移動床輕烴芳構化裝置粉塵的危害、成因與應對措施研究

張小軍 ZHANG Xiao-jun；胡海龍 HU Hai-long；任月明 REN Yue-ming

（中海石油寧波大榭石化有限公司，寧波 315812）

0 引言

中國石油化工股份有限公司石油化工科學研究院（石科院）與中石化洛陽工程有限公司共同開發的芳烴型移動床輕烴芳構化技術，以C3～C7混合輕烴為原料，生產苯、甲苯和混合二甲苯，副產氫氣，已成功實現工業應用。

500kt/a輕烴芳構化裝置于2019年7月完成詳細設計，2020年5月建成中交，2020年7月8日投料，7月10日產出合格甲苯產品，7月12日催化劑循環燒焦，一次開車成功。原料包括DCC（深度催化裂解）石腦油、重整戊烷油、芳烴抽余油、加氫石腦油、液化石油氣及重整和加氫干氣。主要產品為苯、甲苯、C8+芳烴，副產氫氣、液化石油氣以及干氣。

裝置由芳構化反應部分、產品分離部分、催化劑連續再生部分及界區內配套的公用工程設施組成。工藝流程示意見圖1。

圖1 生產工藝示意圖

裝投產以來，粉塵量一直較大，對裝置長周期生產運行帶來了影響。分析和解決粉塵增多的原因和應對措施成為該裝置目前階段的首要工作。

1 催化劑粉塵的危害

1.1 催化劑損失量大

500kt/a輕烴芳構化裝置，在2021年5月檢修開工后，粉塵量一直較大，反映出催化劑損失量較大。運行初期，單日最大粉塵卸出量為146.2kg，至9月合計卸出粉塵約9.2T。

卸出粉塵主要為催化劑粉末、非整顆粒催化劑和少量碳粉。開工后每兩周平均粉塵量如表1、圖2。

表1 生產周期平均粉塵量

圖2 平均粉塵量直方圖

考慮到在裝置檢修期間，對卸出的催化劑粉塵進行除塵，催化劑具有一定量的損失，在本次開工前裝劑時，新補入催化劑10.0 T，集中存放在分離料斗。開工后，隨著催化劑損耗，第十五周運轉催化劑量進入低值，開始向系統內補入新劑。

根據表1，可以看出，粉塵量在開工后波動較大，經過不斷調整逐漸下降，在第五周逐漸趨于平穩，在第十五周添加新催化劑后，開始增大并穩定至約100kg/天，隨著運行時間增長，又開始逐漸增大。

裝置設計催化劑粉塵量每天≯15.0kg，而在穩定期間，實際最低為每天50kg，遠高于設計值。

1.2 影響設備長周期安全運行

1.2.1 一反、三反過濾器堵塞

催化劑提升，利用自產富氫干氣作為再生提升氣和二反提升氣，分別將催化劑提升至一反、三反上部料斗，提升氣完成催化劑的轉移后，再經一反、三反過濾器返回一反、三反內。

一反、三反過濾器壓差達到3.0kPa時進行切換，開工后，一反過濾器平均每48h切換1次，三反過濾器平均每8h切換1次；隨著運行時間的增長，切換頻率逐漸增大。當切換頻率達到每8h切換2次時，進行過濾器濾芯拆清。

從過濾器切換頻次上，可以看出提升氣中攜帶有大量粉塵，在氣體通過過濾器時，在濾芯上快速聚集，引起過濾器前后壓差增大。

1.2.2 再生氣出口過濾器堵塞

在裝置運行的第一周期（9個月），受粉塵影響，再生氣出口過濾器前后壓差逐漸增大至7.0kPa，此過濾器為單一過濾器，在停工后檢修時拆清，粉塵堵塞嚴重。

再生氣出口過濾器粉塵堵塞，由于處在再生器氣相出口，說明再生器在燒焦再生過程中有一定的催化劑消耗，產生粉塵。

1.2.3 粉塵對反應器內件影響

如圖3，大量的粉塵積聚會堵塞內網，易引起通過催化劑床層的反應氣體氣速不均勻，催化劑局部“貼壁”結焦。

圖3 反應器內件粉塵和結焦

在2021年停工檢修進行反應器內構件檢查時,發現在二反、四反上蓋板均有黑色粉末堆積，扇形筒與反應器壁和間隙也有少量結焦和粉末聚集，同時在四合一爐各入口集合管封頭處也有黑色粉塵堆積，取樣通過掃描電鏡分析，主要為催化劑粉末和碳，如圖4。反應器中的粉塵對后路流程中的塔、罐和機泵均有不同程度的影響。

圖4 粉塵和結焦掃描電鏡分析

1.2.4 損壞系統閥門的密封面

粉塵會損壞催化劑循環系統各閥門的密封面,使閥門開關故障不能動作，對生產造成一定影響，同時增加維修次數，尤其是程控球閥，常會引起卡澀和開關閥故障。

在裝置開工運行初期，檢查發現閉鎖料斗壓差控制閥卡澀，隨后停止催化劑循環，切出調節閥后拆清，對磨損的閥芯和閥座進行打磨拋光處理，投用后閥門動作恢復正常。

2021年檢修后開工期間，在進行卸粉塵操作時，粉塵收集器與粉塵收集罐連通程控閥開閥故障，經拆檢發現為粉塵引起卡澀，清理閥芯和閥座后回裝恢復正常。

1.2.5 粉塵引起催化劑料腿堵塞

催化劑攜帶大量粉塵,在循環提升出現異常情況時，極易引起催化劑料腿堵塞。

芳構化裝置投產后，檢查發現四反下部7#、9#料腿堵塞，現場通過木錘敲擊，堵塞料腿空管聲音清脆，現場實測堵塞料腿溫度只有約40℃，而其它料腿溫度在200℃左右；通過對料腿敲擊和關閉隔離閥后利用密封氣反吹均無法疏通，在停工檢修時檢查，為四反底部與7#、9#料腿連接處大量粉塵和催化劑聚集堵塞，人工清理并進行疏通后，開工檢查恢復正常。

1.2.6 粉塵對儀表影響

催化劑粉塵在移動過程中,容易堵塞壓力（壓差）表引壓管堵塞；裝置發生多次引壓管堵塞，通過拆清后恢復。

2 催化劑粉塵產生的原因分析

2.1 原料含水的影響

原料中含有的水，在反應器高溫條件下汽化，與催化劑長時間接觸，引起催化劑表面金屬組分聚集，脫氫活性下降；同時水在催化劑孔道內，容易引起擔體結構性坍塌，即形成吸水粉化，直接引起催化劑強度下降，并伴隨著催化劑的移動，磨損損失加大，進而產生大量粉塵，易堵塞反應器內網。

同樣，醇、醚等含氧化合物，在高溫、高酸條件下，也會反應產生水，同樣會降低催化劑強度，從而增加磨損，產生粉塵。

輕烴芳構化裝置反應進料中含水如表2。

表2 反應進料雜質含量

通過表2，反應進料雜質含量可以看出，原料中微量水均值為130.35mg/kg，醇含量為149.03mg/kg左右，二烯烴含量0.07%，現由含醚原料“醚后C4”未引入裝置，故原料不含醚。

2.2 再生燒焦系統影響

催化劑再生燒焦主要是再生時帶入或產生的水，會影響催化劑強度，在高溫下產生熱崩和磨損，進而產生粉塵；其主要過程可總結為以下兩處：

第一，燒焦時產生水。在燒焦區反應如下：

即壓縮空氣中的氧與催化劑上的碳燃燒生成水，并吸附在催化劑上，隨著催化劑下移至干燥區；在干燥區內進行脫水，反應如下：

通過反應可以看出，燒焦時利用干燥氣將催化劑中的水汽提至干燥氣中，向上隨燒焦氣一起排出，隨后帶水氣體經換熱冷卻后，在干燥系統脫除水分，作為循環氣使用。

所以，燒焦產生的水無法避免，但可以利用干燥系統脫除，將影響降到最低。

第二，燒焦時所用的凈化風中的微量水。

凈化風在公用工程生產時雖已經過脫水，但仍有微量水存在，同樣影響催化劑強度。

2.3 管道的磨損

催化劑流通經過的管道應保證內壁光滑，無凸起和毛刺，防止催化劑在流動過程中因為尖銳棱角等導致的磨損損失。

2.4 循環淘析的影響

淘析氣流量的調整，對裝置長周期平穩、安全運行至關重要。如果淘析氣流量不足，則導致催化劑循環系統中夾雜著粉塵，對于催化劑正常輸送、燒焦、料位控制、儀表引壓線等都會帶來一定影響；如淘析氣流量過大，則使部分完整顆粒的催化劑被淘析除去，造成裝置運行成本增加。

2.5 工藝操作的影響

催化劑循環過程中，在發生異常或提升氣變化較大時，也容易引起粉塵量增加。在操作上，要保證各提升器提升連續且平穩，盡量避免操作波動。

3 優化和改進措施

3.1 脫除原料中的水和醇、醚等含氧化合物

目前，主要含水原料為55萬抽提裝置來抽余油，其量與原料罐V-101液位串級控制，含水量為150mg/kg，在其它原料滿足供給情況下，可以盡量減少或停止該股原料，以減少混合原料的含水量，同時要注意，長時間停止該原料，再次投用時要置換排水，防止靜置產生大股明水進入原料罐。另外，在2021大檢修期間，已對混合原料進原料罐管線增加了甩頭，用于安裝脫水設施，需要盡快確定標準，加緊采購安裝脫水設施，以脫除原料中的水分，減少水對催化劑影響。

3.2 優化工藝操作

開工初期，裝填好的催化劑在剛投入運轉之后，粉塵量較大，要根據粉塵量及整顆粒度不斷調整淘析氣量，否則會使粉塵不能完全淘析分離，給后續生產及循環帶來不利影響。另外，在發現粉塵異常時，先檢查反應器各壓差、溫降，判斷是否有堵塞或發生“貼壁”后，再進行淘析氣量的調整操作，防止盲目調整引發更嚴重后果。在開工建立催化劑循環再生，或催化劑循環再生系統發生異常后恢復操作時，要嚴格控制各提升器一、二次氣量，嚴禁大幅度操作，以減少催化劑的碰撞磨損。

在運行穩定后，在保證催化劑提升正常的情況下，盡量降低各提升氣量總量，將催化劑提升線速度降至最低，并平穩控制。

對再生干燥氣新增的電加熱器H-303進行投用測試，提高再生燒焦水分脫除效率。

3.3 對催化劑各項性能進行評價論證

需要對催化劑各項性能進行評價和分析，比如機械強度、熱強度等，探索最適宜的工藝條件，或篩選適宜移動床的輕烴芳構化催化劑，以降低催化劑粉塵量。可以委托第三方進行催化劑篩選評價，對現有催化劑進行不斷優化和加強。

3.4 保證催化劑循環管道內壁光滑

在設備管道安裝前，必須保證所有管道及設備內部無尖銳棱角，所有焊縫必須打磨光滑。反應器、再生系統所有設備在裝填催化劑及封人孔前，必須確保內部檢查完畢，所有隱藏部位須用內窺鏡檢查，無任何雜物之后再進行下一步的操作。

4 結論

①原料中的水、醇、醚等雜質對催化劑粉塵增多有影響，在有條件的情況下，須將對催化劑有不利影響的雜質含量降到最低。②設備、管線內壁的平滑度對粉塵增加有影響，在停工檢修時，對不平整光滑的內壁、焊縫、“臺階”等進行打磨，對于無法消除的位置須更換；在開工前，做好檢查，將磨損降到最低。③控制適宜的淘析氣量，有利于減少粉塵；淘析氣量并不是一個固定值，開工初期或出現異常時一定要根據粉塵量等參數及時調整，防止粉塵不能完全吹出，避免形成惡性循環。④催化劑在保證性能的基礎上，還需要增加強度；可以委托第三方進行催化劑篩選評價，對現有催化劑進行不斷優化和加強。⑤燒焦溫度要嚴格控制，在除焦同時，防止催化劑熱崩壞；同時最大程度減少燒焦時產生的水對催化劑的影響。⑥優化和平穩操作，保證催化劑循環時的溫度等，都有利于減少粉塵生成。