140萬(wàn)t/a DCC裝置沉降器跑損催化劑分析

朱玉鎮(zhèn),李維峰,葉樂(lè),肖申瑋

(中國(guó)化工正和集團(tuán)股份有限公司,山東 東營(yíng) 257342)

DCC裝置原設(shè)計(jì)規(guī)模140萬(wàn)t/a,于2008年1月正式奠基破土動(dòng)工,DCC裝置2010年4月投產(chǎn)。沉降器與再生器采用同軸式布置,整個(gè)汽提段插入再生器中,反應(yīng)器采用外置折疊式提升管,預(yù)提升段采用高效預(yù)提升結(jié)構(gòu),鋼徑為1 100 mm,襯里厚度為150 mm,預(yù)提升段長(zhǎng)度3.5 m;提升管反應(yīng)器鋼徑為1 300 mm,襯里厚度為150 mm,提升管進(jìn)料段設(shè)6組進(jìn)料霧化噴嘴,單排設(shè)置;提升管出口設(shè)2組粗旋快分,入口面積0.426 m2/組,沉降器設(shè)單級(jí)旋分器4組,入口面積0.19 m2/組。沉降器下設(shè)汽提段,汽提段共設(shè)8塊高效擋板和汽提蒸汽環(huán),外襯100 mm 隔熱耐磨襯里。再生器為大小筒結(jié)構(gòu),下部為密相段,上部為稀相段,稀相鋼徑12.0 m(內(nèi)徑11.7 m)、密相鋼徑9.0 m(內(nèi)徑9.7 m),無(wú)龜甲網(wǎng)單層隔熱耐磨襯里厚度為150 mm,再生器內(nèi)部有9組兩級(jí)PLY型旋風(fēng)分離器、高效主風(fēng)分布板、待生塞閥套筒及特殊設(shè)計(jì)的待生催化劑分配器、整流格柵、內(nèi)取熱器、5組3.5 MPa飽和蒸汽和2組0.8 MPa飽和蒸汽的過(guò)熱盤(pán)管等。眾所周知,催化劑跑損是DCC裝置運(yùn)行過(guò)程中一種經(jīng)常出現(xiàn)且具有重大安全隱患的事件,會(huì)造成旋風(fēng)分離器、三旋、煙機(jī)、油漿系統(tǒng)等設(shè)備的磨損,不利于裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行,進(jìn)而影響企業(yè)效益[1]。

DCC裝置在本單位屬于承上啟下的核心裝置,所用硅酸鋁催化劑的粒徑在0～149 μm范圍內(nèi)(下表為本裝置所用平衡劑篩分),催化劑粒徑<40 μm的顆粒為細(xì)粉,本裝置中,催化劑與原料油進(jìn)行催化裂化反應(yīng)后,經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器將催化劑與反應(yīng)后油氣進(jìn)行分離,由于旋風(fēng)分離器不能對(duì)細(xì)粉完全回收,反應(yīng)油氣攜帶催化劑至分餾系統(tǒng),再生煙氣攜帶催化劑至煙機(jī),造成系統(tǒng)內(nèi)催化劑損失。一般情況下,本裝置催化劑的單耗在1.3～1.5 kg/t(原料油),通過(guò)小型加料線(xiàn)補(bǔ)充新鮮催化劑,維持反-再系統(tǒng)藏量和催化劑的活性。造成催化劑大量跑損的原因主要有三方面:催化劑的理化性質(zhì)不合格、生產(chǎn)工藝參數(shù)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)、旋風(fēng)分離器出現(xiàn)故障。由此,一方面催化劑單耗增加,另一方面還會(huì)對(duì)設(shè)備造成磨損,甚至出現(xiàn)泄漏著火事故。當(dāng)沉降器出現(xiàn)催化劑跑損時(shí),表現(xiàn)為產(chǎn)品油漿固含量增加、分餾系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞、產(chǎn)品油漿系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)較大磨損;當(dāng)再生器出現(xiàn)催化劑跑損時(shí),表現(xiàn)為再生煙氣中細(xì)粉含量偏高、煙機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)垢、煙機(jī)振動(dòng)升高,影響煙機(jī)的長(zhǎng)周期運(yùn)行,甚至?xí)９z修處理,使公司經(jīng)濟(jì)效益受損[2]。

1 催化劑跑損的判斷

在反-再系統(tǒng)中,催化劑可以從沉降器或者再生器跑損。沉降器跑損的催化劑會(huì)由反應(yīng)油氣攜帶至分餾系統(tǒng)中,而再生器中跑損的催化劑由再生煙氣經(jīng)煙道攜帶至三旋、煙機(jī)、余熱鍋爐和煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)。本裝置在日常生產(chǎn)中,通過(guò)分析化驗(yàn)產(chǎn)品油漿固含量、三旋出入口煙氣濃度、煙機(jī)振動(dòng)情況和煙氣脫硫脫硝壓濾機(jī)出污泥量來(lái)判斷催化劑跑損的原因。結(jié)合本裝置實(shí)際運(yùn)行情況,當(dāng)產(chǎn)品油漿固含量>5 g/L時(shí),催化劑自沉降器跑損,三旋出入口煙氣催化劑濃度升高時(shí),則再生器跑損催化劑[3-4]。此外,本裝置還通過(guò)催化劑篩分來(lái)判斷催化劑跑損的原因,當(dāng)產(chǎn)品油漿或三旋出入口煙氣中細(xì)粉含量高時(shí),則系統(tǒng)內(nèi)細(xì)粉含量高,旋風(fēng)分離器不能有效分離,從而出現(xiàn)大量細(xì)粉跑損。當(dāng)產(chǎn)品油漿或三旋出入口煙氣中>40 μm的顆粒含量高時(shí),表明旋風(fēng)分離器出現(xiàn)故障,反應(yīng)油氣或再生煙氣攜帶大量催化劑離開(kāi)反-再系統(tǒng)[5]。

2 催化劑跑損分類(lèi)

根據(jù)本裝置的運(yùn)行情況,催化劑跑損分為自然跑損和非自然跑損兩種[6]。自然跑損時(shí),DCC裝置運(yùn)行狀況為產(chǎn)品油漿固含量≤5 g/L,廢劑罐間隔3 d排劑一次,每次1～2 min,煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)壓濾機(jī)出污泥一板/2 d,總體來(lái)說(shuō)每天催化劑自然跑損為5～6 t。自然跑損時(shí)可以通過(guò)小型加料線(xiàn)向再生器內(nèi)補(bǔ)充新鮮劑或選擇耐磨性能好的催化劑來(lái)減少催化劑的跑損[7]。

當(dāng)反再系統(tǒng)工藝操作條件紊亂或設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),反再系統(tǒng)內(nèi)催化劑藏量減少,產(chǎn)品油漿或再生煙氣中催化劑顆粒顯著增加,發(fā)生非自然跑損。一般情況下首先根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行情況調(diào)整各個(gè)操作參數(shù),觀察是否能夠解決催化劑跑損的問(wèn)題,否則就是設(shè)備出現(xiàn)故障引起的非自然跑損。DCC裝置在本煉油廠起到平衡全廠3.5 MPa過(guò)熱蒸汽供求的作用,正常情況下,公用工程運(yùn)行一臺(tái)鍋爐產(chǎn)汽,與DCC裝置共同提供3.5 MPa過(guò)熱蒸汽供全廠需求,DCC裝置作為核心裝置之一,一旦因事故出現(xiàn)緊急停工,由于公用工程沒(méi)有時(shí)間運(yùn)行另備用鍋爐,會(huì)對(duì)全廠裝置造成一定的影響,從而使全廠的經(jīng)濟(jì)效益受損。因此,催化劑出現(xiàn)大量跑損或泄漏著火事故,制定消缺計(jì)劃進(jìn)行停工搶修[2]。

3 翼閥介紹

DCC裝置沉降器單級(jí)旋風(fēng)分離器(PLY型)的作用是分離反應(yīng)油氣和催化劑,其角度和運(yùn)行效率決定著反-再系統(tǒng)催化劑的消耗,影響著裝置的加工負(fù)荷。該裝置沉降器4個(gè)旋風(fēng)分離器的翼閥于2018年10月份檢修期間進(jìn)行了更換,運(yùn)行了16個(gè)月左右,翼閥能夠保證料腿內(nèi)有一定的料柱高度,形成料封,防止油氣互串,確保旋風(fēng)分離器催化劑循環(huán)正常。因此翼閥的性能直接影響到旋風(fēng)分離器的運(yùn)行狀況。

4 本裝置跑劑介紹及處理

1)2020年2月12日,DCC裝置受疫情影響而停工,18:14左右DCC裝置切料,本裝置已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行16個(gè)月,借此停工機(jī)會(huì),DCC裝置重點(diǎn)對(duì)反-再系統(tǒng)進(jìn)行檢查、消缺,其間部門(mén)本著認(rèn)真全面檢查、嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)消缺的原則,對(duì)反-再系統(tǒng)進(jìn)行消缺。

2)通過(guò)對(duì)兩器檢查發(fā)現(xiàn):(1)沉降器單級(jí)旋風(fēng)分離器和粗旋快分料腿存在磨穿問(wèn)題;(2)汽提蒸汽盤(pán)管焊道開(kāi)裂,支撐斷裂;(3)再生器、沉降器內(nèi)引壓管出現(xiàn)不同程度斷裂和磨損;(4)汽提段經(jīng)測(cè)厚減薄至5.5 mm(原設(shè)計(jì)厚度18 mm)。針對(duì)以上主要問(wèn)題,制定消缺方案進(jìn)行修補(bǔ)或更換。

3)3月22日裝置驗(yàn)收完畢達(dá)到開(kāi)工條件,嚴(yán)格按照開(kāi)工步驟和升溫曲線(xiàn)進(jìn)行,并于19:26左右噴油,開(kāi)工噴油后,隨著加工負(fù)荷的提高,如圖1～2沉降器旋風(fēng)分離器壓降在9 kPa左右(正常值在13 kPa左右),油漿固含量嚴(yán)重超標(biāo)(>25.4 g/L),現(xiàn)場(chǎng)多次取油漿清洗后判斷沉降器跑損催化劑較嚴(yán)重。

圖1 3月22日噴油后旋風(fēng)分離器壓降

圖2 停工前旋風(fēng)分離器壓降

4)經(jīng)多次調(diào)整各個(gè)操作參數(shù)無(wú)果后,3月23日,組織召開(kāi)專(zhuān)題會(huì),制定反-再系統(tǒng)切料后,兩器重新建立催化劑循環(huán),再次噴油后觀察跑劑情況的方案。6:19左右反-再系統(tǒng)切料,兩器重新建立催化劑循環(huán),進(jìn)行兩器流化。

5)3月24日在具備噴油條件下再次進(jìn)料,隨著加工負(fù)荷的提高,沉降器旋風(fēng)分離器壓降仍沒(méi)有大的變化(仍在9 kPa左右)。3月25日再次切料、兩器置換、卸催化劑,反-再系統(tǒng)停工進(jìn)行全面檢查、消缺。

6)通過(guò)全面檢查后發(fā)現(xiàn)翼閥磨損較嚴(yán)重,由此判斷本次沉降器跑損催化劑原因?yàn)橐黹y磨損導(dǎo)致的可能性較大。于是采購(gòu)新翼閥,將四個(gè)磨損后的舊翼閥更換為新翼閥,在與廠家溝通了解后在設(shè)計(jì)角度的基礎(chǔ)上將每個(gè)翼閥安裝角度增加0.5個(gè)角度。

7)為了確保裝置開(kāi)工順利,解決開(kāi)工過(guò)程中出現(xiàn)其他問(wèn)題,避免因其它原因再次導(dǎo)致反-再系統(tǒng)跑損催化劑,對(duì)開(kāi)工方案進(jìn)行討論、優(yōu)化。并在原料油預(yù)熱溫度、原料油霧化蒸汽量、如何裝劑、如何轉(zhuǎn)劑、噴油條件、升溫曲線(xiàn)等方面著重討論,對(duì)開(kāi)工中各參數(shù)制定詳細(xì)的數(shù)值,組織全員進(jìn)行學(xué)習(xí)、考試,同時(shí)制定開(kāi)工條件驗(yàn)收確認(rèn)單,管理人員嚴(yán)格落實(shí)、跟蹤。達(dá)到噴油條件后,催化裝置于3月31日17:00左右進(jìn)行噴油。

8)隨著加工負(fù)荷的提高,沉降器壓降恢復(fù)正常值,如圖3但油漿固含量仍偏高(平均10 g/L左右),從現(xiàn)場(chǎng)清洗產(chǎn)品油漿看催化劑跑損現(xiàn)象減輕,判斷系統(tǒng)內(nèi)因開(kāi)工過(guò)程導(dǎo)致催化劑細(xì)粉較多,通過(guò)對(duì)各個(gè)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整,控制合適的油漿外甩量,4月4日1:00左右油漿固含量4.4 g/L,逐漸恢復(fù)正常。

圖3 油漿固含量(控制指標(biāo)≤5 g/L)

5 原因分析

1)DCC裝置噴油過(guò)程中出現(xiàn)原料油預(yù)熱溫度偏低的問(wèn)題。本裝置自2010年開(kāi)工以來(lái),除2016年原料油預(yù)熱溫度到達(dá)200 ℃以上,催化裝置開(kāi)工原料油都是冷進(jìn)料(120～150 ℃),如圖4控制高反應(yīng)溫度520～550 ℃,如圖5原料油霧化蒸汽控制9 t/h。本次開(kāi)工原料預(yù)熱溫度120 ℃、進(jìn)料量調(diào)整較快,霧化蒸汽波動(dòng)大,易導(dǎo)致提升管內(nèi)原料油霧化效果不好。霧化效果差的油滴在反應(yīng)過(guò)程中容易生焦,并附著在設(shè)備、料腿的內(nèi)壁,嚴(yán)重時(shí)可能造成料腿堵塞,造成旋風(fēng)分離器分離效果差,催化劑跑劑。從本次打開(kāi)反-再系統(tǒng)檢查看,雖未發(fā)現(xiàn)沉降器、料腿結(jié)焦現(xiàn)象,但現(xiàn)場(chǎng)檢查翼閥外部護(hù)板上有一活動(dòng)焦塊(圖6)。因此,原料油預(yù)熱溫度低而霧化效果不好是造成裝置跑劑的原因之一。

圖4 2020年3月22日19:26分左右噴油時(shí)原料油預(yù)熱溫度

圖5 2020年3月22日19:26分左右噴油時(shí)加工量

圖6 翼閥外部護(hù)板處焦塊

2)檢查發(fā)現(xiàn)翼閥閥板出現(xiàn)磨損,磨損部位主要發(fā)生在閥口的密封面和閥板與閥口接觸的橢圓形環(huán)形區(qū)域內(nèi),表現(xiàn)為溝槽狀。對(duì)翼閥的閥板的溝槽進(jìn)行了分析,溝槽的形成是由沉降器內(nèi)油氣及催化劑倒竄至料腿磨損造成的,具體原因如下:正常操作下反應(yīng)壓力為170 kPa,旋風(fēng)分離器的壓降為13 kPa左右,旋風(fēng)器料腿內(nèi)壓力低于反應(yīng)壓力,由于磨損破壞了閥板與閥口的密封,反應(yīng)油氣及細(xì)粉催化劑反串入翼閥內(nèi)。并且閥板出現(xiàn)溝槽狀都在翼閥閥板根部,通過(guò)翼閥做靜態(tài)實(shí)驗(yàn)表明:翼閥內(nèi)只有2.5 kg催化劑,只有閥板下部存有一點(diǎn)催化劑,翼閥閥板根部是沒(méi)有催化劑的,只要翼閥閥板開(kāi)啟,閥板根部打開(kāi)的縫隙就會(huì)進(jìn)入油氣及催化劑,就會(huì)磨損翼閥閥板根部,從實(shí)際來(lái)看閥板根部形成較深的溝槽和鋸齒狀邊緣,而翼閥舌板下部未出現(xiàn)磨損現(xiàn)象(圖7),也就是說(shuō):翼閥舌板的磨損,是由于沉降器內(nèi)油氣及催化劑反竄造成的。油氣反竄至旋分器料腿內(nèi),降低了旋風(fēng)分離器壓降,打破旋分的效果,最終導(dǎo)致催化劑的跑損。本次是因疫情停工,停工前裝置生產(chǎn)正常,油漿固含量較低,但是翼閥舌板出現(xiàn)磨損,通過(guò)再次噴油過(guò)程有可能造成磨損更嚴(yán)重、料封不住情況,因此翼閥未更換維修是造成裝置跑劑的另一原因之一。

圖7 磨損的翼閥

6 防范措施

1)針對(duì)裝置跑損催化劑,組織技術(shù)人員對(duì)裝置開(kāi)工方案進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)優(yōu)化開(kāi)工方案,經(jīng)討論為確保原料霧化效果,如圖8噴油前原料油預(yù)熱溫度必須≥200 ℃,原料油霧化蒸汽12 t/h,制定了開(kāi)工時(shí)提高原料預(yù)熱溫度和搶修更換4個(gè)翼閥的方案。

圖8 噴油時(shí)原料油預(yù)熱溫度

2)針對(duì)修訂后的開(kāi)工方案,進(jìn)行了詳細(xì)討論,重點(diǎn)討論了如何提高原料油預(yù)熱溫度、如何裝劑轉(zhuǎn)劑、噴油條件、升溫曲線(xiàn)等,并組織員工進(jìn)行培訓(xùn)學(xué)習(xí)、考試,并制定開(kāi)工條件驗(yàn)收確認(rèn)表,管理人員實(shí)時(shí)進(jìn)行跟蹤,并進(jìn)行落實(shí)、簽字;每進(jìn)行一個(gè)環(huán)節(jié),就召開(kāi)一次碰頭會(huì)議,梳理完成步驟,查找問(wèn)題,討論、安排下一個(gè)環(huán)節(jié)工作部署。

3)開(kāi)工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題形成案例收藏、學(xué)習(xí)。針對(duì)開(kāi)停工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題,形成案例進(jìn)行收藏,并以工藝事件的形式進(jìn)行全員分享,讓全員知悉事件原因,吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),制定防范措施,杜絕類(lèi)似事件再發(fā)生。

4)檢修時(shí)兩器內(nèi)設(shè)備需進(jìn)行專(zhuān)業(yè)、深度的評(píng)估,必要時(shí)邀請(qǐng)專(zhuān)家現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)、檢查。由于裝置運(yùn)行周期較長(zhǎng),對(duì)兩器內(nèi)設(shè)備缺乏專(zhuān)業(yè)、深度的評(píng)估,給原已固化開(kāi)工方案帶來(lái)了一些被動(dòng),需要結(jié)合兩器內(nèi)設(shè)備的實(shí)際性能,完善開(kāi)工方案,確保開(kāi)工過(guò)程不出現(xiàn)問(wèn)題。

5)工藝、儀表人員協(xié)同對(duì)兩器儀表進(jìn)行全面細(xì)致檢查。為避免兩器儀表堵塞影響開(kāi)工的進(jìn)行,兩器吹掃、試密時(shí)工藝與儀表人員對(duì)兩器所有儀表進(jìn)行暢通檢查,確保吹掃風(fēng)全部投用正常,并進(jìn)行審核簽字。

7 結(jié)束語(yǔ)

DCC裝置催化劑跑損是影響裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的重要因素,正常生產(chǎn)中首先選擇磨損系數(shù)低、汽提效果好、水熱穩(wěn)定性好、抗重金屬污染能力強(qiáng)的催化劑。其次平穩(wěn)操作,避免各項(xiàng)參數(shù)大幅度波動(dòng)。最后檢修時(shí)要對(duì)裝置進(jìn)行深度檢查、評(píng)估,確保設(shè)備性能良好,尤其是檢維修期間對(duì)旋風(fēng)分離器和翼閥進(jìn)行重點(diǎn)檢查,開(kāi)工時(shí)保證原料油預(yù)熱溫度≥200 ℃,并嚴(yán)格按照開(kāi)工步驟進(jìn)行。