催化裂化装置烟机振动超标的原因分析及对策！

摘要：对中国石油化工股份有限公司四家炼油厂的四套催化裂化装置因三旋结垢堵塞,烟机结垢使得烟机振动超标,甚至发生非计划停工的原因进行了分析, 提出了相应的解决办法。

关键词：催化裂化装置三级旋风分离器 烟机结垢 非计划停工

2004年,中国石油化工股份有限公司相继有几家炼油企业催化裂化装置发生了三旋堵塞、烟机结垢使得烟机振动超标等问题,有的甚至引发了非计划停工(J, Z炼油厂发生非计划停工;W, Q炼油厂因烟机结垢使得烟机停车时间较长,但装置未停工)。

1、简述

1.1 J炼油厂II套催化裂化装置

J炼油厂1 Mt/a II套催化裂化装置,由洛阳石油化工工程公司设计,采用两段再生烧焦,无外取热器的自热平衡技术,2002年对反应再生系统进行了改造,第一再生器(一再)增加外取热器,第二再生器(二再)增加内取热器,提升管反应器使用VQS技术,以减压蜡油,减压渣油或常压渣油为原料。

2004年8月20日,烟机振动值突然超高,引起主风机自保动作停机,装置紧急停工,在8月21日重新开工过程中因催化剂大量跑损,在陆续补平衡催化剂情况下床层料位仍不能维持,装置停工卸剂进行检查,发现烟机叶片结垢和磨损严重,转子动叶片上结垢1mm,根部2一3mm,入口流道叶片结垢,厚达10 mm以上,叶片顶端磨损成不规则形状,这是烟机振动值超高的原因;三旋28根分离单管其中27根受堵,堵塞物主要是催化剂结块,造成烟机入口催化剂粉尘浓度超高,达到300一500 mg/m3;二再一组旋风分离器的二级料腿堵塞,堵塞物主要是催化剂结块和部分衬里。

1.2 W炼油厂催化裂化装置

W炼油厂联合车间由1.5Mt/a常压蒸馏和0.8Mt/a重油催化裂化装置组成(简称Ⅱ套重油催化裂化装置).Ⅱ套重油催化裂化装置由原中国石化北京设计院设计,于1995年建成,采用重叠式两段再生工艺.二再烟气经大孔分布板进入一再床层,一、二再共用一烟道,烟气经三旋进入烟机,烟气压力能和热能基本全部回收.装置加工常压塔底重油,部分常压蜡油和部分焦化蜡油。

2004年9月10-15日烟机因振动超标,停机5天.检查发现:烟机叶片没有明显磨损,表面有较薄一层结垢,根部结垢坚硬,厚度1一2mm;静叶片根部都有较厚结垢(2一4mm),叶片也没有明显磨损;级间静叶环蒸汽通道内全为松软催化剂细粉堵塞,转动轮盘级间空隙全部被粒径10 pm松软催化剂堵满;从静,动叶片根部共清除1.5一2.0kg厚度1一4ｍm的坚硬结块(不包括其它部位松软的细粉)。

1.3 Z炼油厂II套催化裂化装置

z炼油厂II套催化裂化装置,反应再生系统为同高并列式,再生器为"快速床+高速床",即前置烧焦罐加线速相对较高的密相床.提升管相对较短,设有较长的预提升段,采用分程进料,喷嘴均为sxx型;提升管出口为"粗旋+单旋"软连接;汽提段为新型的二段汽提;大型国产化烟机,轴流风机与电动/发电机组成三机组;模块式余热锅炉。

装置1999年开车,原设计加工精制蜡油及加氢裂化尾油,实际生产以加氢精制蜡油和直馏蜡油为主,并掺炼部分减压渣油(比例约8%一20%)　2004年初烟机发生两次跳机故障后,2004年2月烟机振动开始明显加大,到4月22日达到危险值,被迫停机,发现烟机动叶严重磨损.由于当时对三旋的监控还不完善,凭当时的数据还没有意识到三旋失效,更换烟机叶轮后又开始工作。

5月4日又因振动大停机,该叶轮又出现明显磨损.此后经过论证,确认再生器旋分器和三旋同时存在问题.6月初检修时发现共有5个(全部有12组)再生器二级旋分料腿堵塞,三旋的288根单管中有近1/5出现堵塞,部分大孔分布板出现磨损.消除缺陷后,装置重新开车,再生器催化剂跑损及三旋出入口烟气粉尘含量均恢复正常,烟机叶轮通过激光熔敷修复后重新投入运行,出口烟气粉尘浓度在60一80 mg/m3,粉尘中粒径大于10μm颗粒在1%以下,烟机叶轮通过激光熔敷修复后重新投入运行,但9月10日运行中烟机叶轮动叶片突然断裂,造成烟机强烈振动而紧急停运。

1.4  Q炼油厂催化裂化装置

Q炼油厂1 Mt/a重油催化裂化装置是由洛阳石油化工工程公司设计,反应再生系统采用全同轴布置,自上而下依次为沉降器,一再,二再.该装置原料油为减压馏分油和减压渣油,两者混合比例为75:25,目前加工原料基本上为进口原油。

2004年4月21日,烟机在没有任何前兆的情况下,突然发出异常声音,同时烟机组振动和轴位移全部报警,约10s后,机组轴位移高报警导致主机组紧急停车.事故从发生到结束经历时间较短,共约20 s.由于处理及时,未发生其它事故.主机组停车后,装置按主风自保方案处理.将烟机打开检查后发现:一级静叶片有3片自根部断裂,其余所有叶片均有不同程度的损伤,一级动叶片有1片在根部断裂,其余动叶片均有不同程度损伤,二级静叶片在靠近叶根部有缺损,二级动叶片顶部有缺损.检修后烟机于7月5日重新投用。

9月2日凌晨,由于烟机入口蝶阀法兰泄漏,决定进行主备机切换,抓紧对漏点进行处理,同时对烟机进行拆检,查找烟机振动上升的原因.9月3日对烟机进行拆检后发现:烟机内催化剂结垢严重.特别是在二级静叶衬环内壁结有5一7 mm的坚硬催化剂垢;二级静叶进气侧从叶根部起结有大量锥型垢;即烟机内部动,静叶片之间的空间几乎被催化剂垢塞满.考虑到三旋内可能产生了与烟机静叶衬环内相类似的结垢,使三旋效率下降,烟气中催化剂含量超标,因此烟机一直未投入运行。

2、烟机结垢，三旋堵塞原因分析

上述这四套催化裂化装置发生的问题既有共性,也有特殊性.四套装置的烟机均因振动超标而被迫停机处理;有三套装置三旋效率降低,有两套装置(Z,J炼油厂)三旋发生堵塞现象,三旋堵塞的同时再生二级旋分料腿也发生堵塞.W,J,Q炼油厂烟机均发现结垢现象,J, Q炼油厂较为严重;i1 w炼油厂垢样与平衡催化剂钙含量较高.烟机结垢的主要原因:一是有大量催化剂细粉存在(提供了结垢基础物质);二是催化剂细粉(粒径小于10μm)颗粒存在静电吸附作用;三是有粘结物质存在(如钙,铁含量高);四是当操作出现波动,处理不及时或工艺参数不合理时(三旋泄气量不足).以上几种因素共同起作用使得三旋堵塞,烟机结垢,振动超标导至烟机停车,甚至发生非计划停工。

(1)J, W, Q炼油厂催化裂化装置均发现催化剂细粉含量较高,有的是新鲜催化剂细粉含量就高,有的是操作过程中(如喷嘴雾化蒸汽量大)形成了大量细粉.从J, W, Q炼油厂催化剂显微诊断可以看出:W炼油厂待生催化剂,半再生催化剂,再生催化剂中有较多破碎剂,粒径小于30μm细粒也偏多;油浆固含量大于15g/L,其中有大量催化剂碎粉,同时还有少量20μm催化剂颗粒,说明在提升管内有撞破催化剂部位.通过近三年来多次采样观察,确认与原料喷嘴出口线速偏高有关.所用新鲜催化剂及助剂细粒偏多,大粒剂又不呈圆球形,易磨损,催化剂破碎进入烟机的烟气中,细粉增多。

Q炼油厂2004年9月26日用水吸收物同时采集三旋进口烟气、出口烟气、三旋底部排出烟气中的三种回收物.在进口烟气中有少量20一30μm催化剂颗粒,排出口烟气中也有个别20μm催化剂颗粒,但出口烟气中基本上都为10μm细粉或由细粉组成的团聚物.进入烟机的烟气中大于20μm催化剂颗粒很少,三旋能回收20μm催化剂颗粒,但7月中旬以后回收量减少,烟气中细粉增加,说明三旋效率降低.所用新催化剂及多产丙烯助剂粒度分布20一80μm都偏小,10一30μm细粒太多,这是造成装置细粉多的主要原因J炼油厂待生,半再生,再生三种催化剂样中都能观察到有较多破碎剂,可以判断催化剂破碎是细粉偏高的主要原因.与装置原有库存资料对比,采用老靶式喷嘴时,在用催化剂破碎很少，推断撞击部位应在提升管新增预提升蒸汽喷嘴或新换喷嘴处。

(2)催化剂细粉静电吸附作用以及平衡催化剂上钙,铁等离子含量过高是催化剂细粉结垢的成因.从流体力学角度讲,与常规催化剂颗粒A类粒子不同,小于10μm的固体颗粒(属于c类粒子)本身由于分子间范德华力作用,粘结性强,不易流动;近几年以来,由于使用多产丙烯助剂,降烯烃催化剂,平衡催化剂上稀土含量较高(大都大于3%,甚至更高),而稀土元素恰恰最容易产生静电,从而强化了小颗粒的吸附作用.其次大量钙,铁,磷元素的存在,又起到了粘结剂的作用,促进了催化剂细粉的进一步结合.在催化剂的制造过程中,原来磷是以磷酸盐形式引入的,主要作为催化剂的粘结剂,1999年以前一般不大于1%.现在降烯烃催化剂以及多产丙烯助剂大量引入磷元素(质量分数2.5%以上),尽管现在引入的目的是加强催化剂骨架的水热稳定性,但在高温下形成的磷酸盐也会具有粘结性。

从i1 w炼油厂的垢样以及平衡催化剂的分析报告中,可以初步断定结垢是钙,铁,磷元素在500一640℃形成低熔点的硫酸钙,磷酸钙等化合物,加之催化剂粉尘的媒介,在三旋分离单管和烟机叶片流道进行沉积,烘烤,最后形成坚硬结块,导致三旋失效和烟机振动上升.经分析,i1 w炼油厂平衡催化剂与烟机垢样中钙,铁,磷含量都很高,钙+铁质量分数均超过10 000μg /g；Q炼油厂平衡催化剂上钙+铁质量分数也超过了6700μg /g ；Z炼油厂三旋垢样及平衡催化剂,钙+铁也超过6 700μg /g。可以初步判定,J w炼油厂烟机结垢的粘结成分主要是钙,铁,磷元素.Q炼油厂烟机结垢,Z炼油厂三旋结垢粘结成分肯定有钙,铁,磷元素的影响,但不排除还有其它元素的影响。

(3)操作或设计参数选取不当,会加剧、恶化三旋的工况,使三旋、烟机结垢,直至发生非计划停工。J炼油厂Ⅱ套催化裂化装置催化剂细粉含量一直较高,自2001年8月以来,小于40μm的细粉由13%逐渐上升到20%左右.催化剂细粉来源主要是新鲜催化剂的细粉含量高,反应再生系统操作和设备对催化剂的磨损:该装置二再自2002年起因追求高掺渣率,再生温度一直处于730—750℃,造成催化剂热稳定性和强度急剧下降,平衡剂细粉增多.2001年喷嘴由两个更换为四个,2002年12月增设了两个急冷喷嘴,喷嘴数量增多,线速高,原料雾化效果好,但对催化剂磨损也加剧。

z炼油厂II套催化裂化装置第三周期开工以来,出现过多次主风机跳车,尤其是2004年1月18日及26日,因烟气能量回收系统故障,先后导致1号主风机两次跳车,引发装置主风自保动作.从烟机前轴振动变化情况看,造成三旋部分单管堵塞失效的时间,极可能是在1月26日的主风联锁动作过程中,而烟道喷汽喷水的金属护板脱落也很有可能在此时或在此之前,因为在1月26日主风自保跳车事故中,曾发生烟道喷水,因控制阀失灵,有2一3 t/h降温水仍在注入,时间大约50min.对于卧式三旋,由于推动力较小,一旦出现单管堵塞,其恢复难度较大。

Q炼油厂催化裂化装置四旋临界喷嘴原在烟气烟道处,与四旋距离较近.但2003年6月检修时,将临界喷嘴改至余热锅炉后部,管线延长了数十米,增加了4个弯头,阻力增大,无法保证三旋正常泄气量(不小于3%)，泄气率大小是三旋底部排尘是否正常的关键参数,主要表现在以下四个方面:

①国内外研究都表明三旋底部适当泄气可以提高分离效率1个百分点左右,这是三旋适当泄气的作用之一;

②因制造,安装和结构设计上的原因,会造成各单管在运行上的差异,底部适当泄气可以解决由此带来的不利影响;

③由于各单管在运行参数上的差异,如压力降不同,会造成单管排尘口处压力不同,从而引起单管间的窜流返混现象发生,这不但使三旋分离效率降低,大颗粒夹带加重,严重时会使部分单管失效,解决此问题的途径是降低三旋灰斗压力,而三旋底部适当泄气正可达到此目的。

④要使三旋长周期安全稳定运行,就必须使已分离下来的催化剂细粉及时排出三旋,不得在三旋内部堆积,而三旋底部泄气正可使已分离的粉料及时送出三旋灰斗.Q炼油厂催化裂化装置因未对临界喷嘴改道进行设计核算,排气量推算仅在1%左右,这可能是三旋效率降低的主要因素之一。

3、对策及建议

(1)建议研究单位开展如下研究工作:开展催化裂化催化剂钙,铁离子中毒机理的系统研究工作,提出指导性意见,即平衡催化剂钙,铁离子含量应控制在多少为宜？催化裂化装置进料钙含量是否需要控制,多少合适？进行高温(600℃左右)下催化剂流动性能动态模拟实验,开展易结垢金属研究,即催化剂中磷元素含量是否需要控制,多少合适稀土含量是否也需要控制上限等.现阶段,建议平衡催化剂上钙+铁质量分数控制不大于10000μg/g 。

 (2)现阶段Q炼油厂应开展的工作:可考虑将四旋临界喷嘴旁路,以达到加大泄气量的目的,看是否可以使三旋回收效率提高,如变化不大,则基本上可以断定是三旋内部单管堵塞,建议考虑适时停工检修。

(3)推广以工艺手段解决降烯烃间题(如MIP技术),避免大量使用降烯烃催化剂,以避免引入结垢金属成分。

(4)优选原料品种,加强电脱盐操作。优化催化裂化装置原油构成,购买部分低钙进口油种与钙含量高的胜利原油混炼.优化常减压装置电脱盐操作,控制原油脱后盐浓度在3mg/L以下,将原油中的无机盐尽可能脱除。

(5)钙含量高的油浆尽量不回炼,加大油浆外甩量.原料经过催化反应后,部分钙将在油浆中富集,油浆中钙含量将是原料的3倍以上,因此尽可能减少油浆回炼对降低平衡催化剂中的钙有利。

(6)可尝试提高烟机入口温度,避开在易形成共熔物温度区运行。J炼油厂在这方面做了有益的尝试.J炼油厂工套催化裂化装置减压渣油掺炼率在35%左右,平衡催化剂上钙质量分数为10000μg/g,最高时达到13700μg/g ,钒,稀土,铁,磷质量分数分别为1900μg/g,, 3.6%,0.45%,2.4%,都比n套催化裂化装置高,运转9个月以来未发生烟机振动高的现象,II套催化裂化装置运转约19个月发生三旋分离单管堵塞和烟机结垢现象, 比较两装置的工况,I套装置烟机入口粉尘含量较II套装置相对偏高,但最大的区别是烟机入出口温度,I套装置烟机入口温度690℃,烟机叶片流道温度估计在615℃以上,基本避开了可能形成熔液的区域.而II套装置进出烟机的温度区域正是钙等重金属形成低熔点物的温度段,在装置于2004年8月27日重新开工后,不到一个月又出现烟机振动时高时低(40一72μm)的现象,在9月28日达到最高72μm。

要避开可能形成熔液的温度区域,必须尽可能提高一再的温度,为此在9月28日进行了提高II套装置一再温度试验,基本停止外取热器取热,发汽量由6一10 t/h降低到3 t/h,烟机入口温度提高到631℃,出口温度提高到475℃,烟机振动逐渐由67μm下降到10月7日的47μm,振动基本稳定,但由于II套装置一再主风量已达到最大负荷(60 dam3/h),烧焦负荷受到限制,一再温度难以大幅度提高,烟机入口工况得不到根本改善,而且一再外取热器发汽量减少,将降低掺渣率,影响装置经济效益.因此下一步可考虑对该装置烟机进行改造,在结构上考虑防结垢问题。