催化裂化装置沉降器防结焦技术的研究与应用

张可伟，郑显伟，孙新文，何承厚，王建军

(1. 金陵石油化工有限责任公司，江苏 南京 210033； 2. 中国石油化工股份公司化工事业部，北京 100728； 3. 中国石油化工股份公司炼油事业部，北京100728)

催化裂化装置是炼油企业重要的二次加工装置。随着石油需求量的不断增长和炼油厂催化裂化掺渣比提高，催化裂化装置沉降器结焦问题日益突出【1】。结焦沉积、焦块脱落造成的非计划停车次数占比大、处理难度大，问题突出。沉降器结焦不仅影响装置长周期运行，而且已成为我国催化裂化装置安全运行的一个重大隐患。

1 沉降器结焦分析

1.1 结焦机理与原因

现有研究表明【2-3】：原料性质是沉降器结焦的重要因素之一，原料性质越差、残炭就越高；原料中沥青质、胶质和稠环芳烃等重组分含量越多，在相同运行工况下，沉降器结焦越明显。沉降器内部油气的流动状态对结焦也影响较大，沉降器结焦部位主要在流速、温度相对较低的“死区”，如沉降器内集气室周边、旋风分离器(简称旋分器)及内提升管上部外壁、稀相空间内壁等。沉降器结焦与油气停留时间长短也有一定关系，常规结构的沉降器中，油气在沉降器停留时间一般约为30 s，但器壁附近的油气流动速度慢，有时高达数分钟，导致该处容易结焦【4】。

1.2 结焦特点

通过对近年来5家企业催化裂化装置结焦情况分析，结焦存在如下几个特点：

1) 结焦层次分明。从汽提段防焦格栅上部开始，越往上部结焦现象越严重，焦块也越厚，到粗旋出口和顶部防焦蒸汽附近，焦块基本占据了大部分沉降器空间(见图1)。

图1 沉降器装卸孔处结焦情况

2) 结焦程度。粗旋和单旋的部位被焦块基本糊死(见图2)，沉降器器壁焦块的厚度在100 mm以上，旋分器外壁上焦块厚度从30～50 mm不等。

图2 软连接处结焦情况

3) 焦块密度及成分随结焦部位的不同而有所区别。软连接位置采集的焦块样品密度最高，含碳量较高，燃烧后的固体残留物为10%左右，属于典型的高温缩合生焦；旋分器等内构件外壁上的挂焦密度含碳量次之，沉降器器壁周围的挂焦组织疏松，含有大量的催化剂成分，燃烧后的固含量高达60%以上。

1.3 清焦方法

沉降器清焦是抢修和检修的重点，直接关系到检修进度和质量。由于沉降器内焦块易复燃(见图3)，温度长时间维持在100 ℃左右，无法进行清焦工作；同时清焦过程中，上部焦块存在无规律脱落风险。存在空间小、温度高、脱落等问题，一般采取如下措施：

1) 为了防止焦块复燃，用蒸汽隔离氧气，同时结合水喷淋降温。

2) 为了避免上部焦块掉落对清焦人员造成伤害，同时防止焦块塌方，清焦工作只能从上向下进行。

3) 装卸孔内部紧靠旋风分离器，空间小，人员进出困难，清出的焦块运出进度慢。因此，多采用再在器壁上开2个天窗(见图4)的方案，具体位置为人孔南侧天窗以沉降器上封头焊缝标高为基准，向下约350 mm为天窗的上口，所开天窗中心与人孔中心线之间弧长距离为2 200 mm，天窗尺寸约为1 200 mm×1 600 mm(弧长×高度)；人孔北侧天窗还是以沉降器上封头焊缝标高为基准，向下约500 mm为天窗的上口，天窗中心线与人孔中心线之间弧长距离为5 400 mm左右，天窗尺寸约为1 200 mm×1 600 mm(弧长×高度)。将开天窗方案发给沉降器设计单位确认并报特检院报检后，安排施工单位作业。通过以上措施，清焦工作才可顺利展开。天窗恢复时，严格按照压力容器的有关规定进行内、外焊接，并进行X射线检测。

图4 沉降器壁上增开2个天窗

2 沉降器防结焦技术应用

2.1 粗旋软连接改为直联

提升管出口快分的主要型式有提升管出口粗旋+沉降器旋风分离器的“软连接”型式、提升管出口粗旋+沉降器旋风分离器的“直连接”型式、旋流式快速分离器(VQS)型式等。软连接结构对施工和操作要求较高，施工过程中要保持良好的对中，在良好的压力平衡条件下，该结构抑制油气溢出、避免溢出油气结焦作用明显，而一旦催化裂化装置出现压力波动，特别是反应压力大幅度波动的情况，则容易造成软连接处油气串出，导致结焦。2012年沿江某企业Ⅱ催化裂化装置、2015年10月华南某企业催化裂化装置、2017年华东某企业Ⅱ催化裂化装置相继对粗旋软连接进行了直联改造(见图5和图6)，有效解决了沉降器结焦问题。

图5 软连接改直联结构示意

图6 改直联现场应用

2.2 旋风分离器防焦导流片技术

2013年7月，华东某企业催化裂化装置两器藏量下降，单级旋风压降突然下降，油浆固体含量上升，停工打开检查发现料腿被焦块堵死(见图7和图8)，为单级旋分升气管外壁焦块脱落所致，进而造成旋分器失效、催化剂跑剂的情况。

图7 料腿结焦堵塞情况

图8 顶旋升气管结焦情况

沉降器旋分易在翼阀口(升气管外壁脱落所致)、灰斗及料腿、旋分升气管处结焦，尤其是旋分升气管入口处，因升气管入口背面是滞流区，重质组分油气和重油液滴向升气管壁表面粘附和沉积固化累积，进而结焦。预防该部位结焦的方法是改变沉降器升气管外壁的绕流附面层流动【5】。为此，沉降器中的升气管采取增设防焦导流片的方法，以改善升气管外壁的气相流场分布(见图9和图10)，同时还可起到固定焦块作用，防止焦块脱落。

图9 防焦导流片结构一

图10 防焦导流片结构二

2013年沿海某企业催化裂化装置在沉降器单级旋分器的升气管外壁增设防焦导流片防止焦块脱落，至2015年11月停工检修，2年内未出现因旋风分离器焦块脱落而引起的非计划停工，改造效果明显。

2.3 应用新型VQS结构解决结焦问题

VQS由旋流快分头封闭罩、导流管及环形挡板式预汽提器等组成。华东某企业130 t/a重油催化装置VQS系统改造后，长周期运行时长得到了较大提高。VQS系统把催化剂和反应油气进行一次分离所携带的油气较快地带入顶旋，使油气在此停留时间缩短(一般5 s以下)，同时可预汽提催化剂所携带的部分油气，避免重组分在沉降器内停留时间长而造成结焦。

2009年4月，东北某企业Ⅰ催化裂化装置沉降器结焦脱落堵塞汽提段，导致停工，打开检查发现沉降器内部结焦严重。2011年对该装置提升管末端结构进行了改造，取消原有的粗旋加软连接形式，改为带有封闭罩的VQS，同时罩外与沉降器之间增加防焦隔板结构隔离旋风料腿催化剂携带的油气以及VQS下料口返回的油气，优化沉降器拱顶稀相防焦蒸汽分布器以提高用量，通过防焦隔板与器壁间隙形成有效驱赶油气环境，避免了油气的反串造成停留时间过长的行程结焦【6】。2013年停工检修的结果表明，该沉降器内部没有结焦，结焦问题得到彻底解决。

3 结语

沉降器结焦问题给催化裂化装置长周期运行造成较大困扰，不同装置特点和原料性质不同，结焦原因也不相同，所以需要结合装置自身结焦特点“量体裁衣”，制定出具有针对性的防止沉降器结焦的措施。文中提到的5家企业的催化裂化装置均是在分析各自装置沉降器结焦原因的基础上，有针对性地制定出防结焦的措施，通过进行粗旋与单旋直联结构、增设导流片和VQS等防结焦技术改造，成功解决了结焦问题，实际生产中取得了较好的效果。这些防结焦技术的成功应用，能从结构上消除重油催化裂化装置沉降器结焦对装置运行的危害，达到延长装置运行周期、减少非计划停工的目标。