彭 威，王 進(jìn)，齊宏偉，王麗婧，史新云

(1.中國(guó)石油克拉瑪依石化公司，新疆 克拉瑪依 834003；2.中國(guó)石油新疆油田公司儲(chǔ)運(yùn)公司)

2002年裝置開(kāi)始出現(xiàn)再生滑閥壓降低、反應(yīng)溫度波動(dòng)等問(wèn)題。再生滑閥壓降低不利于兩器的安全平穩(wěn)運(yùn)行，兩器壓力波動(dòng)較大時(shí)會(huì)造成油氣互竄，有爆炸風(fēng)險(xiǎn)；反應(yīng)溫度波動(dòng)較大不利于重質(zhì)原料組分的霧化，沒(méi)有得到充分霧化的油滴會(huì)吸附于反應(yīng)器內(nèi)設(shè)備表面生成焦炭，不利于裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。2014年11月裝置由于反應(yīng)器沉降器焦塊脫落堵塞待生滑閥通道，造成裝置停車檢修15天，嚴(yán)重地影響了裝置的加工負(fù)荷。本文主要討論影響FCC裝置再生斜管流化的因素，對(duì)FCC再生立管輸送催化劑不暢的原因進(jìn)行分析，以提出相應(yīng)的解決方法。

1 再生工藝和再生立管結(jié)構(gòu)

1.1 再生工藝中的立管操作

圖1 帶燒焦罐的兩段再生工藝

再生立管輸送催化劑的操作對(duì)于保證提升管反應(yīng)器的操作和輕油產(chǎn)品的收率至關(guān)重要，一方面是提供油氣反應(yīng)需要的活性催化劑，另一方面是維持提升管內(nèi)的反應(yīng)溫度[1-2]。但是，再生立管的穩(wěn)定操作受到多種因素的影響，如立管的幾何結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)計(jì)、松動(dòng)風(fēng)的設(shè)計(jì)、催化劑的物性等，有時(shí)難以控制，由此造成了某些催化裂化裝置再生立管常常出現(xiàn)不同程度的輸送催化劑不暢的問(wèn)題[3-9]。其后果是原料油裂化反應(yīng)所需的劑油比不達(dá)標(biāo)或熱量不足，直接影響到產(chǎn)品收率。此外，原料油難以保證較好的油劑接觸狀態(tài)，容易在提升管反應(yīng)器器壁上結(jié)焦，反應(yīng)溫度不能維持穩(wěn)定，兩器催化劑料位波動(dòng)幅度大，甚至造成催化劑的跑損。

1.2 再生立管結(jié)構(gòu)

圖2為再生立管結(jié)構(gòu)和松動(dòng)風(fēng)位置。再生立管底部安裝有再生滑閥，滑閥前的壓力ps代表立管的推動(dòng)力，滑閥前后的壓力差Δpv=ps-po是滑閥的壓降。整個(gè)再生立管由兩段傾斜管和一段垂直管構(gòu)成，直徑800 mm。上斜管部分傾角35°，長(zhǎng)度6.13 m；下斜管部分傾角32°，長(zhǎng)度9.84 m，垂直管部分長(zhǎng)度7.90 m；再生立管設(shè)置了6層松動(dòng)風(fēng)(如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)注C01～C06，C01有4個(gè)蒸汽噴嘴，C02～C06各有3個(gè)蒸汽噴嘴，共19個(gè)松動(dòng)點(diǎn))，采用1.1 MPa、260 ℃蒸汽作松動(dòng)風(fēng)，采用直徑2 mm的限流孔板控制松動(dòng)風(fēng)的流量。

2 再生立管輸送催化劑不暢的特點(diǎn)

2.1 輸送催化劑不暢的現(xiàn)象

再生立管輸送催化劑不暢的主要特點(diǎn)是反應(yīng)溫度波動(dòng)和再生立管振動(dòng)，更直接的表現(xiàn)形式是再生立管滑閥前的推動(dòng)力不足。再生滑閥開(kāi)度為48%～53%時(shí)，設(shè)計(jì)推動(dòng)力為80 kPa以上，而實(shí)際為15～20 kPa；再生滑閥設(shè)計(jì)壓降為60～80 kPa，實(shí)際操作壓降很小，有時(shí)僅為0～5 kPa。操作中提升管的反應(yīng)溫度波動(dòng)較大，為±3 ℃以上，波動(dòng)延續(xù)時(shí)間為3～6 h；兩器催化劑的藏量發(fā)生不穩(wěn)定的波動(dòng)，達(dá)2%～5%，有時(shí)需要將再生滑閥暫時(shí)改成手動(dòng)，甚至降低處理量。同時(shí)再生立管發(fā)生明顯的低頻機(jī)械振動(dòng)，幅值達(dá)2～5 cm。這些因素直接影響了提升管反應(yīng)器的操作，導(dǎo)致輕油產(chǎn)品收率和產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)，同時(shí)也嚴(yán)重影響了催化裂化裝置的安全運(yùn)行。

2.2 軸向壓力分布

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)再生立管的軸向壓力進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：實(shí)際的軸向壓力分布與設(shè)計(jì)壓力分布差別較大，在上斜管段，實(shí)際測(cè)量壓力與設(shè)計(jì)壓力分布基本一致，軸向壓力隨標(biāo)高降低逐漸上升，是負(fù)壓差流動(dòng)；但在垂直管的下半段，隨標(biāo)高降低實(shí)際測(cè)量壓力開(kāi)始減小，說(shuō)明立管內(nèi)的推動(dòng)力開(kāi)始減小，形成了正壓差流動(dòng)；在下斜管段，隨標(biāo)高降低壓力仍然是減小的，壓力沿標(biāo)高降低逐漸過(guò)渡到滑閥后的壓力，滑閥前后的壓降很小?；y壓降大小可表明再生立管的推動(dòng)力、料封能力和滑閥調(diào)節(jié)催化劑循環(huán)量的能力。此時(shí)滑閥的開(kāi)度變化對(duì)滑閥壓降的調(diào)節(jié)作用很小，表明調(diào)節(jié)催化劑循環(huán)量的能力下降，甚至消失。

圖3 再生立管的軸向壓力分布

2.3 催化劑粒度分布

再生催化劑中40 μm以下細(xì)粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在5%～10%有助于顆粒的流化流動(dòng)。對(duì)于再生立管輸送催化劑的下行過(guò)程，合適的細(xì)粉含量可以加速進(jìn)入口部分夾帶氣體的脫出，減少大氣泡的形成，減小催化劑輸送過(guò)程中的阻力。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置使用的催化劑顆粒粒度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，平衡催化劑中40 μm以下細(xì)粉的含量較低。

表1 平衡催化劑粒度分布

3 原因分析及采取的措施

3.1 基本分析

再生立管內(nèi)催化劑的流動(dòng)有兩個(gè)特點(diǎn)：一是從再生器高處的低壓端pi流向滑閥入口處的高壓端ps，屬于負(fù)壓差流動(dòng)；二是只讓催化劑流動(dòng)通過(guò)，蒸汽和油氣不能逆向反竄，需要在再生立管內(nèi)維持一定的料柱形成料封[10-11]。理想的料柱形式如圖4所示。

圖4 再生器與立管壓力平衡

料柱的作用一方面是形成推動(dòng)力ps，平衡負(fù)壓差；另一方面是鎖氣排料，防止下面的油氣反竄。根據(jù)圖4建立立管的壓力平衡關(guān)系，立管排料條件是推動(dòng)力ps大于提升管入口壓力po和滑閥壓降之和，即：

ps=pi+Δp斜+ρsgh-Δpv-Δp摩擦>po

(1)

式中：Δpv為滑閥壓降；Δp斜為兩斜管段蓄壓和；Δp摩擦為立管器壁摩擦損失；ρs為催化劑濃度；h為料柱高度。一般情況下斜管段蓄壓與器壁摩擦損失較小，可忽略不計(jì)。上式表明增加料柱的催化劑濃度ρs和料柱高度h可以有效提高推動(dòng)力ps。在實(shí)際操作過(guò)程中，料柱的流態(tài)、濃度、高度隨負(fù)壓差和催化劑循環(huán)流率等參數(shù)的變化可以在一定范圍內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如負(fù)壓差增大時(shí)，料柱的催化劑濃度和高度也隨之上升，這是立管輸送操作的一個(gè)重要特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，再生立管內(nèi)催化劑的流態(tài)決定軸向壓力分布和推動(dòng)力的變化。而影響再生立管內(nèi)催化劑流態(tài)的主要因素是立管內(nèi)催化劑的濃度分布、顆粒物性和松動(dòng)風(fēng)的配置。圖3的壓力分布說(shuō)明在再生立管內(nèi)沒(méi)有形成有效的催化劑密相料柱，因此沒(méi)有靜壓力維持再生滑閥前的推動(dòng)力。

3.2 立管內(nèi)催化劑濃度分布

再生立管的入口、出口和管內(nèi)的密相流動(dòng)過(guò)程是影響催化劑輸送的3個(gè)主要因素。第二密相床的藏量和穩(wěn)定操作直接影響到再生立管入口的進(jìn)料能力[12]；出口的滑閥處的流態(tài)和壓力決定了排料能力；中間流動(dòng)過(guò)程的流態(tài)決定了催化劑的輸送濃度。催化裂化裝置再生器的第二密相床內(nèi)再生立管、外取熱器和外循環(huán)斜管3個(gè)出口相互錯(cuò)開(kāi)120°，避免了相互之間的干擾。第二密相床內(nèi)密相床層高度為5 m，保證了催化劑的藏量和再生立管入口的進(jìn)料。

圖3所示的再生立管軸向壓力分布說(shuō)明垂直管部分的催化劑顆粒形成了架橋，原因是催化劑在下行流動(dòng)中不斷脫氣，而沒(méi)有補(bǔ)入足夠的松動(dòng)風(fēng)，催化劑失流化而形成填充床流動(dòng)。圖3的這種壓力分布與羅保林等[12]的試驗(yàn)結(jié)果一致。根據(jù)圖3再生立管上斜管和部分垂直管的軸向壓力計(jì)算催化劑濃度約為480 kgm3。但在再生立管垂直部分形成了填充床流動(dòng)，填充床以下部分是正壓差流動(dòng)，是一種稀相下落流，催化劑的顆粒濃度較低；再生立管的下斜管部分流態(tài)是分層流[13]，也沒(méi)有建立起有效的密相料柱，使得滑閥后的氣體易于反竄進(jìn)入立管。正壓差部分的壓力逐漸過(guò)渡到滑閥出口的壓力，導(dǎo)致滑閥前的壓力ps降低，見(jiàn)圖3中測(cè)量壓力線，滑閥前后的壓力ps=po，滑閥的壓降很小，失去調(diào)節(jié)顆粒流率的作用。

3.3 催化劑物性的影響

2013年10月至2017年5月先后使用了3種催化劑，分別為L(zhǎng)RC-99B，MAC，LZR-30，此3種催化劑的平衡催化劑物化性質(zhì)見(jiàn)表2。從表2可以看出：MAC平衡催化劑的堆密度最??；LRC-99B平衡催化劑的堆密度最大，且0～40 μm細(xì)粉含量最低；MAC與LZR-30平衡催化劑的粒度分布相當(dāng)。

表2 平衡催化劑的物化性質(zhì)

用反應(yīng)溫度變化和再生滑閥壓降兩個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)3種催化劑對(duì)流化工況的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)：使用MAC催化劑時(shí)反應(yīng)溫度波動(dòng)幅度較小，說(shuō)明采用表觀堆密度較低的催化劑有利于工況的改善；使用3種催化劑時(shí)的再生滑閥壓降無(wú)明顯變化，說(shuō)明催化劑物性對(duì)滑閥壓降影響不大。

表3 催化劑評(píng)價(jià)參數(shù)

3.4 松動(dòng)風(fēng)的作用

再生立管上設(shè)計(jì)共有19個(gè)松動(dòng)風(fēng)點(diǎn)，然而由于操作不當(dāng)，致使每次裝置開(kāi)工后就會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)點(diǎn)被堵塞的情況。2017年5月檢查立管上有14個(gè)松動(dòng)點(diǎn)被堵塞，僅有5個(gè)是通暢的，造成了再生立管內(nèi)松動(dòng)風(fēng)嚴(yán)重不足。

設(shè)置松動(dòng)風(fēng)是為了補(bǔ)充由于壓力增加壓縮氣體而造成的減少量和催化劑流動(dòng)中的脫氣量，維持催化劑的濃度不變，處于流化流態(tài)。正常流化流動(dòng)時(shí)，再生立管內(nèi)的催化劑濃度應(yīng)維持在340～420 kgm3，催化劑濃度過(guò)高易于架橋，催化劑濃度過(guò)低則蓄壓能力不足[14]。因此，合適的松動(dòng)風(fēng)量很重要，風(fēng)量大了不僅不利于催化劑輸送，還使得松動(dòng)風(fēng)點(diǎn)上部出現(xiàn)架橋現(xiàn)象，風(fēng)量小了起不到松動(dòng)效果，影響流化流動(dòng)工況。應(yīng)該對(duì)再生立管上各松動(dòng)點(diǎn)通入風(fēng)量的大小進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和定期調(diào)整。再生立管上松動(dòng)風(fēng)量按照上部多給、中下部少給，催化劑循環(huán)量大時(shí)多給的原則進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖3的軸向壓力測(cè)量結(jié)果表明再生立管的松動(dòng)風(fēng)量嚴(yán)重不足。

2017年6月在裝置小修期間，用沖擊鉆和高壓水槍將堵塞的14個(gè)松動(dòng)點(diǎn)疏通了10個(gè)。開(kāi)工后加大疏通點(diǎn)的松動(dòng)氣量，再生立管的推動(dòng)力和滑閥壓差明顯提高。再生滑閥開(kāi)度為44%～47%時(shí)，立管推動(dòng)力提高至35～40 kPa，再生滑閥壓降提高至20～25 kPa，反應(yīng)溫度波動(dòng)±0.5 ℃，再生立管震動(dòng)幅度減小到1～2 cm。但仍未達(dá)到原設(shè)計(jì)的要求，滑閥前仍然存在失流態(tài)化現(xiàn)象，準(zhǔn)備在下次檢修時(shí)徹底疏通堵塞松動(dòng)點(diǎn)。

4 結(jié) 論

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