烟气轮机结垢原因分析及预防措施

2014-06-09隋志国徐惠丽蔺世桢

化工科技 2014年6期

邢东，隋志国，徐惠丽，蔺世桢

(中国石油吉林石化公司炼油厂，吉林吉林 132022)

催化裂化是重质石油烃类在催化剂的作用下反应生产液化气、汽油、柴油等轻质油品的过程，是石油炼制企业主要的二次加工装置，在我国大约80%(质量分数)的汽油和1/3的柴油均来自该工艺[1]。中国石油吉林石化公司炼油厂Ⅰ套催化裂化装置设计加工能力140万t/a，包括反应-再生单元、主风机组单元、分馏单元、气压机单元、吸收-稳定单元、产汽及余热锅炉单元，其中主风机组是装置的核心设备，烟气轮机(以下简称烟机) 运行状况直接影响装置的能耗和长周期运行。多年来，因烟机结垢造成机组振动值超标、烟机叶片磨损、机组报废甚至整套装置非计划停工时有发生，对装置的安全生产、长周期稳定运行及经济效益构成了严重威胁，中国石油吉林石化公司炼油厂Ⅰ套催化裂化装置2011年曾经发生一起烟机结垢问题，经过深入分析、查找原因、采取相应措施，使问题得以解决。

1 烟机结垢现象、原因分析

1.1 烟机结垢前期现象

2011年10月之前烟机运行状态良好，曾创下连续运行时间13 512 h的记录，10月9日发现再生催化剂和三旋细粉呈暗红色，与正常的灰白色细粉颜色有明显变化(催化剂颜色对比见图1)，同时三旋细粉量增加了近1倍。10月16日6∶26烟机有4点监控振动值由正常时的54、28、24、45 μm分别上升至65、35、26、51 μm(工艺指标值≤8 0μm)。因在可控范围内，烟机监护运行，并采取关小烟机入口蝶阀开度的措施来减小烟机振动，调整后烟机振动值开始逐渐下降至58、36、26、47 μm；此后烟机振动值多次阶跃式变化，最高上升至102 μm，烟机振动曲线见图2。判断是烟机转子结垢，垢层脱落破坏转子动平衡导致振动值升高。为避免结垢加剧可能导致的烟机叶片断裂，被迫将主风机切至备机运行，烟机进行检修。

图1 催化剂颜色对比

时间图2 烟机振动值曲线

1.2 烟机解体检查状况

2011年10月26日9∶00，烟机解体后发现烟机叶片结垢，进气锥有块状垢，烟机围带结垢呈圆环状，厚度约3 mm，垢片为暗红色。烟机叶端磨损严重，磨损产生的凹痕深度在(3～4)mm。烟机垢片及烟机叶端磨损照片见图3、图4。

图3 烟机垢片照片

图4 烟机叶端磨损照片

1.3 烟机结垢成因分析

烟机垢样颜色暗红，硬度高，没有明显分层现象，从断面看比较均匀，说明结垢速度较快。对垢块样品的化学成分进行了分析，烟机垢样物相分析图谱见图5，化学组成见表1。

θ/(°)图5 烟机垢样物相分析图谱

表1 吉林石化公司炼油厂催化剂垢样化学组成w/%

续表

由图5和表1对应的详细分析数据可以看出，样品中含量较多的元素有Al2O3，SiO2，Fe2O3，La2O3，CeO2，Sb2O3，MnO，Cr2O3等。其中Al2O3，SiO2，La2O3，CeO2为催化剂本身所固有的物质，Sb2O3推测为金属钝化剂带来的，而Fe2O3，MnO，Cr2O3等推测为金属杂质引起的。

分别在不同时间段对再生平衡催化剂样品(2011年3月样品1、2011年9月样品2、2011年10月样品3、2012年1月样品4)和三旋细粉(2011年10月样品5)进行粒度和重金属含量分析，结果见表2、表3。

表2 催化剂粒度分析数据 φ(样品)/%

表3 催化剂重金属分析数据 w/(mg·kg-1)

由表2、表3催化剂常规分析数据可以看出，10月份再生平衡催化剂中Fe、Na、Ni、Ga等重金属含量较9月份均大幅度增加，其中w(Fe)高出近3 000 mg/kg,这与烟机垢片主要成分w(Fe)较高高度吻合。且再生平衡催化剂中(20～40)μm 小颗粒细粉明显增加，80 μm以上大颗粒明显减少，表明催化剂在再生器中发生了破碎。同时，由于装置使用降烯烃催化剂，该剂使用一定量的稀土作为催化剂的有效成分，而稀土元素最易产生静电，强化了催化剂粉尘颗粒的吸附作用[2]。另外，装置烟机入口的操作温度在630～660 ℃，为低熔点共熔物提供了熔化的条件，由于大量的钠离子和铁离子吸附在催化剂细粉表面，形成的低熔点的共熔物也起到了粘结剂的作用，加速了催化剂细粉的粘连和堆积。由于系统中催化剂细粉含量大幅度增加超出了三旋的运行负荷，大量的催化剂粉尘伴随烟气进入到烟机，携带大量催化剂粉尘的烟气以15～23 m/s的线速高速运行，催化剂颗粒之间或颗粒与管壁之间产生剧烈的摩擦作用，产生静电电荷，导致催化剂以静电的形式被吸附到烟机或管壁上。

近几年各石化企业、科研院所的不断深入研究表明：大量催化剂细粉的存在、催化剂颗粒的静电吸附作用、有粘结物质存在等因素促使垢的形成[3-4]。也有研究资料显示，钠作为氧化铝的熔剂，降低了催化剂结构的熔点，在正常的再生温度下使催化剂污染部位熔化，把沸石和基质一同破坏。铁离子的增加会降低催化剂的骨架强度，导致催化剂极易破碎，且铁离子在催化剂表面沉积形态为Fe3O4或Fe2O3，能够与Na2O等形成低熔点的(<500～667 ℃)共熔物[5]，因此可以初步得出如下判断：烟机垢样中富集了大量的Na、Fe等金属和硫酸根离子，这些金属和阴离子形成低熔点盐类可能是引起烟机结垢的主要原因，烟机入口的粉尘含量高也为烟机结垢提供了物质基础。

2 采取的预防措施

2.1 控制催化裂化原料金属含量

(1) 优化常减压装置电脱盐操作，破乳剂加入量控制在15×10-6(与原油体积比)，优化脱盐温度、注水量、混合强度等控制措施，严格控制原油脱后ρ(盐)<3 mg/L，目前脱后ρ(盐)=1.7～2.2 mg/L。

(2) 优化平衡重油二次加工装置的原料性质，对一常压、二常减压的蜡油、常压渣油、减压渣油相关原料组分定期分析，在3套催化裂化装置、延迟焦化装置间做好平衡，减少高金属含量原料进催化加工。降低裂化装置原料中的金属特别是钙、铁、钠离子的含量。

2.2 控制系统中平衡催化剂的重金属含量

(1) 查清烟机结垢原因后，立即用以前重金属含量比较低的平衡剂对系统催化剂进行置换，同时加大新鲜剂加入量，使系统平衡剂w(Fe)降到4 450 mg/kg以下。

(2) 催化剂自然跑损单耗在0.45～0.6 kg/t，为避免重金属在平衡催化剂上过高富集，采取每周外卸部分平衡剂，控制催化剂单耗在0.9～1.0 kg/t。

(3) 每旬分析平衡催化剂重金属含量，严格控制平衡催化剂的Ca、Fe、Ni等重金属的含量。重点监控w(Fe)≤4 500 mg/kg，w(Ni)≤5 000 mg/kg(图6为近期11个批次催化剂的分析数据)。

分析批次图6 平衡催化剂重金属分析

2.3 控制烟气中催化剂的细粉含量

(1) 每批新鲜催化剂使用前，按出厂质量报告单质量指标逐项复检，对可能导致催化剂破碎的磨损指数、灼烧减量等指标重点关注，要求新鲜催化剂中小于20 μm组分体积分数≤ 3%。

(2) 主风事故蒸汽(自保阀小跨线)、燃烧油喷嘴保护蒸汽等进入再生器的蒸汽，一方面要保证处于过热状态，避免带水；另一方面汽量尽可能小，防止催化剂热崩。

(3) 在满足再生烧焦的情况下控制较低的再生器温度，一般控制在685 ℃以下，减少高温对催化剂的影响。

(4) 提升管反应器预提升介质使用干气，预提升蒸汽降至最低，一方面干气可以起到对重金属的钝化作用，另一方面预提升蒸汽量的降低也可以减轻催化剂水热失活和破碎[6]。

(5) 主风量、再生压力调整控制平稳，使旋风分离器处于最佳工况，保证旋分效率，降低烟机入口的催化剂细粉浓度。

(6) 三旋细粉储罐中的细粉每周二、周五外卸2次，并保证卸空。防止因储罐中细粉料位过高影响三旋旋分效率。

2.4 优化烟机运行管理

(1) 烟机轮盘蒸汽要确保过热度，防止蒸汽带水。

(2) 严格控制蒸汽品质，避免水蒸汽中含有的Ca、Mg、Fe、Na等离子超标。

(3) 加强烟机入口粉尘浓度监控，三旋出口粉尘质量浓度最好在160 mg/m3以下。

(4) 对烟机振动值、烟机效率等能够反应结垢倾向的参数予以重点关注。

3 实施效果

中国石油吉林石化公司炼油厂Ⅰ催化裂化装置通过采取优化原料结构、严格控制原料中w(Fe离子)≤8.5 mg/kg；定期外卸平衡剂、补充新鲜催化剂，控制催化剂单耗在0.9～1.0 kg/t，维持系统平衡剂w(Fe离子)≤4 500 mg/kg；优化工艺平稳操作，减少催化剂细粉生成等措施，取得了明显效果。

3.1 烟机结垢得以控制

自2011年11月份更换完烟机转子经历了2012年5月份全区装置大检修、2013年5月份烟机正常检修(按照中油公司《烟气轮机长周期运行管理技术导则》要求主动停机，更换备用转子)，烟机2次解体检修，仅动叶片叶根有轻微催化剂冲刷的痕迹，进气锥、静叶环围带均未发现结垢现象，烟机结垢问题得到彻底解决，为装置的长周期平稳运行奠定了基础。