催化裂化油浆系统运行分析及优化措施

彭国峰，黄富，沈兴，殷嘉鹏

（1.中国石油四川石化有限责任公司，四川成都611930；2.中国石油呼和浩特石化公司，内蒙古呼和浩特010070）

催化裂化装置的催化裂化油浆（简称催化油浆）系统容易结焦，造成装置能耗增加、装置处理能力降低、系统热平衡遭破坏，严重时会造成油浆输送系统、换热系统堵塞，致使装置停车清垢［1］。分馏塔底、分馏塔盘、油浆泵和油浆换热器等设备易发生结焦，原因是原料性质、油浆化学组成、催化剂含量、油浆流速、分馏塔底温度、停留时间以及操作平稳性等。油浆中多环芳烃和烯烃和原料中金属的含量增加等均会增加油浆生焦倾向［2］。

文中对某重油催化裂化装置的油浆组成和其它参数进行分析，探讨了结焦的成因及影响因素，制定防范措施，有效抑制了油浆系统的结焦。

1 油浆基本性质

某重油催化裂化装置原料为经过渣油加氢精制而成的减压渣油。催化油浆密度1 097 kg/m3、残炭为15.21%，胶质和沥青质含量为19.1%，油浆中固体颗粒含量达到5.8 g/L，灰分含量0.301%，灰分主要是无法烧尽的催化剂成分，因此油浆主要特点为密度大、残碳高、芳烃含量较高、胶质和沥青质含量较高，饱和烃含量较少。催化剂颗粒成为结焦中心，吸附、富集稠环芳烃等大分子有机物。油浆中的有机物聚集成团，成为易被极性基团覆盖的大分子几何体，与无机物粘附、聚结、沉降，形成无机、有机混合物的结焦物质。油浆性质和组分见表1、2。

表1催化油浆和原料基本性质和馏程

表2油浆4组分

2 油浆结焦机理

油浆中铝和硅含量较高，分别为270μg/g、212.1μg/g，主要是沉降器反应油气带来的催化剂成分，催化油浆C/H为10。催化裂化反应油气中含有的催化剂细粉，进入分馏塔经分馏塔底油浆冲洗后会留在分馏塔底或随油浆循环到换热器中及油浆管线中。油浆结焦主要有3种方式：（1）油浆中多环芳烃、胶质及沥青质在较高温度及油浆中过渡金属催化作用下会发生脱氢缩合反应；（2）分馏塔底温度较高，油浆中烃类发生热裂化反应生成烯烃、二烯烃，通过自由基链反应，停留时间越长，自由基越来越多，缩聚反应越显著，多环芳烃、沥青质、胶纸结焦趋势显著；（3）油浆主要为大分子有机物组成，凝点为18.03℃，易冷凝结焦。

3 油浆结焦原因分析

3.1 催化剂

3.1.1 催化剂的氢转移反应活性催化剂氢转移反应活性会影响产物中高沸点不饱和烃和芳烃的含量。氢转移反应是由不饱和烃参与的双分子反应，烯烃一方面作为氢的接受者生成饱和物，另一方面作为氢的给出者，本身成为正碳离子或不饱和物。夺氢分子夺取1个氢，生成不饱和度减少的分子，供氢分子失去氢，生成不饱和度增加的分子，最终生成富氢的饱和烃和缺氢的环烯烃、芳烃、多环芳烃、缩合多环芳烃等结焦母体，其吸附催化剂颗粒表面上为结焦提供了可能［3，4］。

3.1.2 催化剂的机械强度、球形度、筛分组成等参数油浆中硅铝含量高达270μg/g和212.1μg/g，说明油浆结焦与催化剂细粉含量有关。机械强度弱、球形度差的催化剂易磨损产生＜5μm的细粉，沉降器旋分分离器难以分离，随高温油气进入分馏塔，造成油浆中结焦中心增多，结焦趋势增强。

3.2 操作条件

3.2.1 温度分馏塔底温度高是结焦的直接原因。分馏塔底液相温度高，将塔底轻质油气组分汽化分离，增加轻质油收率。油浆中饱和烃较少，其大量芳烃、烯烃进一步缩合成胶质、沥青质，部分胶质又转化为沥青质，造成结焦倾向加剧。

3.2.2 流速油浆流速过低不能充分携带油浆中悬浮催化剂及无机物颗粒，造成颗粒物容易沉积而加剧结焦。油浆中固体含量越高，与大分子有机物越容易接触而发生聚合、缩合反应，尤其在分馏塔底等搅拌蒸汽、搅拌油浆作用不均匀的死区或者在流速较低的油浆管道等区域容易沉降、结焦。在反应器催化剂跑损严重和油浆外甩量较小时，会明显加快结焦。

为使油浆循环系统不结焦，油浆在管道中的流速应不低于1.2 m/s，在换热器的管程内宜控制在1.0 m/s以上。该催化装置油浆外甩冷却器流速仅为0.787 m/s，因此非常容易结焦而堵塞管线。

3.3 密度和固含

油浆密度可间接反映其组成和残炭等性质，通过调节油浆外甩量和反应深度可控制其密度。

油浆中固体含量包括催化剂颗粒和焦粒，固含高会造成严重结焦和对设备管线的摩擦损伤。

3.4 停留时间

将油浆循环量控制在666.7 t/h左右，分馏塔底液位控制在30%～40%，较低的液位利于催化分馏塔长周期运行，低停留时间可以减少结焦。分馏塔底在不同液位下得到油浆停留时间见表3。

表3油浆停留时间

4 防止油浆结焦优化措施

4.1 选用合理的催化剂及反应深度

控制好催化剂的反应倾向，尽量减小氢转移反应，减少富氢的饱和烃和缺氢的环烯烃、芳烃、多环芳烃、缩合多环芳烃等结焦母体生成同时通过反应深度控制好油浆的密度、固含是减少系统结焦的根本。同时选择催化剂的机械强度、球形度、筛分等参数，减少细粉的产生，减少油浆系统细粉夹带量。该催化裂化装置选择催化剂磨损指数一般不大于1.8%。

4.2 加注阻垢剂

油浆阻垢剂阻止了油浆结焦。催化装置油浆阻垢剂加入比例为200 mg/kg（相对外甩油浆）,其为多功能复合添加剂，主要具有以下3个功能：

（1）分散作用，阻止油浆中的催化剂细粉颗粒的凝聚，沉积，使其由原来相对静止状态改变为相对游离状态，防止其沉积成垢物；（2）防止氧化作用，烃自由基氧化后与油浆阻垢剂反应生成惰性分子，终止链反应，不能聚合成更大分子；（3）阻止烃类分子反应聚合结垢。

4.3 控制油浆最大循环量，采用较低的塔底温度

加大油浆循环量，增大循环油浆线速、降低分馏塔底停留时间。通过调控油浆上、下返塔流量，可保证油浆下返塔对分馏塔底的搅拌降温作用，保证上返塔油浆对反应油气起到脱过热洗涤作用，防止结焦现象后移。

该催化装置实行油浆系统最大循环量控制，加大油浆下返塔循环量以控制较低的塔底温度，在保证油浆对反应油气脱过热洗涤情况下，将分馏塔底温度控制在335℃以下，控制油浆上返塔流量不低于360 t/h，油浆下返塔实施最大流量控制且流量不低于300 t/h。外甩油浆量控制在16 t/h，尽量提高油浆在换热器、管线中的线速。

4.4 提高流速，换热器尽量只走冷路

为了使油浆循环系统的管道和设备不结焦，油浆在管道中的流速应不低于1.0 m/s。换热器的副线启用应当慎重，确保油浆换热器内流速不低于1 m/s，避免油浆在换热过程中，由于油温降低，粘度增大而结焦。由于催化外甩换热器设计不够合理，油浆在换热器中流速仅为0.787 m/s。2017年10月，催化外甩换热器出现过结焦堵塞情况，计划在油浆外甩冷却器后增设1条管线至油浆返塔循环线上，提高油浆外甩换热器线速。

4.5 油浆换热器设置冲洗油系统

油浆换热器和油浆泵出入口阀在长期运转过程中存在部分截流现象，为避免油浆活动区域死区、缓区内结焦，该催化装置在循环油浆换热器以及外甩油浆换热器等部位设有柴油冲洗油线，柴油能够溶解油浆中沥青质、胶质以及软焦等。油浆系统发生结焦时，可以打入柴油冲洗油。2017年10月份，外甩油浆换热器因长时间线速较低而结焦，外甩油浆量在4 h内从16 t/h降低至4 t/h，且流速下降加快，采取打入柴油冲洗油等方法解决了外甩油浆换热器结焦问题，恢复正常生产。

4.6 调节油浆外甩量

油浆中催化剂通过油浆外甩排出，能够减轻油浆系统结焦。该催化装置油浆外甩量为18 t/h，控制外甩6.0±0.5%。同时，定期分析油浆中饱和烃含量，控制油浆中饱和烃含量低于20%。

4.7 合理利用搅拌油浆和搅拌蒸汽

通过打入搅拌油浆和搅拌蒸汽可以迅速降低塔底温度和形成扰动，防止不溶物粘在管壁和塔壁形成流动死区，防止催化剂颗粒沉积，堵塞塔底油浆滤焦器。分馏塔底搅拌蒸汽一般为1.8 t/h。

4.8 控制外甩油浆温度较高

外甩油浆温度一般控制在80～90℃之间，其温度过高过低均容易造成结焦。该催化装置油浆温度一般控制在88℃左右，稍高的温度不仅有利于节能，同时由于油浆主要为大分子有机混合物，高温不易造成油浆组分凝固。

4.9 投用油浆过滤器

催化油浆中固体颗粒物质含量一般为5 g/L以上，固体颗粒为结焦核心，容易引发油浆系统结焦和沉积。该催化装置采用全自动油浆过滤器能够使油浆灰分去除率高达90%以上［5］，是在线减少油浆固体含量和催化剂颗粒的先进方法，也是产生较好油浆产品的有效措施，能显著改善后路油浆系统以及油浆后续加工产生的结焦问题。

5 结束语

通过选用结构坚固球形分子筛催化剂，控制粒度分布，达到减少油浆中催化剂细粉；控制分馏塔底液位35%，外甩油浆收率6%，控制油浆饱和烃含量为20%，调整循环油浆量大于667 t/h，控制油浆系统线速大于1.0 m/s，注入油浆阻垢剂，投用油浆过滤器等，合理使用搅拌油浆和搅拌蒸汽等，保持油浆系统良好运行，生产长期趋于稳定。