催化裂化装置烟气轮机结垢原因分析与对策

梁忠林

（中国石油广东石化公司，广东揭阳 515200）

0 引言

随着经济的快速发展，能源消耗量也在不断增加。石油作为一种重要的化工原料和燃料，在我国国民经济中占有举足轻重的地位，而炼油企业是一个国家石油化工产业链上最主要的组成部分，其生产过程中产生大量含油、含尘废气及废渣等污染物排放到大气环境中造成环境污染。

某石化公司30 万吨/年催化裂化装置中，烟机是重要的工艺设备之一。由于催化裂化装置生产运行过程中存在大量粉尘和高温气体，因此会导致烟机出现不同程度的结垢现象。而且，随着时间推移，这些结垢物会逐渐增多、变厚，严重时甚至堵塞整个流道，使得烟气流量减小或中断，进而造成装置被迫停工检修。为了保证催化裂化装置能够安全稳定地运转，必须及时采取措施进行处理。本文针对催化裂化装置烟气轮机结垢问题展开研究，并结合实际情况提出相应的解决方案。通过对催化裂化装置烟气轮机结垢现状以及产生原因的深入分析，找出具体的解决方法，以便更好地提高装置运行效率，降低其故障率。

1 烟机结垢成因及除垢方法

为了进一步确定烟机结垢的具体情况，对该装置烟机进行全面检查。通过对烟机运行状况、烟气流动状态等方面进行综合分析后发现：在烟机正常工作时，烟气经过导流板进入转轮内部，而当烟机出现故障或异常停车时，受外界因素干扰和影响，烟气不能及时排出，造成烟气中夹带大量灰尘颗粒，并且随着时间推移，这些灰尘颗粒逐渐沉积下来形成垢层。烟气轮机主要结构包括壳体部分、叶片部分以及轴系部分，结垢部位如图1 所示。

图1 烟气轮机结垢部位

通过对该装置烟机结垢现象调查，结合现场实际运行情况，采用X 射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱分析仪（EDAX）等设备对烟机结垢样品进行检测分析，结果表明，烟机叶轮叶片上沉积的物质以CaO 为主要成分，此外还包括少量的Fe2O3、NiO、ZnO 等杂质。由于烟机叶轮叶片材料特殊，无法使用常规清洗方法去除，只能选择物理除垢法来解决。首先将叶轮拆解下来后用去离子水冲洗干净再放入超声波清洗器中超声振荡1 h，然后利用高压空气吹干备用。最后选取合适浓度的草酸溶液浸泡烟机叶轮一段时间，使得烟机内壁形成一层致密坚硬的保护膜，达到防止烟机再次被堵塞的目的。

2 原因分析和措施

2.1 催化剂问题

2.1.1 催化剂结垢

对于催化裂化装置烟气轮机的结垢问题，在进行了大量的调查后发现，导致结垢现象出现的主要原因是催化剂中含有一定量的水蒸气。为了减少催化剂中水分的含量，需要做好以下工作：首先是要保证催化剂的干燥程度达到要求；其次是通过提高催化剂的温度来降低其中的含水量；最后是加强对催化剂质量的控制力度。只有这样才能有效避免催化剂中存在过多的水汽而造成催化剂结垢，从而延长催化剂的使用寿命，催化裂化装置原料及产物分布见表1。

2.1.2 反应再生系统操作条件

通过分析装置内的催化剂、工艺流程，发现烟机结垢的另一个原因是装置内的温度过高。因此，在日常生产中应严格控制反应再生系统的运行参数，降低烟气温度，从而减少或避免因温度高造成的结垢。具体措施如下：①加强对装置各设备的巡检工作；②定期检查并及时更换磨损严重的密封件；③保证装置内催化剂床层的温度低于露点以下5 ℃以上。还要注意防止催化剂颗粒进入烟气流场中。另外，为了防止烟气冷凝后进入汽轮机内部，将其出口压力提高至0.6 MPa 左右。

2.1.3 设备改进

通过以上分析可知，导致催化裂化装置烟气轮机出现结垢现象的主要原因是催化剂在使用过程中会产生一定量的SOx气体。而这些SOx气体会随着烟气一起进入烟机内部，并附着在烟机内壁形成一层厚厚的污垢。为了减少这种情况的发生，需要采取有效措施，保证装置的正常运行。具体来说，首先要做的就是对烟气进行净化处理，清除其中的杂质，然后再利用催化剂对其进行再次加工，另外还应该定期清洗烟机，以避免污垢的进一步增加。

2.2 控制平衡催化剂稀土和磷的含量

通过以上分析可知烟机结垢的主要原因是烟气中的SOx、NH3等物质进入催化剂表面造成。因此，为减少这些物质在催化剂表面沉积，就要降低催化剂中稀土和磷的含量。为此采取以下措施：①严格控制原料油中氯元素含量；②加强工艺调整，提高催化剂活性，使催化剂保持较高的活性；③定期检查催化剂性能，及时更换老化的催化剂。通过采取以上措施，可以有效防止催化剂沉积物过多，从而避免烟机发生结垢现象。

2.3 控制平衡催化剂中钙、钒、钠、铁的含量

（1）控制原料质量。造成烟机结垢的主要原因是催化剂中含有大量的SiO2，因此在选择原料时应该尽量避免。如果非要用到这种原料，就要严格控制其质量，只有这样才能从根本上解决问题。另外，还可以采取一些其他的方法来减少或者防止催化剂中硅元素进入气轮机。比如可以将原料进行预处理，加入反应器之前先除去其中的杂质等，可有效降低或消除硅元素对烟机产生的不利影响，达到预防结垢、延长烟机寿命以及提高装置运行经济效益的目的。

（2）加强对常减压蒸馏装置电脱盐的监控。在催化剂生产过程中，为了保证产品品质，需要严格控制原料油的质量。由于催化裂化装置使用的是进口原油，因此，原油中可能会含有一定量的杂质，这些物质如果进入到烟机系统，很容易导致设备出现结垢现象。通过对装置进行检查发现，造成这一问题的主要因素就是装置内部的电脱盐设施不够完善，无法有效去除其中的杂质。

（3）优选脱钙剂。导致烟机结垢的主要因素是烟气中含有大量的CaO。为了解决这一问题，需要在烟气进入催化裂化装置之前加入一些脱钙剂来降低烟气中的钙离子浓度，这样就能够有效减少结垢现象的发生，保证装置正常运行，同时也可以降低经济损失。

（4）加大催化剂用量和使用重金属含量低的平衡催化剂。由于催化剂是烟机运行中最重要的组成部分，因此要想减少烟机结垢现象就必须提高催化剂的质量。在生产过程中可以通过以下3 个方面进行改善：①增加催化剂的数量；②降低催化剂中的重金属含量；③选择合适的催化剂型号。只有将这3 个因素同时考虑到才能够从根本上解决问题。另外还需要注意，如果在生产过程中出现催化剂中毒或者活性下降等情况，也会导致催化剂失活从而引发烟机结垢现象的发生。因此，为了避免这一现象的发生，应该尽量保证催化剂处于良好的状态。此外，还需要加强对催化剂的管理力度，定期做好检查及更换工作，以防止催化剂中毒或失效。

（5）油浆尽量不回炼，加大油浆外甩量，在保证装置正常运行的前提下，尽可能减少油浆中焦粉、沥青质等杂质的含量。同时，通过提高油浆外甩量来降低油浆中物质的含量，从而达到防止或延缓结垢现象发生的目的。另外，还要加强对原料油性质及加工工艺条件的控制，避免因原料性质变化造成结垢。由于炼油厂催化裂化工艺流程较长，且各工序之间物料存在一定的交叉影响，因此，为了确保整个系统能够平稳高效地运转，必须采取相应的技术手段，将各个环节产生的油浆进行有效分离。由于催化裂化装置是一个连续运转的系统，因此，必须确保油浆质量合格后再进行外甩处理，以免影响到后续工序的正常运行。

（6）使用抗钠和钙的金属钝化剂和催化剂，由于催化裂化装置烟气中含有大量盐类物质，会在烟机内部沉积，造成烟机内壁腐蚀。而且随着时间的推移还会逐渐增加，最终导致催化剂中毒失活，使得催化剂活性降低，从而影响了整个装置运行的稳定性。经过研究发现，向烟机内部加入适量的抗钠和钙的金属钝化剂可以有效防止烟机内部积聚过多的盐类物质，进而达到缓解或者消除烟机内部结垢现象的目的，加入具有抗钠和钙的金属钝化剂和催化剂，能有效防止催化剂出现结垢现象，保证催化剂的正常工作效率。

2.4 烟机工况

通过以上的分析可以看出，烟气中含有大量的CO、SOx等物质会导致烟机叶片上形成较厚的积灰。而且在烟机运行过程中，由于烟气流速大，烟气中携带的粉尘也多，这些因素都将加速烟机叶片上积灰的沉积速度，最终造成烟机叶片严重磨损，甚至出现断裂现象。

为了减少或避免烟机叶片上产生积灰，需要采取以下措施：①加强装置内各部位巡检力度；②提高装置内催化剂再生频次；③降低装置内温度；④定期清理烟气管道及设备内部积灰；⑤控制好烟气轮机入口烟气温度；⑥合理调整烟气轮机出口背压；⑦保证烟气轮机正常工作时处于良好状态。

通过以上方法可以有效解决催化裂化装置烟气轮机结垢问题，并能延长烟气轮机使用寿命，从而确保装置安全平稳长周期运行。同时也要考虑到催化剂在高温条件下会发生变化，所以应该及时更换新的催化剂，以免因催化剂活性下降导致装置不能稳定生产。此外，还需要关注烟气轮机的振动情况，一旦发现异常就必须立即停机进行检查维修，避免造成更加严重的后果。

3 结束语

通过分析催化裂化装置烟气轮机的工艺流程，确认导致烟机结垢的主要因素是催化剂。因此，在以后的生产过程中要严格控制催化剂质量和运行参数，防止因催化剂问题造成烟机结垢。同时也为其他同类型装置提供参考依据。同时也应该注意到，由于催化剂会随着使用时间的增加而逐渐失效，所以必须定期更换催化剂，才能保证烟机长周期安全稳定运转。另外还有装置本身设计、操作条件等其他方面的原因，也有可能引起烟机结垢，需要进一步深入研究探讨。