重整反应器器壁积碳原因分析及预防措施

重整反应器器壁积碳原因分析及预防措

施

摘要连续重整装置在石油加工产业链中占据着举足轻重的地位，对于炼化企

业的整体物料平衡和效益提升起着至关重要的作用。作为大型炼化企业最重要的

二次加工装置之一，连续重整装置可以把上游装置来的廉价石脑油通过重整反应

转化成高效的汽油产品和化工产品，同时富产氢气和液化气，供其它用氢装置使用。但是，随着连续重整工艺的不断发展和重整反应苛刻度的不断提高，重整装

置在运行中出现的问题也层出不穷，其中重整反应器器壁积碳问题就是其中之一，重整反应器器壁积碳严重影响重整装置的安稳运行，必须采取有效的措施加以预

防和控制。本文通过对重整反应器器壁积碳的原因进行详细的分析，提出有效的

预防和控制措施，从而保证重整装置的长周期安稳运行。

关键词连续重整；反应器；器壁；积碳；丝状碳；硫含量

1 概述

某连续重整装置于2018年9月建成投产，装置由70万吨/年预加氢、140万

吨/年连续重整、1360kg/小时催化剂连续再生以及配套的公用工程部分组成。本

装置以直馏石脑油、渣油加氢石脑油和加氢裂化重石脑油为原料，生产拔头油、

戊烷油、C6～C7馏分（抽提装置原料）、混合二甲苯（去PX装置）、C9C10高辛烷

值汽油调和组分、重芳烃，同时副产H2和液化气等产品。装置设计操作弹性为60～110%,年开工时间为8400小时。

重整反应部分采用UOP超低压连续重整工艺技术及R-334 催化剂，平均反应

压力0.35MPa，反应温度536℃，体积空速1.6h-1，氢烃分子比2.5：1（体积分数），C5+馏份辛烷值为RON105.2。重整4台反应器采用并列2台+2台叠置式，

物流为上进上出，降低了反应-再生构架高度。

作为连续重整工艺核心部分的催化剂再生系统采用美国UOP公司最新的CycleMaxⅢ工艺技术，并采用Chlorsorb工艺技术回收再生放空气体中的氯，在Chlorsorb氯吸附后又增加了再生气脱氯设施。

2 装置存在的主要问题

装置自2018年9月投产运行至今，总体运行比较平稳，但是催化剂再生系统因为仪表原因、阀门故障、保温伴热不到位、催化剂提升管线不畅等原因发生多起热停车事件。

装置开车以来催化剂再生系统热停车事件统计如下：

从统计结果看，装置在停车检修以前，再生系统每个月热停车的次数在2～4次，装置检修完开车以后再行系统热停车的次数明显下降，每月不到一次。

装置于2019年6月份进行停车检修，重整催化剂按计划进行卸剂、筛分。在卸剂过程中发现卸出的催化剂中含有较多的积碳块，内部检查发现反应器器壁与扇形筒之间有大量的积碳块；催化剂卸剂、筛分及反应器清理的积碳块图片如下。

图1 催化剂中的积碳块图

2 筛分出的积碳块

图3 从反应器内清出的催化剂及积碳块

在对反应器进行检查时发现，在扇形筒下部与反应器器壁之间存在大量的积碳块，3、4反比1、2反多，其中3、4反扇形筒支撑圈受碳块挤压而变形，有5根扇形筒受碳块挤压在支撑圈处变形损坏，另外在扇形筒网格之间存有大量的催化剂颗粒（见下图）。

图4 受挤压变形损坏的扇形筒

图5 扇形筒网格中的催化剂

3 重整反应器结构及流程

UOP重整装置重整反应器一般采用四合一或2+2重叠式布置，每台反应器由沿器壁周围布置的若干扇形筒、中心管、盖板和催化剂下料管等内构件组成，正常情况下催化剂从还原段通过输送管进入第1反应器的中心管和扇形筒之间的催化剂床层，靠势能缓慢地向下流动，通过下料管进入下一反应器；加热到反应温度的高温油气从反应器的入口进入扇形筒，之后径向穿过催化剂床层与流动的催化剂接触发生重整反应，反应产物汇入中心管从中心管顶部流出反应器，再经过加热到需要的反应温度后进入下一个反应器。

重整反应器结构示意图如下：

图6 催化重整反应器结构示意图

4 积碳的原因分析

在连续重整反应条件下，可能形成积碳的原因有两种，一种是重整高温部位在循环氢突然中断时，会在加热炉炉管、反应器底部催化剂死区、换热器等高温

部位出现积碳；另一种就是正常生产过程，由于反应器器壁金属表面与轻烃分子

在高温下结焦，并附着在器壁表面，逐渐长大形成积碳块。由于装置自开工以来

未发生循环氢中断事件，第一种原因基本可以排除；为了进一步确认第二种原因，委托设计院对积碳块的成分进行分析，主要元素组成分析结果如下：C 94.02%、

H 0.57%、Fe 1.04%、Al 0.46%，其它为Cr 347.8μg/g、S i 149.9μg/g、Mn 111.1μg/g、Ca 73.9μg/g；扫描电镜表征积碳块外貌，发现有较为明显的丝状

碳结构见下图。

图7 积碳块SEM扫描电镜图

UOP 针对反应器内的积碳进行过类似的分析，下图为 UOP 对积碳的电镜分

析图片。

图8 UOP重整反应器内积碳电镜分析图片

对比UOP的电镜分析图片，基本可以判断本装置的积碳为发生在反应器器壁

的丝状碳，即由第二种原因引起的。目前大家普遍接受的丝状碳形成机理为：气

相的烃类分子吸附在金属表面，吸附的烃分子经过一系列分解、脱氢反应，在金

属表面生成碳原子；这些碳原子逐渐的融入或者深入金属的晶粒间或者金属的颗

粒间；随着时间的推移，金属颗粒上生成的炭不断的向颗粒间转移，并逐渐生成

金属丝碳，最后将金属颗粒推出金属母体。

通常碳的沉积是一个包含不同生长形式的复杂结构，大致可以分为三大类：

无定形炭、石墨炭和丝状炭，对于处于烃类环境中的金属器壁，其丝状炭的生成

速率比无定形炭快100 倍以上。

图9 重整反应生碳与温度的关系

据文献介绍，在重整反应高苛刻度的操作条件下，烃类物质易被吸附在反应

器的金属晶粒表面，再由于脱氢或氢解等反应产生原子炭并溶解在金属晶粒中，

产生前端带有金属粒子的丝状碳，刚开始较细，随着时间延长进一步催化脱氢而

变粗变长。因此，这种发生在反应器器壁的积碳主要是顶端带有铁粒子的丝状炭，该丝状炭在420～450℃即可形成，这与普通情况下催化剂上的积碳有所不同，催

化剂上的积碳呈薄层均匀地沉积在催化剂上。

图10 重整反应器丝状碳的生成示意图

随着反应器壁与扇形筒之间生成丝状碳及积碳量的不断增加，由于扇形筒被

支撑圈固定，长时间扇形筒就会因受挤压而变形损坏，导致催化剂跑损，支撑圈