連續重整裝置在線換劑技術的工業應用

朱亞東，向小波，鮑 勝，劉寅華，鄧 勇，鄭云清

(中國石化荊門分公司，湖北 荊門 448039)

連續重整裝置在催化劑處于末期階段運行時會出現氯流失嚴重、產物中烯烴含量上升、再接觸壓縮機氣閥頻繁結焦故障、氫氣和液體收率降低等一系列工況，維持運行還會因氯流失增加、產物中烯烴含量上升帶來設備腐蝕、機組維修頻繁等一系列問題[1-2]，因此需要及時更換催化劑。盡管連續重整催化劑從理論上可以使用較長時間，但決策是否更換催化劑是由技術經濟性所決定的[3-4]。目前國內多數連續重整裝置選擇停工檢修期間進行換劑，此時換劑會出現兩種不利工況：①重整裝置需要更換到期的催化劑，但距離計劃檢修還有一段時間，期間裝置將處于低效運行狀態，在產品收益等方面造成經濟損失；②設備運行狀況較好無需檢修的情況下，因為更換催化劑的需要而進行停工檢修，增加了檢修費用和停產造成的經濟損失。如果應用在線換劑技術，則可較好地解決上述問題。

1 連續重整裝置在線換劑技術

1.1 在線換劑技術原理

連續重整裝置在線催化劑更換流程示意見圖1。再生器底部與氮封罐之間的催化劑輸送管線上有2個切斷閥門(V閥和B閥)，閥門上方有催化劑在線卸劑管線流程，閥門下方設置有催化劑在線補充管線。舊催化劑(簡稱舊劑)從再生器底部連續卸出，催化劑上焦炭已經在卸出前燃燒掉，新鮮催化劑(簡稱新劑)通過催化劑添加2號閉鎖料斗系統加入到切斷閥門之下的氮封罐內，實現不停工置換催化劑的目的。在氮封罐上有一個與切斷閥門上方管線相連通的“倒U”形平衡線，平衡線上的氣體交換閥正常運行時是關閉的。在線換劑時氣體交換閥門打開以維持再生器和氮封罐之間正常的氣體交換，管線設置成倒“U”型則可避免催化劑流動進入氮封罐。

在連續重整裝置設計時，在線換劑需要的催化劑添加2號閉鎖料斗系統設施可根據用戶意見選裝。現場設置的操作柱上有“裝劑”和“卸劑”旋鈕，由操作人員根據現場指示燈提示以及中央控制室室內氮封罐料位開關的指示情況，現場操作旋紐后，CRCS控制系統(專有再生控制系統模塊)將按順序發出指令開關各閥門進行催化劑的添加。

1.2 在線換劑操作步驟

在線換劑的操作步驟：①通過降低重整反應溫度的方法來降低反應的苛刻度；②將再生器操作從“白燒方式”切換到“黑燒方式”，以確保在線換劑期間再生設備運行的安全；③停運再生器下部空氣加熱器，待再生器下部溫度冷卻降低到80 ℃后開始卸劑；④將催化劑排出管線上的頂部閥門全開，用靠近地面的下部閥門控制催化劑卸出速率；⑤關閉再生器底部催化劑輸送管線上的V閥和B閥，打開平衡線上的氣體交換閥門，繼續維持催化劑循環；⑥將1桶(約100 kg)新劑加入到催化劑漏斗中，現場旋紐旋至“裝料”位置，由CRCS程序控制2號閉鎖料斗泄壓閥打開，泄壓達到設定值以下后，2號閉鎖料斗入口管線上閥門自動打開，催化劑從漏斗流入2號閉鎖料斗；⑦確認漏斗內新劑已經全部加入到2號閉鎖料斗后，將旋紐旋至“停止”位置，這時2號閉鎖料斗的泄壓閥關閉，催化劑進口管線閥門關閉；⑧待室內氮封罐的料位開關顯示為“空”后，將旋扭旋至“加料”位置，此時氮氣充壓閥門自動打開充壓；⑨當2號閉鎖料斗與氮封罐壓差達到設定值后2號閉鎖料斗催化劑出口管線上閥門自動打開，催化劑流入氮封罐，閉鎖料斗出口閥門維持開啟狀態設置的時間為2 min，之后出口閥門自動關閉；⑩將旋扭旋至“停止”位置，開始下1桶催化劑的裝劑工作。

置換過程中卸劑速率用現場手閥開度控制，加劑速率由再生劑提升速率控制，控制卸劑速率與加劑速率基本一致，分離料斗和還原段的料位均可保持穩定控制。再生器“黑燒”狀態下的操作要控制接近正常氧含量和再生溫度分布，保證催化劑上積炭燒干凈，以便于根據卸出催化劑顆粒外觀目測估計置換進展程度。

2 連續重整裝置在線換劑技術的工業應用

2017年渣油加氫裝置開工后，氫氣供應不足以及氫氣成本高的問題愈加嚴重。因距離本周期計劃停工檢修時間還有近9個月，而且連續重整裝置一直以來運行平穩，符合在線換劑條件，決定實施連續重整在線換劑，以緩解全廠氫氣供應緊張的局面。

2.1 在線換劑前空試和模擬換劑試驗

2.1.1空試由于在線換劑設備長期未使用，首先進行了換劑程序的空試。將2號閉鎖料斗底部的手動球閥保持關閉，通過人工給氮封罐的料位開關信號，滿足CRCS系統內的裝劑條件，測試2號閉鎖料斗的泄壓、裝劑、充壓等步驟閥門開關動作能否順利進行。

2.1.2模擬換劑試驗空試完成后，進行將系統內舊劑卸出后再補充回系統的模擬換劑試驗，以熟悉操作步驟和暴露問題，同時對氮封罐的熱容式料位開關進行標定。過程如下：①關閉再生隔離系統使再生系統“熱停車”后，關閉再生器底部閥門和氮封罐補氮線閥門，氮封罐向大氣泄壓后將平衡線上氣體交換閥門底部盲板拆除；②恢復氮封罐補氮流程后，打開平衡線上氣體交換閥門，停運再生器下部空氣電加熱器，待再生器底部催化劑溫度降低，從再生器底部卸出1桶催化劑后關閉下部卸料閥；③啟動再生系統催化劑循環，再生器底部V閥和B閥仍保持關閉，氮封罐內催化劑被逐漸轉移出去，氮封罐與下部閉鎖料斗壓差下降，低壓差聯鎖關閉再生隔離系統，此時將氮封罐熱容式料位計標定為“空”；④再生器采用黑燒模式啟動，全開再生器底部B閥，用再生器底部V閥控制再生器內催化劑下落速率，維持正常燒焦，但不啟動催化劑循環，分離料斗料位逐漸下降至不再變化，氮封罐料位開關標定為“滿”；⑤再次關閉再生器底部閥門，啟動催化劑循環，將氮封罐內催化劑轉移，至料位開關顯示為“空”后，啟動2號閉鎖料斗加劑程序，將從系統內卸出的100 kg舊劑加入系統。模擬換劑試驗中完成一次加劑(約100 kg催化劑)需要的時間約15 min，模擬換劑試驗成功后恢復催化劑循環和再生器操作，恢復過程中未有異常情況發生，驗證了在線換劑方案的可靠性。

2.2 催化劑在線置換過程

2017年12月14—19日，荊門石化完成了連續重整裝置在線置換催化劑工作(期間短時中斷2次)，在線置換48 t催化劑，耗時4.5天，催化劑的置換速率約400 kgh，為正常催化劑循環速率的60%。

在線換劑過程：① 12月14日9：20，再生器改黑燒運行，停運下部空氣電加熱器，并提高再生器底部冷卻風量，重整反應溫度由516 ℃降至510 ℃，重整反應進料量維持在68 th；②12月14日16：40開始在線換劑，最初曾出現氮封罐與再生器壓差低聯鎖再生熱停車，關小氮封罐頂氣體交換閥門后恢復再生“黑燒”和置換催化劑；③12月19日4：05，置換催化劑結束，15：26再生“黑燒”轉“白燒”，恢復再生系統正常操作。因置換的新劑會帶入水分進入反應系統，循環氫中水含量上升，之后幾天內循環氫中水含量降低到正常水平；在線換劑期間分離料斗細粉淘析數量與之前停工換劑后開工相比，粉塵數量相當，操作參數平穩正常。

2.3 重整裝置在線換劑與停工換劑效果比較

2.3.1對催化劑性能的影響在線換劑與停工換劑后操作參數及產品收率見表1。從表1可以看出：①在線換劑與停工換劑的重整進料芳潛含量變化不大；②與停工換劑相比，在線換劑后C5+汽油收率和純氫收率略有提高，與文獻[4]中重整催化劑初期與末期性能標定數據基本一致。說明在線換劑方式不影響催化劑的性能。

表1 在線換劑與停工換劑后操作參數及產品收率

2.3.2催化劑用量荊門石化重整裝置系統內催化劑總藏量約為48 t，本次在線換劑裝入新劑48 t，卸出舊劑48.3 t，換劑前后還原段與分離料斗料位接近。通過測定在線卸出混合催化劑的比表面積，可以計算出新鮮催化劑比例，新劑和舊劑的比表面積分別按照192 m2g和150 m2g的基準。在線卸出催化劑的比表面積及新鮮催化劑比例見表2。從表2可以看出：①在線換劑過程中，當從再生器卸出催化劑中80%以上為新鮮催化劑時，催化劑的比表面積達到184 m2g以上，此時就可以結束催化劑的置換，與文獻[5]結果一致；②卸出的倒數第40桶(440桶)催化劑中新劑比例接近80%，因此，將最后卸出的40桶催化劑保存，按照新劑進行使用，也就是說從本次在線換劑較停工換劑的方式可減少4 t新劑的用量。另外，在線換劑過程中有部分加入的新劑混入舊劑被卸出，這一因素會增加新劑的用量，但死區催化劑不被置換，則有利于減少新劑的用量。

表2 在線卸出催化劑的比表面積及新鮮催化劑比例

2.4 在線換劑技術應用需要具備的條件及注意事項

連續重整裝置采用在線換劑技術的前提是系統運行正常，特別是不能存在反應器壓降大、催化劑粉塵多等問題。同時催化劑性能下降較大、距離下次檢修時間較長等情況最適合采用在線換劑技術。

連續重整裝置催化劑循環流動過程中，存在催化劑收集-多個料腿下料-再分布的流動截面積變化的現象。在置換過程中新舊催化劑存在一個“交接”界面，界面處是新劑和舊劑混合狀態，界面處的催化劑也需要被置換，因此會“浪費”少量新劑。在流動過程中同一截面的催化劑在各流通位置流速要求盡量均勻，否則使得新劑與舊劑混合界面的催化劑數量增加。因此只有運行中無各種異常的裝置才具備實施在線換劑的條件。例如，要求催化劑循環正常，各處壓降正常，料位控制穩定，無局部的“貼壁”和“空腔”問題[6]，無細粉等異常情況。

在線置換過程中，催化劑的置換速率(即在反應-再生系統內流動速率)要低于正常的循環速率，本次在線換劑速率控制為正常循環速率的60%。置換過程中要盡量平穩，避免中斷和置換速率波動。因此在線卸劑的設施要求提前做好調試和維護，確保置換過程保持連續，避免中斷情況發生。

由于舊劑上金屬Pt分散程度變差，其顆粒顏色較新劑深，因此當卸出的催化劑中有深淺不同顆粒時，說明到了置換的后期。當卸出的催化劑中深色顆粒占比較少時，結合置換的數量，可初步判斷催化劑置換的比例。在線置換末期卸出的催化劑顆粒照片見圖2。從圖2可以看出，末期卸出的催化劑中出現了深淺兩種顆粒，隨著桶數順序的增大，深色顆粒逐漸減少，說明舊劑的比例逐漸減少，由此能夠反映新劑置換的程度。但如何定量確定新劑置換的結束，肉眼判斷缺少經驗，而測定催化劑的比表面積分析時間長，因此按照系統藏量的100%比例補入新劑，根據卸出劑的比表面積分析數據，確定可以保留使用的部分，這樣既保證了置換的徹底程度，也不會浪費新鮮催化劑。

圖2 在線置換末期卸出的催化劑顆粒照片

2.5 在線換劑對長周期運行的風險及措施

在線換劑在裝置維持正常運行狀態下進行，期間如果因故無法繼續進行，將造成“災難性”后果。此時如果終止在線換劑，恢復催化劑的正常循環，系統內將存在兩種活性差別較大的催化劑，以后運行中會出現周期性的波動。如果不恢復催化劑循環，超過一定時間后反應系統需要切斷進料等待故障處理。

在線換劑過程中要維持較低且穩定的催化劑循環速率，力求死區催化劑不移動。否則若置換速率變化大，導致已經置換完畢區域的死區催化劑移動，死區劑進入再生器則可能出現超溫損壞設備的情況。因此，在線換劑必須做好設備維護和備件準備，同時選擇天氣較好的時期進行，換劑過程力求置換速率穩定和連續進行。

3 結 論