催化裂化裝置的節能改造及運行分析

曠軍虎，張志亮，鄭 坤

（中國石油玉門油田煉油化工總廠，玉門735200）

1 前 言

玉門煉油化工總廠800kt/a重油催化裂化裝置是2004年9月在原500kt/a催化裂化裝置的基礎上改建而成的。由于該工藝技術復雜，各項公用系統消耗較大，催化裂化裝置能耗占到全廠能耗的36%左右。裝置的節能降耗工作是近年工作的重要內容之一，其意義不僅在于節約成本，更重要的是樹立良好的企業形象，提高企業競爭力。作為全廠的用能大戶，有效提高能源的利用率、降低單位產值能耗成為裝置降低成本、提高經濟效益的重要途徑，也是總廠發展低成本戰略、建設節約型精品煉油廠的重要部分［1－3］。

2 裝置能耗分析

2.1 催化裂化裝置能耗分布

根據催化裂化裝置2009年的運行數據計算出裝置能耗分布如表1所示。由表1可以看出，催化裂化裝置能耗由燒焦、蒸汽、循環水、用電、除鹽水、生水和換熱水外輸構成，其中燒焦、蒸汽和用電消耗3部分起到了決定性作用，因此重點對這3個因素進行分析。

表1 2009年催化裂化裝置能耗分布 MJ/t

2.2 影響燒焦能耗的因素分析

燒焦單耗高是由焦炭產率高引起的，主要有3方面的原因：一是裝置摻渣率較高；二是檢修時發現提升管和沉降器結焦嚴重；三是裝置采用油漿全回煉的方式。摻渣率是根據全廠的渣油平衡確定的，調節余地不大；采用油漿全回煉的運行方式是提高柴油收率的一種工藝手段，增產柴油意味著提高裝置的經濟效益；只有提升管和沉降器結焦嚴重的狀況是可以改變的。對提升管和沉降器的結焦狀況進行分析，找到其結焦較為嚴重的原因。

2.2.1 反應－再生系統中旋流式快速分離系統（VQS）封閉罩外結焦狀況及原因 2007年裝置檢修期間，打開沉降器裝卸孔時發現反應－再生系統VQS封閉罩外結焦現象較為嚴重，外壁結有100～150mm厚的焦，而且為軟焦，如圖1所示。軟焦質地松軟，主要以催化劑細粉為主，催化劑細粉占到軟焦質量的70%以上，較低的器壁溫度或較低溫的環境是容易生成軟焦的條件。分析認為反應－再生系統VQS封閉罩外結焦嚴重的主要原因是封閉罩外防焦蒸汽流量較大，溫度較低。

圖1 VQS封閉罩外結焦狀況

2.2.2 提升管內壁結焦狀況及原因 催化裂化裝置原料進料方式為分段進料，即來自混合器的原料分為兩路，各通過兩個對稱噴嘴完成進料操作。這種進料方式產生的壓降大，各噴嘴進料流量不均勻。在操作中，對稱噴嘴偏流明顯，提升管容易結焦。各噴嘴的進料流量和管線壓降數據見表2，其中FIC－1127/1和FIC－1127/3為對稱噴嘴，FIC－1127/2和FIC－1127/4為對稱噴嘴。

表2 各噴嘴操作參數

在催化裂化裝置運行過程中，發現原噴嘴應用效果不理想。該噴嘴操作參數設計值：蒸汽耗量4%～6%；霧化粒徑（50±10）μm。檢修過程中發現第一提升管上部約1m處結焦嚴重（見圖2），分析認為是由原料霧化不均勻、霧化粒徑過大引起的。根據計算推斷實際粒徑應大于80μm，盡管裝置通過加大蒸汽耗量（7%～8%）來解決這一問題，但收效甚微。

2.3 影響蒸汽消耗的因素分析

圖2 提升管結焦狀況

催化裂化裝置是全廠的產汽大戶，裝置內有外取熱器和余熱回收鍋爐兩套產汽設備，所產蒸汽一部分自用，另一部分輸入全廠蒸汽管網，供其它裝置使用。因此，在產汽量不變的情況下，裝置用汽量越少，外輸蒸汽量就越多。

雖然通過不斷的技術更新和技術改造，在裝置的節能節汽方面做了很多工作，但因裝置實際需求量較大和一些設計缺陷，裝置在節能節汽方面仍然有潛力可挖。主要表現在以下3個方面：2.3.1 裝置蒸汽放空點較多 為了冬季防凍，催化裂化裝置各點蒸汽都必須放空。為了減少裝置內蒸汽消耗，盡量多產蒸汽和增加外輸蒸汽，降低裝置能耗，必須對蒸汽各放空點進行整改。

2.3.2 汽油切割裝置中壓蒸汽消耗量較大 催化裂化裝置穩定汽油一部分作為汽油切割裝置預分餾塔的進料，一部分充當吸收塔的補充吸收劑。補充吸收劑要求低溫操作，導致汽油切割裝置預分餾塔的進料溫度偏低，需要較多的中壓蒸汽量來提高預分餾塔的塔底溫度。為了提高汽油切割裝置預分餾塔的進料溫度、降低塔底重沸器的中壓蒸汽消耗，決定實施工藝改造，實現汽油切割裝置熱進料。

2.3.3 鍋爐定排、連排熱水未得到充分利用 鍋爐定排、連排（簡稱定連排）熱水溫度為150℃左右，這部分熱水通過管線進入無壓回水池，最后作為全廠的循環水，低溫熱能未得到利用。為了避免低溫熱能的損失，對這部分熱水進行有效利用［4］。

2.4 影響用電消耗的因素分析

裝置用電設備主要有各類機泵、增壓機、空冷風機、三機組等。正常生產中，各類機泵、增壓機、空冷風機由1號工業電供電，備用機泵、備用增壓機由2號工業電供電，三機組由3號工業電供電。裝置正常運行過程中，1號工業電和2號工業電的總消耗量變化不大，每天的用電量在52 000～54 000kWh之間，但是3號工業電隨著三機組的運行狀況變化較大，具體情況見表3。

表3 煙機運行狀況對比

從表3可以看出，三機組用電量與煙機做功效率關系很大，煙機做功效率高則三機組用電量少，反之，煙機做功效率低則三機組用電量多。在裝置運行過程中，煙機有時因振動超過設定高限而被迫切出系統，采用全電機帶動主風機，使裝置用電單耗增大。

影響三機組正常運行的原因主要有2個：①煙氣中催化劑細粉含量高。催化劑細粉主要有2個危害：一是催化劑細粉黏附在煙機輪盤上，形成不對稱堆積，不對稱堆積物脫落，進而引起軸振動；二是催化劑細粉對動、靜葉片的沖刷、磨損造成轉子結構的不對稱。這2個危害都將造成煙機軸振動偏高，影響三機組的正常運轉。② 三機組自身的原因。三機組在運行過程中，軸流風機承缸時常泄漏，影響軸流風機的效率；同時電機一直輕微漏油，形成安全隱患，影響三機組的長周期運行。

3 實施措施

針對裝置在節能降耗、挖潛增效方面存在的不足，采取了一系列措施。

3.1 減少焦炭產率

3.1.1 VQS封閉罩外防焦蒸汽改為減壓閥后蒸汽 經觀測發現，減壓閥（指裝置內中壓蒸汽轉換成低壓蒸汽的專用調節閥）后蒸汽溫度較高，約為370℃，可以有效提高VQS封閉罩外的溫度。通過計算，若VQS封閉罩外防焦蒸汽改為減壓閥后蒸汽，VQS封閉罩外溫度可以提高至450℃左右。2010年檢修期間，從反應－再生操作平臺第十一層處引減壓閥后蒸汽進入VQS封閉罩外作為防焦蒸汽，并增設兩道調節閘閥和兩個放空開關，減少了VQS封閉罩外的結焦。

3.1.2 提升管進料方式的改變 為減小各噴嘴之間的流量偏差，防止各噴嘴之間出現偏流現象，提出將原料噴嘴進料方式由分段進料改為環型進料［5］。在2010年裝置改造過程中，霧化蒸汽和原料流程全部加裝環形管，即物料先進入環形管，然后從環形管上引出進入噴嘴系統，使得各路噴嘴流量和噴嘴出口壓力基本均勻，原料微粒與催化劑顆粒的接觸機會基本均等，有效減少了提升管內的結焦。

3.1.3 提升管進料噴嘴全部改用KH－5型 催化裂化裝置反應器提升管進料所用噴嘴改為KH－5型，霧化后原料粒徑變小，霧化粒徑由使用原噴嘴時的80μm左右減少到使用KH－5型噴嘴后的60μm左右，有效減少了提升管內的結焦，同時，所用的霧化蒸汽量由6.0%以上降低到3.5%左右，每小時節約蒸汽3.0t左右，降低了裝置能耗。

3.2 降低蒸汽消耗

3.2.1 蒸汽各放空點整改 每路蒸汽與蒸汽總管連接處的閘閥不在根部，而在距離根部2～4m處，如果關閉此閘閥，閘閥與蒸汽總管連接處的管線在冬季可能會凍裂。針對此狀況，2010年檢修期間將每路蒸汽與蒸汽總管連接處的閘閥全部移至根部連接處。分支蒸汽不用時，關閉該路閘閥即可。

3.2.2 汽油切割裝置實現熱進料 在不改變吸收穩定系統原有流程和原有物料進料溫度的前提下，合理利用進最后一組冷卻器的低溫位熱能。在穩定汽油換熱流程中的最后一組冷卻器進口增設閘閥和輸油管線連接至汽油切割裝置，改變催化穩定汽油的換熱流程，確保較高的汽油切割裝置預分餾塔的進料溫度。

3.2.3 鍋爐定連排熱水的低溫熱能實現再利用 為了利用鍋爐定連排熱水，將這部分熱水輸送至動力裝置換熱站換熱，以達到回收該部分熱水低溫熱能的目的。在改造中充分利用舊管線，加裝連接閘閥，引鍋爐定連排熱水進入熱水站的凝結水罐，實現了鍋爐定連排熱水低溫熱能的再利用。

3.3 科學合理控制裝置用電量

裝置用電量實現正常控制的關鍵在于保證三機組的長周期安全平穩運行。

3.3.1 減少煙氣中的催化劑細粉量，提高煙氣品質 為減少煙氣中的催化劑細粉量，采取了2點措施：①整改隱患，確保再生器頂部旋風分離器的分離效率。再生器頂部旋風分離器（也被稱作第一級、第二級旋風分離器）是分離煙氣中催化劑細粉的關鍵設備。催化裂化裝置再生器頂部旋風分離器是5組并列雙級串聯結構，2010年檢修時對旋風分離器的翼閥進行檢查，發現各翼閥均開關靈活，用角度尺測量各翼閥角度均在6°左右，但是旋風分離器的料腿拉桿固定板焊縫有多處開裂，對其進行補焊處理，消除了運行過程中的重要隱患。②清理維護，確保第三級旋風分離器工況良好。第三級旋風分離器是煙氣進入三機組的最后一道分離設備，其分離效率直接決定著進入三機組煙氣的品質。催化裂化裝置采用立管式第三級旋風分離器，其核心部件為72根分離單管。2010年檢修期間打開第三級旋風分離器底部人孔檢查時發現多根內單管喇叭口處催化劑結垢嚴重，對其進行清理，發現有部分單管的分流錐組件有損壞，對其進行補焊處理，確保第三級旋風分離器的長周期良好運行。

3.3.2 改造三機組 三機組在運行過程中，電機有輕微漏油的安全隱患，軸流風機承缸存在泄漏的問題，影響了軸流風機的效率，不能保證三機組的長周期平穩運行。針對該問題，在2010年裝置檢修期間對三機組進行如下改造：①對三機組電機軸承倉油封系統進行改造，軸承倉潤滑油梳齒密封增加隔離氣，減少潤滑油泄漏；②軸流風機返廠修理，解決承缸泄漏問題；對軸流風機靜葉曲柄軸承部分進行更換。

4 技術改造效果

4.1 減少焦炭產率的改造效果

反應－再生系統防結焦項目投用后，在進料量和摻渣率不變的情況下對系統進行標定，結果見表4。從表4可以看出，催化裂化裝置反應－再生系統防結焦改造項目達到預期效果。在摻渣率不變的情況下，改造后產品分布得到優化，其中焦炭產率下降0.75百分點，總液體收率上升0.3百分點，同時反應－再生系統蒸汽用量有所降低。

表4 減少焦炭產率的改造前后裝置運行參數變化情況

4.2 降低蒸汽消耗的改造效果

冬季蒸汽各放空點與蒸汽線連接處根部閘閥關閉，需要使用某路蒸汽時，只要開啟該路蒸汽的根部閘閥即可。此項整改項目可減少冬季防凍蒸汽消耗量1～2t/h。

汽油切割裝置實現熱進料，預分餾塔進料溫度由78℃提高到110℃，減少中壓蒸汽消耗量1.4t/h左右。

鍋爐定連排熱水直排熱水站，減少了裝置冒汽點，降低了熱水站蒸汽消耗量2t/h左右。

4.3 控制裝置用電量的改造效果

再生器頂部旋風分離器和第三級旋風分離器運行良好，進入三機組的煙氣中催化劑質量濃度降到160mg/m3以下。三機組電機軸承倉油封運行正常，軸流風機效率提高，三機組各項運行參數得到優化，煙機軸振動值維持正常，保持在50μm以下，電機電流控制在200A左右，煙機做功效率在80%以上，三機組每天的用電量控制在36 000kWh左右。

4.4 改造前后裝置綜合能耗變化狀況

為了更好地認識裝置節能改造的效果，對裝置2010年四季度的能耗狀況進行核算，并與2009年的能耗進行對比，結果見表5。從表5可以看出，技術改造后蒸汽外輸量增加63.57MJ/t，裝置用電量減少50.58MJ/t，燒焦單耗下降313.65MJ/t，裝置綜合能耗較改造前降低421.85MJ/t，降低能耗12.13%，節能效果顯著。

表5 催化裂化裝置改造前后能耗對比 MJ/t

5 結 論

（1）通過提高反應器封閉罩外防焦蒸汽的溫度、改變原料進料方式、進料噴嘴改為KH－5型，在摻渣率不變的情況下，產品分布得到優化，焦炭產率下降0.75百分點，總液體收率上升0.3百分點。

（2）通過對裝置內蒸汽放空點進行改造，與汽油切割裝置和動力裝置建立熱聯運，有效減少了裝置蒸汽用量，蒸汽外輸量提高。

（3）通過減少煙氣中催化劑細粉量，提高了煙氣品質。對三機組進行改造，使得煙機做功效率提高，不但降低了裝置用電量，而且為三機組的安全平穩運行提供了條件。

（4）裝置改造后綜合能耗下降421.85MJ/t，降低能耗12.13%，節能效果顯著。

［1］ 牛馳.重油催化裂化裝置能耗分析及節能措施［J］.石油煉制與化工，2010，41（2）：59－63

［2］ 黃風林，黃勇，馬敬，等.催化裂化裝置節能降耗措施分析和實施［J］.石油煉制與化工，2010，41（1）：67－71

［3］ 魯維民.重油催化裂化裝置的能耗分析［J］.石油煉制與化工，2010，41（12）：61－64

［4］ 羅勤高.煉油裝置低溫熱回收大小系統的綜合應用［J］.石油煉制與化工，2009，40（6）：46－49

［5］ 許友好，龔劍洪，楊軼男.一種催化裂化烴油進料方法：中國，00122842.0［P］.2002－03－20