連續重整裝置再生器約翰遜內網開裂的原因分析及優化措施

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連續重整裝置于2009年12月建成投產，選用美國環球油品公司(UOP)超低壓連續重整和催化劑連續再生CycleMax ChlorsorbTM工藝專利技術，再生能力908 kg/h，采用中國石化石油化工科學研究院研制的 PS-Ⅵ催化劑[1]。2018年5月發現再生器運行異常，判定為連續重整裝置再生器約翰遜內網開裂。再生器是連續重整裝置的關鍵設備，再生器約翰遜內網破損后易導致催化劑燒結并造成再生器內構件損壞，直接影響重整裝置的穩定運行。以下主要介紹連續重整裝置再生器約翰遜內網開裂的原因分析及優化措施。

1 再生器結構及內網測溫點分布

連續重整裝置催化劑在反應器和再生器內連續循環移動，催化劑在反應器內利用其活性和選擇性在一定的反應條件下，使物料發生反應，催化劑促進反應的同時也會產生積炭，積炭后的催化劑流出反應器進入再生器，在再生器中完成燒炭并使催化劑恢復活性。再生器結構示意如圖1所示。催化劑自頂部催化劑入口進入再生器內網與外網之間形成的環形空間進行催化劑燒炭，燒炭后的催化劑向下移動至氯氧化區進行補氯，然后繼續下移至干燥區，干燥后進入冷卻區進行冷卻，最后自再生器底部催化劑出口流出。

圖1 再生器結構示意

在一定的工藝條件下，催化劑上的積炭在再生器燒炭區完成燒炭，并產生大量的熱，使燒炭區溫度升高。再生器內網位于再生器燒炭區，為了保證內網在安全的溫度下運行并監控再生燒炭溫度，在內網上設計14個測溫點，編號見圖2。再生器上部操作環境惡劣，測溫點布置比較密集，再生器內網上部自上而下設置4對測溫點TI31101和TI31107、TI31102和TI31108、TI31103和TI31109、TI31104和TI31110，每對測溫點位于再生器內網同一水平面并相對布置，其他6處測溫點與測溫點TI31101位于同一側，自上而下依次為TI31105，TI31106，TI31111，TI31112，TI31113，TI31114。再生器內網測溫點位置見表1。

圖2 再生器內網測溫點分布

項 目相鄰熱偶之間距離∕mm熱偶距內網頂部距離∕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 再生器約翰遜內網開裂的現象及判斷

2.1 氯氧化區溫度升高

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

2.2 再生器燒炭區床層溫度異常

正常生產情況下，位于再生器內網上部區域同一水平面對稱布置的2個測溫點溫度相差不大。當約翰遜網開裂后，會有部分小粒徑的催化劑被再生燒焦氣攜帶進入再生風機，被再生風機打碎后進入再生器，造成燒焦氣入口處約翰遜外網堵塞[3]，被堵塞區域燒焦風量降低，使得該區域燒焦不充分，含碳催化劑下移，燒焦溫度降低，同一水平面對稱布置的2個測溫點溫度出現較大差異。正常情況下，燒炭區最高溫度(峰值溫度)位于TI31104測溫點，溫度為565～570 ℃。2018年5月2日1：50，再生燒炭區TI31104測溫點峰值溫度開始下降，同時位于測溫點TI31104下側的TI31105測溫點溫度開始上升，到9：00時，再生燒炭區峰值溫度下移至TI31105測溫點，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TI31110的溫度變化不大，說明TI31110測溫點一側約翰遜網堵塞不明顯。另外，再生燒焦氣流量和再加熱區氣體流量均出現下降，說明再生器約翰遜網存在堵塞。一般情況下，再生燒焦氣流量在較短時間內持續下降，燒焦區對稱布置的測溫點溫度出現較大差異，主要原因為約翰遜內網開裂。

2.3 再生器約翰遜內網開裂的判定

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。正常生產情況下，催化劑再生采用白燒操作，白燒操作時再生空氣自再生器底部補入，自下而上依次經過再生器的冷卻區、干燥區、氯氧化區、再加熱區和燒炭區；催化劑自再生器頂部流入，自上而下依次經過燒炭區、再加熱區、氯氧化區、干燥區和冷卻區。白燒操作下，催化劑在再生器內完成了燒炭、氯化氧化、干燥和冷卻[4]。異常情況下，催化劑再生可短時間采用黑燒操作，黑燒操作時再生空氣自再生器的上部補入燒焦氣中，進入燒炭區進行燒炭，再生空氣不經過氯氧化區，催化劑不能進行氯化氧化。在黑燒操作工況下，再生器約翰遜內網出現開裂，泄漏的待生催化劑將落入氯氧化區并隨再生催化劑一起向下移動，再生劑采樣時發現黑色待生催化劑，可以判定約翰遜內網出現開裂。

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黑色待生劑，判定為再生器約翰遜內網開裂。根據再生操作現象，可以判斷約翰遜內網泄漏的催化劑一部分下落至氯氧化區，在氯氧化區燃燒，使氯氧化區溫度升高；還有一部分隨燒焦氣進入再生風機，被再生風機打碎后進入再生器堵塞約翰遜網，導致再生循環風量下降，使得再生器內沒有完全燃燒的積炭催化劑向下移動。

3 再生器約翰遜內網破損及修補

3.1 再生器約翰遜內網破損情況

再生器約翰遜內網抽出檢查發現距約翰遜內網頂部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，約翰遜內網上部區域出現多處微熔缺陷，微熔缺陷集中在約翰遜網上部500～750 mm的環形區域內(見圖4)。

圖3 約翰遜內網頂部裂痕和孔洞照片

圖4 約翰遜內網上部微熔缺陷照片

3.2 再生器約翰遜內網修補方案

約翰遜內網裂紋長度較大，若只對裂紋部位進行修補貼板，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形區域存在較大溫差，不利于再生器穩定運行。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形焊縫之間區域進行整體貼板修補，貼板寬度為160 mm(見圖5)，對上部區域多處微熔缺陷進行了激光低溫熱熔處理，并對修補部位打磨拋光。

圖5 約翰遜內網頂部整體貼板修補照片

4 約翰遜內網破損原因分析及優化操作

4.1 溫差應力和金屬疲勞

自分離料斗間斷流出的催化劑進入再生器后流入內外網形成的環形空間，剛進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]，距內網頂部350～600 mm處溫度達到最高，約為568 ℃，然后逐漸降低，在距內網頂部2 000 mm處，溫度降至480 ℃。在燒炭區上部600 mm的環形區域，操作環境惡劣，溫度梯度變化極大且溫度較高，另外，再生燒炭高溫區與分離料斗間斷流出的低溫催化劑均集中在內網上部，低溫催化劑間斷流入，使內網上部溫度交替變化。因此，約翰遜內網上部區域存在較大的溫差應力[6]和金屬疲勞。特別是頂部160 mm高度上存在2道環形焊縫和1道縱向焊縫，這是再生器內網的薄弱環節。內網開裂位于縱向焊縫處，孔洞位于縱向焊縫兩側，說明焊接部位存在應力集中情況，易在焊接部位出現開裂和破損。

4.2 再生器內網上部微熔缺陷原因分析

再生器內網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，高溫燒炭環境下，存在缺陷的催化劑顆粒卡在內網表面，使得此處循環氣流通性變差，燒炭產生的熱量不能及時被帶走，造成局部高溫，使卡住催化劑的內網表面出現微熔缺陷。

4.3 降低再生燒炭區操作溫度

4.3.1 降低再生燒焦氣氧含量，從而降低燒炭區操作溫度 再生器內網優化操作前后溫度對比見表2。根據再生器實際操作情況，調整再生燒焦氣中氧體積分數由0.8%降至0.65%～0.70%，使位于內網上部的催化劑在相對緩和的條件下進行燒炭，減少內網上部燒炭量，未燒炭完全的催化劑繼續向下移動，再生器峰值溫度由TI31104測溫點下移至TI31105測溫點，增大了再生器的燒炭區域。從表2可以看出，通過優化再生操作，TI31103測溫點溫度由559 ℃降至541 ℃，TI31104測溫點溫度由568 ℃降至552 ℃。考慮到測溫點TI31105水平面上只有1個測溫點，存在監控盲區，為了防止含碳催化劑下移，在操作中控制TI31004和TI31005測溫點溫度不超560 ℃；同時監控TI31006溫度不超過510 ℃，再加熱區溫度不高于再生器煙氣出口溫度。

表2 再生器內網優化操作前后溫度對比

4.3.2 控制原料性質，優化重整反應操作，減少催化劑積炭 重整裝置長期高負荷、高苛刻度運行，催化劑積炭高，再生燒炭區操作溫度高。通過優化原料性質，控制原料終餾點不高于173 ℃，控制重整反應氫油摩爾比為2.5，優化調整后，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。當再生溫度偏高時，還可以適當降低第四反應器的反應溫度，降低催化劑積炭量。

表3 優化操作前后催化劑積炭量對比

5 結 論

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

(2)通過調整適當降低再生燒焦氣中氧含量，使位于內網上部的催化劑在相對緩和的條件下進行燒炭，同時嚴格控制原料干點不高于173 ℃，提高重整反應氫油摩爾比至2.5，優化調整后，待生催化劑積炭量由5.1%降至4.8%，燒炭區峰值溫度由568 ℃降至552 ℃，有利于再生器內網的長周期穩定運行。