FCC装置结焦问题及措施

1、FCC装置结焦问题及措施李文杰 吴雷 杨启业（中国石化工程建设公司，北京市，100011）摘要：FCC装置结焦问题由来已久，是造成装置非计划停工的主要原因之一。针对不同部位的结焦原因，采取系统设计和优化设计，辅以适当的操作，尽量减少结焦程度，可以延长操作周期，提高装置的经济效益主题词：结焦 催化裂化装置 非计划停工 设计1 前言目前，我国FCC装置已达一百余套，其中中国石化系统五十余套，加工量四千多万吨，是我国原油深度加工最重要的手段，创造了巨大的经济效益1。当前，长周期安全运行，降低成本，提高竞争能力，成为各炼厂的主要工作目标。但由于反应分馏系统结焦造成的非计划停工仍然时有发生，严重影响了生

2、产任务和经济效益。FCC装置结焦主要发生在以下部位：提升管在喷嘴旁边或喷嘴对面，都有可能结焦，造成提升管压降增加，影响剂油比的灵活调节，无法调节反应温度，甚至造成反应温度下降，并造成结焦进一步增加。沉降器及旋分器系统沉降器器壁与拱顶，以及汽提段都有可能产生大块致密坚硬的焦块，焦块有时可以通过待生斜管进入再生器烧掉，但有时也会在毫无预兆的情况下，堵塞待生斜管格栅，造成流通面积减小，使得装置循环量降低。或可能卡住待生滑阀，沉降器料位无法调节，在极端情况下，再生烟气甚至有可能反窜到沉降器，引发爆炸等严重后果。旋分内部升气管背面结焦，脱落时堵塞料腿，卡住翼阀，都会造成旋分效率下降甚至失去作用，造成催化

3、剂剂耗上升，在分馏系统造成分馏塔底堵塞，油浆泵抽空，泵、换热器、管线的磨损，容易发生火灾事故。反应油气管线反应油气管线的结焦在部分装置上非常严重，达到150-200毫米，其后果主要是压降增加，反应器压力受主风机能力的限制，无法增加太多，装置被迫降低处理量，而气压机入口压力降低，不但所需功率增加，更增大了气压机喘振的危险性。分馏塔底及油浆系统 分馏塔底和油浆系统的结焦结垢，主要会造成管路系统压降增加，换热器取热负荷受到限制，分馏塔无法保持合理的取热分配，影响产品质量。 以上问题，都会产生系统压降增加、流化不畅、催化剂跑损等后果，造成事故隐患，装置不得不停工检修。一般认为，重质原料雾化及汽化不良，

4、反应过程产生的双烯、大分子芳烃的缩合及聚合反应，是造成结焦的主要机理。这一点，在1995年中国石化总公司生产经营协调部和催化裂化协作组组织的FCCU反应分馏系统结焦调查报告中，也得到证实，并针对不同部位提出了相应的防焦措施。主要有：在提升管改进预提升段的设计和操作、进料段的优化设计；沉降器采用良好的汽提段结构，在拱顶合理使用防焦蒸汽，缩短反应器出口油气停留时间；大油气管线加强保温；分馏塔底控制好温度和停留时间，使用滤焦器，油浆系统使用阻垢剂并保持适宜的线速，等等。事实上，催化裂化的工艺特点所带来的高温与油气环境，决定了结焦倾向是客观存在的，而重油催化裂化装置表现的则更为严重。所以尽管国内外对结

5、焦问题的探讨相当充分，近几年催化裂化装置因反应分馏系统结焦而造成的非计划停工仍屡见不鲜。但仔细分析不同部位的结焦原因，采取适当的措施，尽量减少结焦程度，可以延长操作周期，提高装置的经济效益2，3。2 主要措施21 提升管部分 提升管部分的设计与操作对整个装置都至关重要，设计和操作的好坏，不仅影响提升管本身的结焦，也会影响沉降器及后路系统结焦的程度。1） 预提升段原料和催化剂在进料段的接触环境，由预提升段决定，油滴和催化剂接触不良，不但会造成焦炭和干气上升，影响产品收率，也会造成提升管器壁的结焦。图-1 和图-2是催化剂和原料接触情况的对比，可见催化剂的流化状态以及原料的雾化状态，都会产生巨大的

6、影响4。图-1 催化剂和原料接触不良图-2 催化剂和原料接触良好催化剂在预提升段转向，加速上升，到达进料区之前，流化状态发生剧烈的扰动变化。影响进料区原料的接触、汽化和传质传热效果的因素很多，其中主要的有轴向和径向返混及密度因素。为使进料段催化剂在径向上混合均匀，而轴向上返混程度降低，减少滑落的催化剂与油滴二次接触的机率，近年来，我院采用了新型莲蓬头式的预提升介质分布器，可注入蒸汽、干气及汽油作为预提升介质，同时提高预提升段线速和延长预提升段长度，灵活控制预提升段的密度，从而调整进料段催化剂的流化状态。2） 进料喷嘴及提升管使用新型高效雾化喷嘴，是缓解结焦问题的有效手段之一，而且成本低，实施方

7、便。我院开发的BWJ型喷嘴，雾化粒径分布均匀，取得了很好的效果。除了分布均匀，有利于油、剂接触外，利用旋流机理雾化的另一个好处是喷嘴的出口速度适中，不会导致催化剂的破碎，也不会产生喷射到喷嘴对面管壁上而结焦的问题。冷模实验表明，雾化过程中产生的少量的大于80微米的液滴，是最难以迅速气化，容易产生焦炭和结焦的部分，为此，我院正积极开发BWJ第三代喷嘴，进一步改善原料的雾化效果。另外，为改善油剂接触效果，在同一标高采用4个或6个多个喷嘴对称布置。每路进料均设置计量孔板，使得进料分配均匀。在施工安装过程，必须坚持施工技术交底，讲清喷嘴安装的重要性和技术要求，对安装结果进行检查，开工前使用胶带封住喷口

8、，保证喷嘴安装符合技术要求，内部无异物堵塞。对于较重的原料，适当增加雾化蒸汽量，降低提升管内油气分压，有利于原料雾化以及减少反应产物之间的聚合反应，同时从反应动力学看，油气分压适当降低所形成的较好产品分布的好处，远远大于该部分蒸汽能耗的代价。另外，应保证提升管内反应的充分进行，从实际经验看，在原料较重的情况下，片面追求“高温短接触”对防止结焦是不利的，应根据原料情况保证足够的反应时间。否则，在采用新型提升管出口快分设施的情况下，会出现结焦后移的情况。提升管中部及下游注入中止剂，例如汽油、水等，提高剂油比，从而提高油剂初始接触温度，特别是重质劣质原料的“热爆”效应，加速原料液滴气化，减少结焦的效

9、果也比较显著，在各厂获得了广泛的应用。22 沉降器及汽提段提升管出口快分根据原料情况，可以分别采用粗旋和VQS技术。其中VQS技术是目前防止沉降器结焦最有效的技术。燕山二催化原设计掺渣35%，采用VQS技术改造后，掺渣比为65%-85%，焦炭产率达9.5%-10.5%，自1998年11月到2000年4月平稳运行1.5年，正常停工检查发现沉降器内无以往大的焦块，封闭罩和沉降器内壁附着一层约25mm厚的粉末状、絮状焦层，容易清理，而分馏塔内无结焦现象，缩短了检修周期，减少了费用支出。VQS系统在沉降器顶部采用防焦蒸汽，VQS升气管与旋风分离器系统连接处采用承叉结构并使用弹性材料密封，使用平衡管将旋

10、风分离器料腿夹带的少量油气导入VQS系统内部，使得VQS与沉降器之间基本没有油气存在，从根本上消除了结焦的环境。而VQS内部有大量催化剂冲刷，油气停留时间从提升管出口到集气室停留时间小于5秒，也很难产生焦块。从产品分布看，由于有效缩短了油气停留时间，减少过裂化和缩合等二次反应，干气产率可有较大效率的降低。对于原料不是很重的装置，也可以采用粗旋加旋风分离器的结构。该结构的优势是结构简单，效率高，操作弹性大，抗干扰能力强。粗旋出口与旋分入口保留一定的空间，相对三叶快分而言，既可以大大缩短油气在沉降器的停留时间，也可以使沉降器保持较高温度，避免少量油气在沉降器内长期停留的情况下，大分子因温度下降冷凝

11、而结成焦块。汽提段采用新型挡板技术，有利于减少焦炭在待生催化剂出口格栅的生成，避免阻塞格栅，影响系统流化。很多情况下，装置停工是由于电力或蒸汽系统的故障，造成沉降器内温度急剧下降，沉降器顶部焦块脱落，堵塞格栅或待生滑阀造成的。可以将汽提段延长，待生出口开设在筒体，格栅垂直放置，可大大减少格栅被焦块堵塞的可能性。脱落的焦块可暂时堆积到汽提段底部，等到正常停工检修时予以处理。汽提段底部的松动流化蒸汽的设置，对维持汽提段底部的良好流化状态，减少结焦死区的形成十分有利。旋风分离器内部升气管外壁背面（相对于旋分入口而言）结焦脱落，卡住翼阀或堵塞料腿而造成的停工也很常见，而且，目前似乎仍没有公认的较好的办

12、法来解决此问题（有资料称可以在升气管焊接保温钉等物，以固定产生的焦块，避免脱落，或改变升气管结构以增加局部扰流流场，破坏结焦形成等，但效果均未经证实）。一般来讲，对此问题仍应对问题的根源采取措施，例如：改进提升管的设计和操作，改善原料雾化效果，加大注汽量等。另外，停工检修时应对此类部位详细检查，将产生的焦块清理干净，也很重要。某些装置采用两级旋风分离器，二级旋分料腿设计偏大，催化剂细粉和油气长时间停留，也容易造成料腿内部结焦和堵塞，从而使二级旋分失去作用，在采用出口快分等措施后，单级旋分的效率已经足够，建议拆除二级旋分，消除隐患。23 反应油气管线反应油气管线结焦问题由来已久，对此公认的观点是

13、加强保温，减少油气冷凝，提高线速，减少停留时间并增加焦块沉积增大的难度。一般，外保温的热壁式设计，施工上不容易达到设计要求，会产生较多的局部冷点，而冷壁式油气管线衬里可以做得比较均匀，有较好的保温效果，分馏塔入口法兰使用保温涂料也有利于减少热损失。但使用龟甲网双层衬里，由于保温钉一头与管壁相连，一头与龟甲网相连，仍有可能产生局部冷点，造成油气冷凝。从理论上讲，单层衬里的保温效果应该更好，基本无局部冷点，但单层衬里目前强度稍差，在清理焦层时容易造成衬里损坏，因此，在衬里方面，仍有大量工作可做。提高线速，会造成系统压降的增加，需要统筹考虑。一般建议以不大于35米/秒为宜，并且当油气管线内结有一层焦

14、质后，会具有更好的保温效果。另外，在反应油气管线的布置、走向上，也应通过详细计算，以尽量缩短油气停留时间。24 分馏塔底和油浆系统分馏塔底和油浆系统的结焦结垢，会造成系统压降增加，取热效率下降等问题。除了在系统上游采取措施，减少结焦倾向以外，在分馏塔底使用滤焦器，注入油浆防垢剂，在设计上充分考虑油浆系统的特点，减少分馏塔底油浆停留时间，提高油浆系统管线和换热器管程线速，都有助于减少结焦结垢。在操作上，各厂也都有丰富的经验，比如控制塔底温度不大于350度，适当回炼以回收其中可裂化的轻组分；外甩油浆，控制油浆密度在1.0左右，不宜过大等。25 其它对重质原料进行预处理，减少原料中的焦质、沥青质以及

15、芳烃组分，可以改善装置的结焦问题。在全厂流程的规划上，尚需做大量的技术经济比较，但把最重最差的原料给催化裂化装置，不一定能达到最优化的经济效益。另外开发、选用适当的催化剂，减少反应产物二烯烃和大分子芳烃含量，也有助于减少装置结焦。根据原料，开发相应催化剂，是一项长期的任务。3结论 结焦问题在催化裂化装置比较常见，是造成装置非计划停工的主要原因之一，而由于催化裂化装置的工艺特点，结焦倾向客观存在，但可以采取一系列措施予以缓解，延长装置的开工周期，主要有：1）采用新型进料喷嘴和出口快分设施，注入反应终止剂，提高剂油比，使原料在提升管内良好雾化、迅速气化、充分反应、快速导出。2）改善设备结构，油浆系统采用防垢剂，优化操作，减少原料和油气产品的结焦倾向，破坏结焦环境。3）改善催化裂化装置原料，使用适当的催化剂。催化裂化装置不断出现的新问题，正是推动催化裂化技术不断发展的动力，而结焦问题也有赖于科研、设计、生产各部门的紧密协作，共同努力，才能得到较好的解决。参考文献中国石油化工股份有限公司炼油事业部编，2000年炼油生产装置基础数据汇编，2001FCCU反应分馏系统结焦调查组，FCCU反应