第一階段再生器操調(diào)整參數(shù)變化項目熱蠟進料量/(t·h-1)冷蠟進料量/(t·h-1)渣油進料量/(t·h-1)回煉油進料量/(t·

13、;h)-1測量點調(diào)整前調(diào)整后GJ339GJT309GJT206GJ216FRC2120FRC2121FRC2122-1801035294501781212714830.1536956785021.374700.680.02215.380.562.608515333045094.58.01121585.50.1546896695211.344500.720.02318.580.881.32小主風總量/(m3·min-1)流化風量/(m3·min-1)松動風量/(m3·min-1)提升風量/(m·min)-1鎮(zhèn)海煉化石家莊煉化福建煉化九江石化再生器主風流量/

14、(m·min)3FIC-4BPJT202T217T213T21141424153419951306再生器頂壓力/MPa再生器密相床溫度/煙氣出口溫度/外取熱器返回溫度/待生催化劑定碳，%床層密度/(kg·m-3)床層線速/(m·s-1)平均氧分壓/MPa4改進措施由于催受加工原油性質(zhì)變化頻繁的影響，生焦和燒焦負荷變化較大，因此提高燒焦效果并不是指單純提高燒焦負荷，而應(yīng)著眼于降低再生催化劑定碳，提高燒焦負荷僅僅是降低再生定碳的手段。催化劑上的焦炭實際存在于催化劑的微孔中，在催化劑定碳高的情況下，催化劑微孔堵塞，催化劑有效表面積降低，造成活性下降。相關(guān)研究表明，在催化

15、劑中焦炭上升0.1%的情況下，活性下降4CO2，%CO，%O2，%注：表中的風量數(shù)值均為標準狀態(tài)下的數(shù)值。此次調(diào)整主要內(nèi)容：保持小主風不變，改變各中外能源·90·SINO-GLOBALENERGY2009年第14卷路風量的分配，特別是把不具備燒焦效果的流化風量大幅降低從178m3/min(標準)降至94.5m3/min(標準)。由于催化劑的起始流化速度為1.1mm/s，因此對于該路風量只需較小風量就能保證外取熱器的流化正常。節(jié)余的風量并入主風分布管作為密相燒焦風量。從調(diào)整后的操作上看，外取熱器操作平穩(wěn)，未出現(xiàn)流化和催化劑循環(huán)問題；外取熱器整體溫度有不同上升，其中輸送管返回再

16、生器的溫度上升了4.2第二階段經(jīng)過第一階段的調(diào)整，再生定碳由平均0.3%下降至0.19%，燒焦取得了較大的改善，但仍有較大的提高余地。從單段再生工藝運行狀況來看，良好的燒焦可以使再生定碳降至0.05%以下。2004年2月，對工藝參數(shù)作了第二次大的調(diào)整，主要從動力學入手，通過提高燒焦強度來提高燒焦效果，以求將定碳降至0.1%(催化裂化裝置平均水平)以下。4.2.1基于反應(yīng)動力學的操作調(diào)整在降低定碳前提下，影響反應(yīng)動力學燒焦的主要因素在于反應(yīng)速率常數(shù)和氧分壓，而影響反應(yīng)速率常數(shù)的主要因素是燒焦溫度；在煙氣氧濃度一定的情況下，影響氧分壓的主要因素是操作壓力。因此，為提高反應(yīng)動力學燒焦效果，應(yīng)提高再生

17、溫度和操作壓力。2004年2月6日，對催再生壓力、再生溫度進行了調(diào)整(見表7)。表7基于反應(yīng)動力學調(diào)整前、后參數(shù)項目熱蠟進料量/(t·h-1)渣油進料量/(t·h)-11520，達到521，有利再生器的燒焦。操作調(diào)整后，由于有效燒焦風量的增加，密相區(qū)氧濃度發(fā)生變化，燒焦量增加；再生催化劑顆粒中無燒焦效果的黑色催化劑顆粒明顯減少(見圖4)；催化劑在再生器內(nèi)的燒焦分布得到了改善，減少了催化劑短流現(xiàn)象。80m時間調(diào)整前調(diào)整后8022-177271067.5130907000.16015.871.281.30流化風量(標準)/(m·min)31128.7123906950

18、.15515.51.472.1圖4第一階段調(diào)整后催化劑顯微圖片松動風量(標準)/(m3·min-1)提升風量(標準)/(m3·min-1)再生器藏量/t再生溫度/再生器頂壓力/MPa利用計算理論燒焦變化，并假設(shè)循環(huán)量不變的情況下，計算結(jié)果見表6。表6第一階段操作調(diào)整前、后燒焦及定碳變化項目整體反應(yīng)模型擬均相反應(yīng)模型燒焦強度/(kg·t)-1CO2(平均)，%CO(平均)，%O2(平均)，%調(diào)整前調(diào)整后141141141135780.250.19140141141135166Mcketta經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯Ａ魰r間模型氧傳遞模型調(diào)整前調(diào)整后理論上，提高再生壓力和再生溫度會帶來

19、燒焦強度的大幅上升，然而實際的定碳情況卻沒有反應(yīng)出這一點，待生定碳僅從5日的0.26%下降至實際定碳，%0.24%，考慮到分析誤差，這個降低幾乎可以不考慮。這個結(jié)果證明，反應(yīng)動力學控制不是催燒焦的控制步驟，因此調(diào)整再次回到了如何增加氧傳遞速率，從傳質(zhì)上提高燒焦效果?；谝陨显颍咄嘶氐皆瓉淼牟僮鳒囟群筒僮鲏毫ι?。從表6可以看出，整體模型等計算均無大的變化，唯一發(fā)生變化的是氧傳遞模型。這說明提高有效燒焦風量雖然能提高氧濃度，但對燒焦動力學控制的模型并無大的影響，主要影響在于提高有效燒焦風量后，密相床的表觀線速得到大的提高，極大地提高了氧傳遞速率，應(yīng)用氧傳遞模型后燒焦結(jié)果約增長了112%，可見在

20、目前操作工況下，提高密相床主風線速是提高催化燒焦的最有效手段。4.2.2基于傳質(zhì)動力學上的調(diào)整從基于傳質(zhì)動力學的氧傳遞模型分析：提高燒焦風量是提高燒焦效果的最直接的方法，它帶來的直接效果是提高氣體線速、增加氧分壓。2004年2月8日，車間對再生風量進行提量。小主風機風量第1期童三和.催化裂化裝置再生器燒焦效果分析及改進措施·91·由397m3/min(標準)提至430m3/min(標準)。主風機的出口風量由1300m3/min(標準)逐漸提至1400m3/min表9外取熱器主風分布調(diào)整前、后工藝參數(shù)項目熱蠟進料量/(t·h-1)渣油進料量/(t·h)-1

21、時間調(diào)整前調(diào)整后(標準)。此后由于隨后再生器稀相出現(xiàn)尾燃現(xiàn)象，二旋入口溫度最高點到達720，煙機入口溫度由7727957.5130907000.16015.871.281.307727727.5130907000.16015.871.281.30630快速上升至670(設(shè)計值為670)。為保持煙機安全運行，又將風量逐步降至1350m3/min(標準)后，稀相尾燃現(xiàn)象消失，操作逐漸正常。調(diào)整后基于氧傳遞模型的再生燒焦強度有較大變化(見表8)。表8第二階段主風量調(diào)整氧傳遞模型計算項目表觀線速/(m·s)-1流化風量(標準)/(m3·min-1)松動風量(標準)/(m3·

22、;min-1)提升風量(標準)/(m3·min-1)再生器藏量/t再生溫度/再生器頂壓力/MPa調(diào)整前調(diào)整后CO2(平均)，%CO(平均)，%O2(平均)，%0.685460-10.707450138290.4125.3密相密度/(m·s-1)氧傳遞系數(shù)/kg·(t·MPa·h)氧傳遞模型燒焦強度/kg·(t·h)-1實際燒焦強度/kg·(t·h)-1126281.8120.1表10氧傳遞模型計算結(jié)果項目氧傳遞系數(shù)/kg·(t·MPa·h)-1理論燒焦強度/(kg·

23、t-1)實際燒焦強度/(kg·t-1)調(diào)整前調(diào)整后13481221151417127123經(jīng)過風量的調(diào)整，再生燒焦效果有較好的改善，9日再生催化劑待生定碳由0.25%降至0.15%。4.3第三階段在第二階段的調(diào)整中，當主風量提高至此次調(diào)整再生催化劑定碳下降幅度最大。調(diào)整后2h采樣，催化劑定碳由0.15%下降至0.08%；調(diào)整后催化劑色澤均勻，已基本消除了由于短流造成的黑色高含碳顆粒(見圖5)。這是催燒焦能達到的最好水平，但由于尾燃等原因，該操作未能長期保持。200m1400m3/min(標準)時，2號旋分器入口出現(xiàn)了較嚴重的尾燃現(xiàn)象，制約了主風量的進一步提高。從再生器結(jié)構(gòu)分析可知，該

24、組旋分為正對外取熱器流化風返回口上方的旋分入口。因此第三階段的調(diào)整以調(diào)整外取熱器風量分布，提高有效燒焦風量，同時在風量分布改善減少尾燃的情況下，最大限度提高主風量。2004年2月12日，開始將外取熱器流化風由95m3/min(標準)降至72m3/min(標準)；將其余的風逐漸并入小主風分布環(huán)內(nèi)，由87m3/min(標準)逐漸提至121m3/min(標準)(已超儀表量程)。隨后，再生器稀、密相溫度均上升，密相為708，稀相溫度一般在700，其中二旋入口最高點溫度為726左右。外取熱器各點溫度上升至600左右，其返回管溫度由555上升至587。調(diào)整前、后的操作工藝參數(shù)見表9。調(diào)整后，主風分布管下溫

25、度下降了8，這說明調(diào)整極大改善了床層分布，對提高燒焦有很大幫助。對2003年10月外取熱的計算可知，外取熱風量調(diào)整對反應(yīng)動力學的燒焦計算無影響，調(diào)整后密相燒焦風量增加，只對于氧傳遞模型影響較大。氧傳遞模型分析計算見表10。圖5第三階段調(diào)整后催化劑顯微照片至此，經(jīng)3個階段調(diào)整，催再生定碳穩(wěn)定在0.15%左右，達到了提高燒焦效果的目的。4.4改造設(shè)想雖然通過3個階段的操作調(diào)整，催的燒焦曾一度將再生定碳降到了0.08%，但無法長期保持，最終穩(wěn)定在0.15%的水平上。若要將再生定碳降到0.1%以下，必須對裝置進行改造，因此提出了進一步的改造設(shè)想。根據(jù)計算，制約催燒焦的主要因素是氧傳遞速率，而增加氧傳遞速率最有效的方法是提高床層線速，改善床層穩(wěn)定