催化裂化结焦分析和防范措施

催化裂化装置结焦分析和防结焦措施

摘要：随着原油价格上涨，原油重质化和劣质化是各炼油企业实现效益最大化的有效方法，由此带来了催化裂化装置结焦问题，目前重油催化裂化装置不可避免的存在结焦问题。催化裂化结焦主要是由于原料性质变重后，原料喷嘴的雾化效果差，原料油在催化剂上不能完全汽化而产生湿催化剂，这些湿催化剂粘附结焦是引起提升管及沉降器内结焦的主要原因，而油气中重组分油气遇冷凝结，粘附在器壁上，长时间高温条件下发生缩合反应生成焦块，则是油气大管结焦的主要原因。

关键词：催化裂化；结焦；分析

1 前言

催化裂化装置是炼油企业的核心装置，也是影响炼油企业效益的重要装置，如何减少催化裂化装置结焦延长装置运行周期，已成为各炼油企业实现效益最大化的重要手段。湛江东兴1#催化裂化装置经过数次改造，由蜡油催化裂化改为重油催化裂化，2005年由洛阳设计院对催化装置进行扩能改造后，处理量提高至50万吨/年，设计减渣掺炼比例40%。随着装置掺渣量的提高，结焦已成为影响装置长周期运行的重要因素，特别是沉降器的结焦长期威胁着装置的安全平稳运行。1#催化裂化装置于05年3月16日一次性喷油成功后，由于掺渣量大，装置结焦较为严重，见表一。2007年3月14日按计划进行检修，停工打开沉降器清焦时发现，装置结焦严重，清出的焦炭共约50吨，见图一。目前1#催化装置沉降器内部结焦也较为严重，本周期运行过程中曾两次出现焦块脱落，造成催化剂循环困难现象。本文通过分析结焦的原理及部位，结焦的原因，采取相应的防范措施，避免在生产过程中提升管、沉降器、油气大管、分馏塔底及油浆换热系统结焦，确保装置安稳长周期运行。

图一：2007年3月检修时，由沉降器清出的焦块

表一：沉降器至气压机入口压力实测数据

2 催化裂化装置结焦原理

一般来说结焦的过程可以分为两种，一种为催化裂化反应结焦，催化裂化反应是一个重油脱碳的过程，由低氢碳比的重质油生产高氢碳比的轻质油的过程，因此必然生成一些焦炭，一些易生焦物(烯烃、芳烃、胶质、沥青质)在高温下具有很强的结焦倾向，通过脱氢缩合反应，以催化剂颗粒为结焦中心逐渐长大，最后生成焦。另一种结焦则由高沸点的未汽化的重油粘附在催化剂或设备的表面，形成内壁的结焦。结焦的过程可分为粘附、固化和增长3个阶段。重组分油气以液滴的形态存在，这些液滴在运动中黏附在器壁上，或黏附在催化剂颗粒上再沉积到器壁上，然后在一定的温度和时间条件下发生结焦反应固化，并逐渐累积增长形成焦块。

3 催化裂化装置结焦情况及原因

1#催化裂化装置掺炼减压渣油后，两次检修发现结焦主要发生以下几个部位：

3.1 提升管上部

提升管喷嘴上部结焦一般分布在喷嘴正上方的提升管内壁上。一般焦块外面为油焦、内部为硬质焦，这些焦块催化剂含量较高，一般为灰黑色。提升管内壁喷嘴上方结焦初期对生产基本没有影响。不过随着焦层增厚，提升管内径缩小，内部有效流通面积减少、流通量降低，催化剂循环量减少，导致提升管压降升高，反应温度无法维持。此部分焦块形成的可能原因有：①原料性质过重；②混合进料温度低，原料雾化效果差；

③原料喷嘴雾化效果差。

3.2 沉降器内壁及沉降器内部构件

沉降器内壁及沉降器内部构件结焦最为严重，且对装置的安全运行危害最大，焦层厚度可达30cm，在沉降器内部凡是能够挂焦的地方均结满焦块，焦块质地较硬，难以清除。沉降器内壁和沉降器内壁构件上的焦块在正常生产时对生产没有影响。但如果生产出现波动，特别是沉降器内部发生较大的温差变化（如反应温度大幅波动），附着在沉降器内壁和构件上的焦块可能会断裂、脱落到沉降器汽提段上，进入汽提段底部，堵塞待生斜管入口或者卡在待生滑阀上端，导致待生催化剂循环量下降或中断。情况较轻时可降量维持生产、情况较重时则需切断进料。沉降器结焦是一系列物理变化和化学变化共同作用的结果，沉降器内结焦的形成物理原因是：原料汽化不完全而产生的“湿催化剂”和反应后重组分的冷凝是沉降器结焦的物理原因；稠环芳烃、胶质、沥青质的高温缩合和油气中烯烃、二烯烃的聚合、环化反应是沉降器结焦的化学因素。

3.3 油气大管结焦

沉降器旋风分离器出口到分馏塔入口的油气管线上结焦基本为黑亮硬焦、层状分

布，焦块厚度随开工时间延长而增厚，但当焦层结到一定厚度后，因有效流通面积减少，油气流速增加，焦块厚度不再增加。油气大管如果结焦较为严重，系统压降上升，气压机入口压力降低，能耗增加，且不利于气压机的安全运行。油气大管结焦主要与保温效果有关，当反应油气经旋分离器分离催化剂后，反应产物中的重芳烃或原料中未被催化剂吸附的高分子、胶质、沥青质，碰到气流速度较低的区域表面或冷壁面后，高沸点组分遇冷凝结、从油气中析出，粘附在器壁上，在长时间高温作用下，进行热分解缩合等化学反应而最终变为焦炭。

3.4 分馏塔油浆系统

由两次停工的拆检分馏塔的情况看，分馏塔底部也存在结焦现象，油浆系统结焦主要是分馏塔底结焦和油浆循环线及油浆换热器结焦，一般为碎焦和油焦，这些碎焦和油焦易导致油浆换热系统管束堵塞，造成油浆循环量逐渐下降，油浆与原油换热效果变差，热平衡难以维持，严重时，还会导致分馏塔底液面升高、堵塞换热器。油浆系统结垢一般为软焦，大部分是无机物和大分子芳烃吸附物，而很少是生成的焦炭。分析原因可能为：1.分馏塔底液面过高，热油浆在塔底停留时间太长。2.分馏塔底油浆流动存在死区。

3.油浆中催化剂细粉多，易沉积于塔底。

4.油浆换热效果差，分馏塔底温度过高，塔底热量过剩。

4 防止结焦的措施

4.1改善原料性质

原料性质变重是导致提升管、沉降器结焦的本质原因。掺炼减压渣油后原料中的稠环芳烃、胶质、沥青质含量增高，不但造成原料进入提升管内汽化率降低，湿催化剂含量增多，而且反应产物中重组分的含量也同时增多，在生产操作中则体现回炼油和油浆的产率增加。原料越重，产生的湿催化剂越多，湿催化剂极易粘附在设备表面结焦，且随着原料变重，反应产物中油浆的生成量越多，而油浆在沉降器内是以气液两相形式存在，容易在沉降器内粘附在设备表面上结焦。所以在生产上尽量为催化提供适合催化裂解的原料，控制原料的性质尤为重要，必要情况开可以对催化原料的进行预处理，如渣油溶剂脱沥青，油浆抽提除去重芳烃都可将劣质原料变为较好原料，减少设备结焦，取得较大的经济效益。

4.2 提高原料雾化效果

在原料性质变差变劣的条件下提高原料雾化效果是减少湿催化剂的产生有效手段，采用高效进料雾化喷嘴是提高原料雾化效果重要手段。喷嘴的主要作用是将液相进料雾化成与催化剂粒径较为接近的油滴，以便与催化剂颗粒接触后能够迅速汽化并在催化剂内外表面上发生反应，因此喷嘴雾化效果好坏直接影响到进料的汽化效果。原料汽化的