連續(xù)重整裝置再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)開裂的原因分析及優(yōu)化措施

李 金 峰

(中國石化天津分公司，天津 300270)

中國石化天津分公司1.0 Mt/a連續(xù)重整裝置于2009年12月建成投產(chǎn)，選用美國環(huán)球油品公司(UOP)超低壓連續(xù)重整和催化劑連續(xù)再生CycleMax ChlorsorbTM工藝專利技術(shù)，再生能力908 kg/h，采用中國石化石油化工科學(xué)研究院研制的 PS-Ⅵ催化劑[1]。2018年5月發(fā)現(xiàn)再生器運(yùn)行異常，判定為連續(xù)重整裝置再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)開裂。再生器是連續(xù)重整裝置的關(guān)鍵設(shè)備，再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)破損后易導(dǎo)致催化劑燒結(jié)并造成再生器內(nèi)構(gòu)件損壞，直接影響重整裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。以下主要介紹連續(xù)重整裝置再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)開裂的原因分析及優(yōu)化措施。

1 再生器結(jié)構(gòu)及內(nèi)網(wǎng)測溫點(diǎn)分布

連續(xù)重整裝置催化劑在反應(yīng)器和再生器內(nèi)連續(xù)循環(huán)移動，催化劑在反應(yīng)器內(nèi)利用其活性和選擇性在一定的反應(yīng)條件下，使物料發(fā)生反應(yīng)，催化劑促進(jìn)反應(yīng)的同時(shí)也會產(chǎn)生積炭，積炭后的催化劑流出反應(yīng)器進(jìn)入再生器，在再生器中完成燒炭并使催化劑恢復(fù)活性。再生器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。催化劑自頂部催化劑入口進(jìn)入再生器內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間形成的環(huán)形空間進(jìn)行催化劑燒炭，燒炭后的催化劑向下移動至氯氧化區(qū)進(jìn)行補(bǔ)氯，然后繼續(xù)下移至干燥區(qū)，干燥后進(jìn)入冷卻區(qū)進(jìn)行冷卻，最后自再生器底部催化劑出口流出。

圖1 再生器結(jié)構(gòu)示意

在一定的工藝條件下，催化劑上的積炭在再生器燒炭區(qū)完成燒炭，并產(chǎn)生大量的熱，使燒炭區(qū)溫度升高。再生器內(nèi)網(wǎng)位于再生器燒炭區(qū)，為了保證內(nèi)網(wǎng)在安全的溫度下運(yùn)行并監(jiān)控再生燒炭溫度，在內(nèi)網(wǎng)上設(shè)計(jì)14個(gè)測溫點(diǎn)，編號見圖2。再生器上部操作環(huán)境惡劣，測溫點(diǎn)布置比較密集，再生器內(nèi)網(wǎng)上部自上而下設(shè)置4對測溫點(diǎn)TI31101和TI31107、TI31102和TI31108、TI31103和TI31109、TI31104和TI31110，每對測溫點(diǎn)位于再生器內(nèi)網(wǎng)同一水平面并相對布置，其他6處測溫點(diǎn)與測溫點(diǎn)TI31101位于同一側(cè)，自上而下依次為TI31105，TI31106，TI31111，TI31112，TI31113，TI31114。再生器內(nèi)網(wǎng)測溫點(diǎn)位置見表1。

圖2 再生器內(nèi)網(wǎng)測溫點(diǎn)分布

項(xiàng) 目相鄰熱偶之間距離∕mm熱偶距內(nèi)網(wǎng)頂部距離∕mmTE-31101∕TE-31107142TE-31102∕TE-3110854196TE-31103∕TE-3110958254TE-31104∕TE-31110108362TE-31105482844TE-311064951 339TE-311114961 835TE-311124892 324TE-311133622 686TE-311145143 200

2 再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)開裂的現(xiàn)象及判斷

2.1 氯氧化區(qū)溫度升高

再生器氯氧化區(qū)為富氧區(qū)域，約翰遜內(nèi)網(wǎng)出現(xiàn)開裂后，會有含碳催化劑落入該區(qū)域并快速燃燒，泄漏量大時(shí)氯氧化區(qū)溫度快速升高[2]，泄漏量小時(shí)氯氧化區(qū)溫度也會有上漲趨勢，氯氧化區(qū)溫度異常升高是判斷約翰遜內(nèi)網(wǎng)開裂的重要依據(jù)。正常生產(chǎn)情況下，再生器氯氧化區(qū)溫度變化范圍為490～492 ℃，2018年5月1日，再生器氯氧化區(qū)溫度由492 ℃逐漸升高至501 ℃，氯氧化區(qū)溫度升高，可初步判斷約翰遜內(nèi)網(wǎng)存在破損。

2.2 再生器燒炭區(qū)床層溫度異常

正常生產(chǎn)情況下，位于再生器內(nèi)網(wǎng)上部區(qū)域同一水平面對稱布置的2個(gè)測溫點(diǎn)溫度相差不大。當(dāng)約翰遜網(wǎng)開裂后，會有部分小粒徑的催化劑被再生燒焦氣攜帶進(jìn)入再生風(fēng)機(jī)，被再生風(fēng)機(jī)打碎后進(jìn)入再生器，造成燒焦氣入口處約翰遜外網(wǎng)堵塞[3]，被堵塞區(qū)域燒焦風(fēng)量降低，使得該區(qū)域燒焦不充分，含碳催化劑下移，燒焦溫度降低，同一水平面對稱布置的2個(gè)測溫點(diǎn)溫度出現(xiàn)較大差異。正常情況下，燒炭區(qū)最高溫度(峰值溫度)位于TI31104測溫點(diǎn)，溫度為565～570 ℃。2018年5月2日1：50，再生燒炭區(qū)TI31104測溫點(diǎn)峰值溫度開始下降，同時(shí)位于測溫點(diǎn)TI31104下側(cè)的TI31105測溫點(diǎn)溫度開始上升，到9：00時(shí)，再生燒炭區(qū)峰值溫度下移至TI31105測溫點(diǎn)，說明沒有完全燃燒的積炭催化劑向下移動；與TI31104對稱布置的測溫點(diǎn)TI31110的溫度變化不大，說明TI31110測溫點(diǎn)一側(cè)約翰遜網(wǎng)堵塞不明顯。另外，再生燒焦氣流量和再加熱區(qū)氣體流量均出現(xiàn)下降，說明再生器約翰遜網(wǎng)存在堵塞。一般情況下，再生燒焦氣流量在較短時(shí)間內(nèi)持續(xù)下降，燒焦區(qū)對稱布置的測溫點(diǎn)溫度出現(xiàn)較大差異，主要原因?yàn)榧s翰遜內(nèi)網(wǎng)開裂。

2.3 再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)開裂的判定

重整催化劑再生操作有兩種方式，分別為白燒操作和黑燒操作。正常生產(chǎn)情況下，催化劑再生采用白燒操作，白燒操作時(shí)再生空氣自再生器底部補(bǔ)入，自下而上依次經(jīng)過再生器的冷卻區(qū)、干燥區(qū)、氯氧化區(qū)、再加熱區(qū)和燒炭區(qū)；催化劑自再生器頂部流入，自上而下依次經(jīng)過燒炭區(qū)、再加熱區(qū)、氯氧化區(qū)、干燥區(qū)和冷卻區(qū)。白燒操作下，催化劑在再生器內(nèi)完成了燒炭、氯化氧化、干燥和冷卻[4]。異常情況下，催化劑再生可短時(shí)間采用黑燒操作，黑燒操作時(shí)再生空氣自再生器的上部補(bǔ)入燒焦氣中，進(jìn)入燒炭區(qū)進(jìn)行燒炭，再生空氣不經(jīng)過氯氧化區(qū)，催化劑不能進(jìn)行氯化氧化。在黑燒操作工況下，再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)出現(xiàn)開裂，泄漏的待生催化劑將落入氯氧化區(qū)并隨再生催化劑一起向下移動，再生劑采樣時(shí)發(fā)現(xiàn)黑色待生催化劑，可以判定約翰遜內(nèi)網(wǎng)出現(xiàn)開裂。

2018年5月2日，催化劑再生改為黑燒操作，8 h后再生劑采樣中出現(xiàn)黑色待生劑，判定為再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)開裂。根據(jù)再生操作現(xiàn)象，可以判斷約翰遜內(nèi)網(wǎng)泄漏的催化劑一部分下落至氯氧化區(qū)，在氯氧化區(qū)燃燒，使氯氧化區(qū)溫度升高；還有一部分隨燒焦氣進(jìn)入再生風(fēng)機(jī)，被再生風(fēng)機(jī)打碎后進(jìn)入再生器堵塞約翰遜網(wǎng)，導(dǎo)致再生循環(huán)風(fēng)量下降，使得再生器內(nèi)沒有完全燃燒的積炭催化劑向下移動。

3 再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)破損及修補(bǔ)

3.1 再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)破損情況

再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)抽出檢查發(fā)現(xiàn)距約翰遜內(nèi)網(wǎng)頂部60 mm處存在一條橫向裂紋，長度為300 mm，裂痕下方有2個(gè)方形孔洞，孔洞尺寸分別為3 mm×12 mm和6 mm×12 mm(見圖3)。另外，約翰遜內(nèi)網(wǎng)上部區(qū)域出現(xiàn)多處微熔缺陷，微熔缺陷集中在約翰遜網(wǎng)上部500～750 mm的環(huán)形區(qū)域內(nèi)(見圖4)。

圖3 約翰遜內(nèi)網(wǎng)頂部裂痕和孔洞照片

圖4 約翰遜內(nèi)網(wǎng)上部微熔缺陷照片

3.2 再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)修補(bǔ)方案

約翰遜內(nèi)網(wǎng)裂紋長度較大，若只對裂紋部位進(jìn)行修補(bǔ)貼板，會造成再生器頂部燒焦氣分布不均，使位于同一高度的再生器頂部環(huán)形區(qū)域存在較大溫差，不利于再生器穩(wěn)定運(yùn)行。為防止再生燒焦氣分布不均，使用扇形筒對再生器頂部存在裂紋和孔洞的兩道環(huán)形焊縫之間區(qū)域進(jìn)行整體貼板修補(bǔ)，貼板寬度為160 mm(見圖5)，對上部區(qū)域多處微熔缺陷進(jìn)行了激光低溫?zé)崛厶幚恚π扪a(bǔ)部位打磨拋光。

圖5 約翰遜內(nèi)網(wǎng)頂部整體貼板修補(bǔ)照片

4 約翰遜內(nèi)網(wǎng)破損原因分析及優(yōu)化操作

4.1 溫差應(yīng)力和金屬疲勞

自分離料斗間斷流出的催化劑進(jìn)入再生器后流入內(nèi)外網(wǎng)形成的環(huán)形空間，剛進(jìn)入再生器的催化劑溫度約為150 ℃，再生燒焦氣溫度為477 ℃，再生器頂部溫度為200～300 ℃，隨著催化劑的燒焦，溫度自上而下急劇升高[5]，距內(nèi)網(wǎng)頂部350～600 mm處溫度達(dá)到最高，約為568 ℃，然后逐漸降低，在距內(nèi)網(wǎng)頂部2 000 mm處，溫度降至480 ℃。在燒炭區(qū)上部600 mm的環(huán)形區(qū)域，操作環(huán)境惡劣，溫度梯度變化極大且溫度較高，另外，再生燒炭高溫區(qū)與分離料斗間斷流出的低溫催化劑均集中在內(nèi)網(wǎng)上部，低溫催化劑間斷流入，使內(nèi)網(wǎng)上部溫度交替變化。因此，約翰遜內(nèi)網(wǎng)上部區(qū)域存在較大的溫差應(yīng)力[6]和金屬疲勞。特別是頂部160 mm高度上存在2道環(huán)形焊縫和1道縱向焊縫，這是再生器內(nèi)網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)。內(nèi)網(wǎng)開裂位于縱向焊縫處，孔洞位于縱向焊縫兩側(cè)，說明焊接部位存在應(yīng)力集中情況，易在焊接部位出現(xiàn)開裂和破損。

4.2 再生器內(nèi)網(wǎng)上部微熔缺陷原因分析

再生器內(nèi)網(wǎng)貼壁熱偶測量的溫度為再生燒焦氣的最高溫度，催化劑燒炭過程中，催化劑的溫度高于貼壁熱偶的測量溫度，高溫?zé)凯h(huán)境下，存在缺陷的催化劑顆?？ㄔ趦?nèi)網(wǎng)表面，使得此處循環(huán)氣流通性變差，燒炭產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)被帶走，造成局部高溫，使卡住催化劑的內(nèi)網(wǎng)表面出現(xiàn)微熔缺陷。

4.3 降低再生燒炭區(qū)操作溫度

4.3.1 降低再生燒焦氣氧含量，從而降低燒炭區(qū)操作溫度 再生器內(nèi)網(wǎng)優(yōu)化操作前后溫度對比見表2。根據(jù)再生器實(shí)際操作情況，調(diào)整再生燒焦氣中氧體積分?jǐn)?shù)由0.8%降至0.65%～0.70%，使位于內(nèi)網(wǎng)上部的催化劑在相對緩和的條件下進(jìn)行燒炭，減少內(nèi)網(wǎng)上部燒炭量，未燒炭完全的催化劑繼續(xù)向下移動，再生器峰值溫度由TI31104測溫點(diǎn)下移至TI31105測溫點(diǎn)，增大了再生器的燒炭區(qū)域。從表2可以看出，通過優(yōu)化再生操作，TI31103測溫點(diǎn)溫度由559 ℃降至541 ℃，TI31104測溫點(diǎn)溫度由568 ℃降至552 ℃?？紤]到測溫點(diǎn)TI31105水平面上只有1個(gè)測溫點(diǎn)，存在監(jiān)控盲區(qū)，為了防止含碳催化劑下移，在操作中控制TI31004和TI31005測溫點(diǎn)溫度不超560 ℃；同時(shí)監(jiān)控TI31006溫度不超過510 ℃，再加熱區(qū)溫度不高于再生器煙氣出口溫度。

表2 再生器內(nèi)網(wǎng)優(yōu)化操作前后溫度對比

4.3.2 控制原料性質(zhì)，優(yōu)化重整反應(yīng)操作，減少催化劑積炭 重整裝置長期高負(fù)荷、高苛刻度運(yùn)行，催化劑積炭高，再生燒炭區(qū)操作溫度高。通過優(yōu)化原料性質(zhì)，控制原料終餾點(diǎn)不高于173 ℃，控制重整反應(yīng)氫油摩爾比為2.5，優(yōu)化調(diào)整后，催化劑積炭和再生燒炭峰值溫度均有所降低，待生催化劑積炭量由5.1%降至4.8%，如表3所示。當(dāng)再生溫度偏高時(shí)，還可以適當(dāng)降低第四反應(yīng)器的反應(yīng)溫度，降低催化劑積炭量。

表3 優(yōu)化操作前后催化劑積炭量對比

5 結(jié) 論

(1)再生器內(nèi)網(wǎng)頂部焊接區(qū)域存在應(yīng)力，操作過程溫度梯度變化大，并且內(nèi)網(wǎng)頂部區(qū)域溫度隨催化劑周期性間斷流動而交替變化致使出現(xiàn)金屬疲勞，是連續(xù)重整裝置再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)開裂的主要原因。

(2)通過調(diào)整適當(dāng)降低再生燒焦氣中氧含量，使位于內(nèi)網(wǎng)上部的催化劑在相對緩和的條件下進(jìn)行燒炭，同時(shí)嚴(yán)格控制原料干點(diǎn)不高于173 ℃，提高重整反應(yīng)氫油摩爾比至2.5，優(yōu)化調(diào)整后，待生催化劑積炭量由5.1%降至4.8%，燒炭區(qū)峰值溫度由568 ℃降至552 ℃，有利于再生器內(nèi)網(wǎng)的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。