煙氣輪機結垢原因分析及預防措施

邢 東，隋志國，徐惠麗，藺世楨

(中國石油吉林石化公司 煉油廠，吉林 吉林 132022)

催化裂化是重質石油烴類在催化劑的作用下反應生產液化氣、汽油、柴油等輕質油品的過程，是石油煉制企業主要的二次加工裝置，在我國大約80%(質量分數)的汽油和1/3的柴油均來自該工藝[1]。中國石油吉林石化公司煉油廠Ⅰ套催化裂化裝置設計加工能力140萬t/a，包括反應-再生單元、主風機組單元、分餾單元、氣壓機單元、吸收-穩定單元、產汽及余熱鍋爐單元，其中主風機組是裝置的核心設備，煙氣輪機(以下簡稱煙機) 運行狀況直接影響裝置的能耗和長周期運行。多年來，因煙機結垢造成機組振動值超標、煙機葉片磨損、機組報廢甚至整套裝置非計劃停工時有發生，對裝置的安全生產、長周期穩定運行及經濟效益構成了嚴重威脅，中國石油吉林石化公司煉油廠Ⅰ套催化裂化裝置2011年曾經發生一起煙機結垢問題，經過深入分析、查找原因、采取相應措施，使問題得以解決。

1 煙機結垢現象、原因分析

1.1 煙機結垢前期現象

2011年10月之前煙機運行狀態良好，曾創下連續運行時間13 512 h的記錄，10月9日發現再生催化劑和三旋細粉呈暗紅色，與正常的灰白色細粉顏色有明顯變化(催化劑顏色對比見圖1)，同時三旋細粉量增加了近1倍。10月16日6∶26煙機有4點監控振動值由正常時的54、28、24、45 μm分別上升至65、35、26、51 μm(工藝指標值≤8 0μm)。因在可控范圍內，煙機監護運行，并采取關小煙機入口蝶閥開度的措施來減小煙機振動，調整后煙機振動值開始逐漸下降至58、36、26、47 μm；此后煙機振動值多次階躍式變化，最高上升至102 μm，煙機振動曲線見圖2。判斷是煙機轉子結垢，垢層脫落破壞轉子動平衡導致振動值升高。為避免結垢加劇可能導致的煙機葉片斷裂，被迫將主風機切至備機運行，煙機進行檢修。

圖1 催化劑顏色對比

時間圖2 煙機振動值曲線

1.2 煙機解體檢查狀況

2011年10月26日9∶00，煙機解體后發現煙機葉片結垢，進氣錐有塊狀垢，煙機圍帶結垢呈圓環狀，厚度約3 mm，垢片為暗紅色。煙機葉端磨損嚴重，磨損產生的凹痕深度在(3～4)mm。煙機垢片及煙機葉端磨損照片見圖3、圖4。

圖3 煙機垢片照片

圖4 煙機葉端磨損照片

1.3 煙機結垢成因分析

煙機垢樣顏色暗紅，硬度高，沒有明顯分層現象，從斷面看比較均勻，說明結垢速度較快。對垢塊樣品的化學成分進行了分析，煙機垢樣物相分析圖譜見圖5，化學組成見表1。

θ/(°)圖5 煙機垢樣物相分析圖譜

表1 吉林石化公司煉油廠催化劑垢樣化學組成w/%

續表

由圖5和表1對應的詳細分析數據可以看出，樣品中含量較多的元素有Al2O3，SiO2，Fe2O3，La2O3，CeO2，Sb2O3，MnO，Cr2O3等。其中Al2O3，SiO2，La2O3，CeO2為催化劑本身所固有的物質，Sb2O3推測為金屬鈍化劑帶來的，而Fe2O3，MnO，Cr2O3等推測為金屬雜質引起的。

分別在不同時間段對再生平衡催化劑樣品(2011年3月樣品1、2011年9月樣品2、2011年10月樣品3、2012年1月樣品4)和三旋細粉(2011年10月樣品5)進行粒度和重金屬含量分析，結果見表2、表3。

表2 催化劑粒度分析數據 φ(樣品)/%

表3 催化劑重金屬分析數據 w/(mg·kg-1)

由表2、表3催化劑常規分析數據可以看出，10月份再生平衡催化劑中Fe、Na、Ni、Ga等重金屬含量較9月份均大幅度增加，其中w(Fe)高出近3 000 mg/kg,這與煙機垢片主要成分w(Fe)較高高度吻合。且再生平衡催化劑中(20～40)μm 小顆粒細粉明顯增加，80 μm以上大顆粒明顯減少，表明催化劑在再生器中發生了破碎。同時，由于裝置使用降烯烴催化劑，該劑使用一定量的稀土作為催化劑的有效成分，而稀土元素最易產生靜電，強化了催化劑粉塵顆粒的吸附作用[2]。另外，裝置煙機入口的操作溫度在630～660 ℃，為低熔點共熔物提供了熔化的條件，由于大量的鈉離子和鐵離子吸附在催化劑細粉表面，形成的低熔點的共熔物也起到了粘結劑的作用，加速了催化劑細粉的粘連和堆積。由于系統中催化劑細粉含量大幅度增加超出了三旋的運行負荷，大量的催化劑粉塵伴隨煙氣進入到煙機，攜帶大量催化劑粉塵的煙氣以15～23 m/s的線速高速運行，催化劑顆粒之間或顆粒與管壁之間產生劇烈的摩擦作用，產生靜電電荷，導致催化劑以靜電的形式被吸附到煙機或管壁上。

近幾年各石化企業、科研院所的不斷深入研究表明：大量催化劑細粉的存在、催化劑顆粒的靜電吸附作用、有粘結物質存在等因素促使垢的形成[3-4]。也有研究資料顯示，鈉作為氧化鋁的熔劑，降低了催化劑結構的熔點，在正常的再生溫度下使催化劑污染部位熔化，把沸石和基質一同破壞。鐵離子的增加會降低催化劑的骨架強度，導致催化劑極易破碎，且鐵離子在催化劑表面沉積形態為Fe3O4或Fe2O3，能夠與Na2O等形成低熔點的(<500～667 ℃)共熔物[5]，因此可以初步得出如下判斷：煙機垢樣中富集了大量的Na、Fe等金屬和硫酸根離子，這些金屬和陰離子形成低熔點鹽類可能是引起煙機結垢的主要原因，煙機入口的粉塵含量高也為煙機結垢提供了物質基礎。

2 采取的預防措施

2.1 控制催化裂化原料金屬含量

(1) 優化常減壓裝置電脫鹽操作，破乳劑加入量控制在15×10-6(與原油體積比)，優化脫鹽溫度、注水量、混合強度等控制措施，嚴格控制原油脫后ρ(鹽)<3 mg/L，目前脫后ρ(鹽)=1.7～2.2 mg/L。

(2) 優化平衡重油二次加工裝置的原料性質，對一常壓、二常減壓的蠟油、常壓渣油、減壓渣油相關原料組分定期分析，在3套催化裂化裝置、延遲焦化裝置間做好平衡，減少高金屬含量原料進催化加工。降低裂化裝置原料中的金屬特別是鈣、鐵、鈉離子的含量。

2.2 控制系統中平衡催化劑的重金屬含量

(1) 查清煙機結垢原因后，立即用以前重金屬含量比較低的平衡劑對系統催化劑進行置換，同時加大新鮮劑加入量，使系統平衡劑w(Fe)降到4 450 mg/kg以下。

(2) 催化劑自然跑損單耗在0.45～0.6 kg/t，為避免重金屬在平衡催化劑上過高富集，采取每周外卸部分平衡劑，控制催化劑單耗在0.9～1.0 kg/t。

(3) 每旬分析平衡催化劑重金屬含量，嚴格控制平衡催化劑的Ca、Fe、Ni等重金屬的含量。重點監控w(Fe)≤4 500 mg/kg，w(Ni)≤5 000 mg/kg(圖6為近期11個批次催化劑的分析數據)。

分析批次圖6 平衡催化劑重金屬分析

2.3 控制煙氣中催化劑的細粉含量

(1) 每批新鮮催化劑使用前，按出廠質量報告單質量指標逐項復檢，對可能導致催化劑破碎的磨損指數、灼燒減量等指標重點關注，要求新鮮催化劑中小于20 μm組分體積分數≤ 3%。

(2) 主風事故蒸汽(自保閥小跨線)、燃燒油噴嘴保護蒸汽等進入再生器的蒸汽，一方面要保證處于過熱狀態，避免帶水；另一方面汽量盡可能小，防止催化劑熱崩。

(3) 在滿足再生燒焦的情況下控制較低的再生器溫度，一般控制在685 ℃以下，減少高溫對催化劑的影響。

(4) 提升管反應器預提升介質使用干氣，預提升蒸汽降至最低，一方面干氣可以起到對重金屬的鈍化作用，另一方面預提升蒸汽量的降低也可以減輕催化劑水熱失活和破碎[6]。

(5) 主風量、再生壓力調整控制平穩，使旋風分離器處于最佳工況，保證旋分效率，降低煙機入口的催化劑細粉濃度。

(6) 三旋細粉儲罐中的細粉每周二、周五外卸2次，并保證卸空。防止因儲罐中細粉料位過高影響三旋旋分效率。

2.4 優化煙機運行管理

(1) 煙機輪盤蒸汽要確保過熱度，防止蒸汽帶水。

(2) 嚴格控制蒸汽品質，避免水蒸汽中含有的Ca、Mg、Fe、Na等離子超標。

(3) 加強煙機入口粉塵濃度監控，三旋出口粉塵質量濃度最好在160 mg/m3以下。

(4) 對煙機振動值、煙機效率等能夠反應結垢傾向的參數予以重點關注。

3 實施效果

中國石油吉林石化公司煉油廠Ⅰ催化裂化裝置通過采取優化原料結構、嚴格控制原料中w(Fe離子)≤8.5 mg/kg；定期外卸平衡劑、補充新鮮催化劑，控制催化劑單耗在0.9～1.0 kg/t，維持系統平衡劑w(Fe離子)≤4 500 mg/kg；優化工藝平穩操作，減少催化劑細粉生成等措施，取得了明顯效果。

3.1 煙機結垢得以控制

自2011年11月份更換完煙機轉子經歷了2012年5月份全區裝置大檢修、2013年5月份煙機正常檢修(按照中油公司《煙氣輪機長周期運行管理技術導則》要求主動停機，更換備用轉子)，煙機2次解體檢修，僅動葉片葉根有輕微催化劑沖刷的痕跡，進氣錐、靜葉環圍帶均未發現結垢現象，煙機結垢問題得到徹底解決，為裝置的長周期平穩運行奠定了基礎。

3.2 效益顯著

該煙機為蘭煉生產的YL-14000A單級煙機，正常工況下煙機回收功率在13 300 kW·h,每次更換轉子大約需要7 d，煙機結垢問題解決后可多節電220萬kW·h，節約電費220×0.69=151.8萬元。節省更換1套煙機葉片費用100萬元/次。

3.3 安全生產得到保障

避免了因結垢而引起的機組振動甚至煙機葉片斷裂事故的發生。削減了頻繁切換主風機組帶來的風險，裝置安全生產得到保障。

4 結 論

針對由于系統平衡催化劑重金屬含量過高加之煙機入口催化劑粉塵濃度過大，在煙機流道內因靜電吸附及催化劑“熔融”形成的煙機結垢，通過采取相應的技術措施，避免平衡催化劑上重金屬(尤其是Fe離子)過高富集、減少煙機入口煙氣中催化劑粉塵濃度等可有效防止煙機結垢的發生。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 徐春明,楊朝合，等.石油煉制工程(第四版)[M].北京：石油工業出版社，2009(9)：294-298.

[2] 周建文.催化裂化裝置煙氣輪機結垢分析[J].煉油技術與工程，2005,35(9)：28-31.

[3] 李鵬，曹東學.催化裂化裝置三旋、煙機結垢原因分析及對策[J].煉油技術與工程，2005,35(3)：11-14.

[4] 吳宇，劉強，于嬰，等.催化裂化裝置煙機結垢問題的原因與防范措施[J].石油煉制與化工，2011,42(3)：24-28.

[5] 陳俊武，等.催化裂化工藝與工程[M].北京：中國石化出版社，2005：315-322.

[6] 徐兵，張小志，徐吉成.干氣預提升技術在催化裂化中應用的分析[J].化工時刊，2010,24(5)：30-33.