重油催化裂化装置反应器结焦的原因及对策

黄炎彬，周冬明

（中国石油天然气股份有限公司广东石化分公司，广东揭阳522000）

石油公司炼油装置的核心是重油催化裂化装置，它也是体现炼油部分效益的关键装置。随着催化裂化原料油的重质化、劣质化，催化裂化反应器结焦问题更加突出，给生产安全平稳带来了巨大隐患，因反应器结焦而导致的炼油非计划停工将造成公司巨大的经济损失。反应器结焦已经成为影响装置长周期正常运行的一个重要因素，因此对重油催化裂化装置反应器结焦原因进行分析和对策研究具有现实意义。

本文以MIP工艺中的重油催化裂化反应器为研究对象。该反应器结构由提升管、待生斜管、汽提段、沉降器、快速分离器、单级旋风分离器集气室等部分组成。提升管是一根带有中间变形反应段的长59.3 m的管道，正常运行时管内介质为催化剂和油气，油气喷嘴由提升管下部进入。提升管上部出口处设置气固快速分离器，用于分离油气和催化剂并抑制二次反应的继续。沉降器的作用是分离来自提升管的催化剂和油气。反应油气经过旋风分离器分离出油气所夹带的催化剂后进入集气室经油气大管线进入分馏单元，由旋风分离器下部分离出来的催化剂依靠自身重力向下沉降进入汽提段。

1 催化裂化装置结焦原理

结焦的过程一般来说可以分为两种情况：一种是催化裂化反应过程中结焦。催化裂化反应过程是由低氢碳比的重质油在催化剂的作用下反应转变为高氢碳比的轻质油，在此过程中必然会生成焦炭，如烯烃、胶质、沥青质、芳烃的易生焦物，在高温下具有较强的结焦趋势，它是通过脱氢缩合反应，依附在催化剂颗粒上并以其为结焦中心而逐步成长，直至生成焦；另外一种结焦情况则是由高沸点的重油组分（未汽化或冷凝）以液滴状态粘附在设备或者催化剂表面，或者是先粘附在催化剂颗粒上，再粘附在沉降器器壁以及内部构件上，在一定的温度和时间的共同作用下逐渐累积结焦，形成焦块[1]。

2 反应器结焦的原因

在生产检修过程中，发现重油催化裂化装置反应器的结焦主要发生在提升管喷嘴处、沉降器内壁和内壁构件、油气大管线处。

2.1 提升管喷嘴处结焦

提升管喷嘴处结焦一般是在原料喷嘴正上方的提升管内壁处。结焦的焦块内部为硬质焦，外部是油焦，焦块中催化剂含量很高，颜色为灰黑色。在结焦初期对正常生产影响较小。随着结焦焦层增厚，提升管的内径减小，提升管内部有效流通面积变少，流通量减小，催化剂循环量大大减少，从而提升管内压降增大，反应温度将无法控制。

提升管喷嘴处结焦的可能原因有：

（1）油气喷嘴的选型不合理，雾化状态不好。

（2）提升管进料时原料油与催化剂接触效果不好：混合进料的温度偏低，混合原料的雾化效果不好；剂油比偏小，原料油性质变重[2]。

2.2 沉降器内壁和内壁构件结焦

沉降器内壁和沉降器内部构件结焦情况最为严重，该情况对装置的安全运行存在较大危害，结焦焦层厚度高达30 cm。沉降器内部能够挂焦的位置均能结焦块，焦块的质地硬度较大，清除难度高。沉降器内壁构件及沉降器内壁上的焦块在平稳生产运行时对生产影响较小，但是当生产操作出现较大波动，如反应温度出现大幅波动时，沉降器内部温差变化较大，沉降器内壁或构件上附着的焦块可能就会因此断裂、脱落到反应器的汽提段中，落至汽提段底部，卡在待生斜管入口或者是卡在待生斜管中的待生滑阀上端，从而导致待生催化剂无法正常下降至再生器。堵塞情况较轻时还可以降量以维持生产，堵塞情况较重时则需停工检修。

沉降器和沉降器内部构件的结焦是物理原因及化学变化共同作用后产生的结果，原料油汽化不完全而附着在催化剂上和催化裂化反应后高沸点重组分的冷凝是沉降器内结焦的物理原因；而油气中烯烃的聚合反应、环化反应以及稠环芳烃、沥青质、胶质在高温下的缩合反应则是沉降器内结焦的化学原因。

2.3 油气大管线结焦

反应器顶部出口至分馏塔入口处的油气大管线上结焦的焦块为黑亮硬焦并呈层状分布，焦块的厚度随着运行时间的延长而增厚。当焦层成长到一定的厚度之后，有效流通面积减少，将使催化裂化系统的压降上升，分馏塔压力降低，从而使气压机入口压力低于正常值。不仅增加能耗，而且气压机长期低负荷运行不利于系统平稳操作。

油气大管线的结焦主要与管线的保温有关，当反应油气经二级旋风分离器分离出催化剂后，反应油气中的重芳烃或胶质以及沥青质，接触到管线内表面或者冷壁面之后，高沸点重组分遇冷凝结，附着在管壁上。在较长时间的高温下，产生缩合等化学反应而逐渐形成焦炭。

3 反应器结焦的对策

3.1 减少提升管喷嘴处结焦

3.1.1 选用新型适用的雾化喷嘴，改善雾化效果

使用Optimix原料进料雾化喷嘴，该技术采用美国UOP专利技术，在提升管中仅设有14个混合原料（新鲜原料油、回炼油浆及回炼油）喷嘴，不设置热电偶以及密度和压力测点，把结焦可能附着物减到最少。该提升管喷嘴采用的是三级雾化，可以形成均匀的平面扇形雾化区，雾化液体颗粒小，喷雾区流量均匀，粒径分布窄，压降适中，雾化蒸汽量少。雾化液滴粒径与再生催化剂粒径相似，保证原料油能够快速气化，改善产品分布并减少结焦。

3.1.2 控制合适的进料温度

原料油预热温度应大于180℃，在正常的进料温度下，原料油粘度小于5 mm2/s。原料油进料温度太低会导致原料油粘度大，雾化效果差，从而导致液焦增多[3]。

3.1.3 控制合适的剂油比

合适的剂油比能够提高原料油的气化率以及裂化能力。剂油比应控制在6以上。

3.1.4 控制适合的反应温度

过高的反应温度使结焦速度增快；过低的温度会使油气中高沸点组分有凝结的趋势，增加结焦倾向。因此应根据原料性质来决定适合的反应温度。

3.2 减少沉降器内壁和内壁构件结焦

3.2.1 采用适量的防焦蒸汽量

防焦蒸汽应使用二级孔式喷嘴，喷嘴出来的蒸汽覆盖反应器顶部所有空间，防止油气接触到沉降器顶部冷凝结焦。

3.2.2 缩短油气与催化剂的分离时间

减少油气在沉降器的停留时间，有利于减少二次反应，降低旋风分离器和沉降器内的结焦，如采用美国UOP开发的VSS快速分离技术，极大地缩短了油气与催化剂的分离时间，由原来的20～25 s缩短至6～7 s，大大减少了二次反应，减少结焦[4]。

3.2.3 维持操作平稳及加强保温

减少操作波动与温降，减少结焦的几率。

3.3 减少油气大管线结焦

采用冷壁设计油气大管线；尽可能缩短油气大管线设计长度，减少油气在油气大管线的停留时间；反应器油气出口应使用大曲率半径的弯头，油气进入分馏塔处使用小曲率半径的弯头；合理设计油气线管径，控制适宜的油气线速；油气管线为热壁设计时应加强保温；停工检修过程中加强大油气管线焦清除工作。

4 结束语

本文充分了解重油催化裂化反应器结焦原因并加以遏制，使装置长周期正常运行，在实际生产中减少因结焦带来不必要的经济损失。

[1]马伯文.催化裂化装置技术问答[M].北京：中国石化出版社，2003.

[2]梁凤印.流化催化裂化[M].北京：中国石化出版社，2005.

[3]沙胜利，王志涛，梁顶华，等．重油催化裂化装置防结焦措施探讨[J]．河南化工，2007（24）:2.

[4]张磊，李茂鹏，祁凯华，等.3.5 Mt/a重油催化裂化装置防焦技术探讨[J].化工技术与开发，2017，46（1）：57.