催化裂化装置烟机结垢原因浅析

＊陈洪岩 李琳琳

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300461）

催化裂化装置烟机结垢原因浅析

＊陈洪岩 李琳琳

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300461）

近年来国内催化裂化装置烟机结垢引起的烟机振动、叶片磨损和断裂现象呈现出快速上升的趋势，对炼厂的安全生产、长周期平稳运行构成了严重威胁。

结垢；振动；磨损；断裂

1.前言

为了分析引起烟机催化剂粘连结垢的根本原因，首先对各大炼厂FCC装置烟气轮机的运行状况进行了调研。

2014-2015年，中国石化集团公司和中石油集团公司对其40台烟气轮机机组进行了技术统计，全年烟气轮机机组共发生58次停机故障，主要是由于催化剂结垢、叶片磨损及断裂等故障原因造成；对安全生产、长周期平稳运行构成了严重威胁。

2.烟机结垢样品分析

为了分析清楚烟机结垢的原因，我们首先要对烟机垢样进行化验分析，研究其中的化学成分，然后进一步探讨对其结垢的影响，分析结果如表1～3所示。

表1 炼厂Ⅰ(克拉玛依)裂化装置中不同部位催化剂样品分析结果

从表1可知：(1)炼厂Ⅰ三旋内外壁和烟机结垢样品中Ca、Fe、Ni三种金属含量高，是平衡剂的2倍；(2)催化剂垢样中Ca、Fe、Ni三种金属总和约为35000－45000ppm，是平衡剂的3倍。

表2 炼厂Ⅱ(延安炼厂)裂化装置中不同部位催化剂样品分析结果

从表2可知：(1)炼厂Ⅱ的烟机垢样中Ca、Fe、Ni三种金属含量高，是平衡剂的2倍，三旋细粉中铁含量甚至高达6%；(2)烟机垢样中Ca、Fe、Ni三种金属含量总和是平衡剂的2.5倍，三旋细粉中三种金属含量总和高达7%；(3)炼厂Ⅱ催化裂化原料中Ca、Fe含量较高。

表3 其他炼厂烟机结垢样品分析结果

3.垢样研究分析

(1)钙离子对催化剂粘连的影响

为了证实金属离子在苛刻条件下，形成低熔点共熔物是催化剂发生粘连的重要原因，实验室首先模拟了Ca2+在水汽存在下，对LBO-16催化剂颗粒分散性的影响。实验方案如表4所示。

表3是几家炼厂烟机垢样的分析结果，从中可以看出：(1)烟机垢样中金属离子Ca、Fe、Ni中的一种或多种金属含量较高；(2)Ca、Fe、Ni三种金属含量总和为1.7%～4.6%，金属含量偏高。

表4 模拟工业装置中重金属对催化剂分散性的影响

焙烧后催化剂分散性如下图1所示，可知与标样相比，Z-1催化剂发生粘连现象，这可能是钙离子与某阴离子所形成的钙盐具有较低的熔点，在较低温度下就可熔融，将催化剂颗粒粘接在一起，如图1中Z-1所示。

图1 焙烧后催化剂颗粒的分散性

为了验证在较低温度下可熔融的钙盐是硫酸钙，实验对两个样品进行了XRD。

衍射分析，实验结果如下图2所示；可知：Z-1中存在大量的CaSO4特征衍射峰，这与炼厂Ⅰ烟机垢样中存在大量的硫酸钙相吻合，表明低熔点的金属钙盐超标是引起催化剂粘连结垢的一个原因。

图2 焙烧样品的XRD衍射图（注：√表示CaSO4的衍射峰）

(2)铁离子对催化剂粘连的影响

催化剂中的铁主要来源于炼油工艺流程中管线和反应釜的腐蚀，但原油酸性较高时，铁腐蚀更加明显。因此，实验考察了铁离子对催化剂粘连结块的影响，试验方案如表5所示，试验结果如图3所示。

表5 铁离子对催化剂分散性的影响

从表5可知，当浸渍一定量的铁离子后，即使在100℃低温下，Z-2、Z-3都会发生催化剂粘连现象，这可能是因为FeCl3·6H2O熔点低（37℃），形成低温熔融物所至。

图3 铁离子对催化剂分散性的影响

(3)其他易引起催化剂粘连的原因分析

①静电吸附粘连

在催化裂化装置中，催化剂颗粒以10～20m/s的线速度高速运行，颗粒之间或颗粒与管壁之间会产生剧烈的摩擦作用，从而产生静电电荷，导致催化剂以静电的形式被吸附到烟机或管壁上。当催化裂化装置高负荷运转时，磨损的催化剂细粉中的金属含量远远高于二再平衡剂，这些金属离子加速了催化剂细粉的静电吸附作用，从而导致催化剂的静电粘连和堆积。而当平衡剂中的金属铁含量超标时，在催化剂再生过程中，铁金属与烟气中的硫会形成一种硫化亚铁Fe0.95S，该物质具有磁性，加速了催化剂的吸附和粘连。

②胶质粘连

在催化裂化反应过程中，一些难以裂解的重组份粘附在催化剂微球和自然磨损产生的催化剂细粉外表面上，如果此时裂化装置的一、二再生器再生效果差，则未完全燃烧的催化剂中的油浆重组分在水蒸汽、油气等作用下，易引起催化剂细粉粘连在烟机叶片、轮盘或管壁上，从而导致烟机负荷增加、磨损严重。

4.结论

通过前面大量分析可以知道：(1)催化裂化装置的烟机结垢现象在90年代以前就已经存在，使用常规催化剂和降烯烃催化剂都出现过烟机结垢现象，可以认为烟机结垢是诸多因素综合作用的结果；(2)在FCC过程中，原料油或其它途径引入的重金属Ca、Fe、Ni沉积在催化剂的表层，沉积在催化剂表层的重金属在磨损的过程中脱离催化剂母体形成细粉，并富集了大量的金属。这些细粉有很强的吸收能力，形成低熔点共熔物，可能对烟机结垢有影响；(3)烟机效率和催化剂的细粉含量对烟机结垢有影响。

5.改进措施建议

(1)加强常减压装置电脱盐效率，降低进入裂化装置原料中的金属含量，特别是Ca、Ni、Fe含量。监控原料油的酸值变化，加入缓蚀剂，减少整个工艺流程的铁腐蚀。(2)提高旋风分离器的分离效率，降低烟机入口的催化剂细粉浓度，减小烟机的工作负荷，切断催化剂粘连结垢的物质基础；(3)降低催化裂化装置的操作负荷，加强再生器的再生效果，减少催化剂细粉的胶质粘连。(4)对金属含量超标的催化剂颗粒的进行有效的磁分离，避免金属含量较高的催化剂颗粒进入烟机，从而引起静电粘连或金属烧结粘连。(5)改善FCC催化剂筛分组成和耐磨性能，降低在流化过程中产生的催化剂细粉含量。(6)将平衡剂中三种金属的总量应控制在10000ppm以内。

[1]王建军．催化裂化装置烟机机组2003年停机故障分析与改进措施．石油化工设备技术,2004,25(2):24-27．

[2]李鹏等．催化裂化装置三旋、烟机结垢原因分析及对策．炼油技术与工程,2005,35(3):11-14．

陈洪岩（1982～），男，海洋石油工程股份有限公司，研究方向：项目管理。

李琳琳（1984～），女，海洋石油工程股份有限公司，研究方向：机械设计。

(责任编辑 高镇峰)

Analysis of the Reason for the Scale Formation of Catalytic Cracking Unit Flue Gas Turbine

Chen Hongyan, Li Linlin

（Offshore Oil Engineering Co. , Ltd, Tianjin, 300461）

In recent years, the phenomena of flue gas turbine vibration, blade abrasion and rupture caused by catalytic cracking unit flue gas turbine at home is showing a rapid upward trend, which has serious threat to the safety production and long-period of stable operation of refinery plant.

scale formation；vibration；abrasion；rupture

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