彭 威， 于 浩， 劉君建， 韓勝顯， 魏耀東， 劉艷升

(1.中國石油 克拉瑪依石化公司，新疆 克拉瑪依 834003；2.中國石油 遼陽石化公司，遼寧 遼陽 111003; 3.中國石油 玉門煉油化工總廠，甘肅 玉門 735200；4.中國石油大學(xué)(北京) 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

流化催化裂化(FCC)裝置是中國重質(zhì)油輕質(zhì)化加工工藝的核心裝置。2020年，國內(nèi)200多套FCC裝置生產(chǎn)了中國占比70%的汽油、30%的柴油以及40%以上的丙烯[1]。在催化裂化工藝中，提升管反應(yīng)器內(nèi)油氣與再生催化劑的裂化反應(yīng)和再生器內(nèi)待生催化劑與空氣的燒焦反應(yīng)是其2個(gè)核心過程。其中，反應(yīng)過程決定了產(chǎn)品產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量，是產(chǎn)生效益的主體；再生過程的目的是恢復(fù)催化劑活性和選擇性，同時(shí)為提升管裂化反應(yīng)提供反應(yīng)熱量，剩余的熱量還可以通過取熱器生產(chǎn)高溫高壓蒸汽[2-3]。

再生過程通常決定了FCC裝置的能耗高低和運(yùn)行周期的長短，并影響產(chǎn)品分布和操作的難易程度。催化劑再生工藝是典型的氣-固非催化反應(yīng)，不僅受化學(xué)反應(yīng)、流態(tài)化、傳質(zhì)等因素的控制，而且受燒氫、重金屬污染、水蒸氣等因素的影響。根據(jù)再生工藝中催化劑和主風(fēng)氣體的流動(dòng)路線、催化劑的流態(tài)劃分，再生工藝分為單段再生、兩段再生和快速流化床再生工藝。傳統(tǒng)的再生工藝為單段再生工藝，再生器內(nèi)床層流態(tài)為鼓泡床或湍流床，由于床層線速低、顆粒返混程度大，造成燒焦強(qiáng)度低，再生催化劑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.20%。為了進(jìn)一步降低再生催化劑碳含量，開發(fā)了不同類型的兩段再生工藝技術(shù)[4-5]。兩段再生工藝將催化劑燒焦再生過程分為2個(gè)階段進(jìn)行，第一段燒去焦炭量的70%～80%，余下的焦炭量在第二段更高的溫度下繼續(xù)燒焦反應(yīng)，再生催化劑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)可降低至0.03%～0.10%。由于采用了兩段再生，催化劑不僅需要在2個(gè)再生器內(nèi)流化，而且需要在2個(gè)再生器之間循環(huán)，控制再生器間的催化劑藏量和待生催化劑燒焦的比例分配。主風(fēng)的氣路系統(tǒng)有時(shí)是單路進(jìn)風(fēng)，有時(shí)需要采用雙路進(jìn)風(fēng)路線；主風(fēng)氣體的流向有時(shí)與催化劑同向，有時(shí)與催化劑逆向；煙氣的流出路線有并流和分流等2種形式。由此產(chǎn)生了氣-固并列、串聯(lián)并流、串聯(lián)逆流3種兩段再生工藝。黃景成[3]從燒碳動(dòng)力學(xué)對(duì)比分析了3種催化裂化兩段再生工藝的特點(diǎn)，在相同條件下串聯(lián)逆流兩段再生效果最好。閆少春[4]和余龍紅等[5]則對(duì)比分析了不同兩段再生器結(jié)構(gòu)對(duì)工藝的影響，不僅有再生效果上的差別，而且投資上也有很大的不同?？焖倭骰苍偕牧鲬B(tài)在快速床區(qū)域，需要有一定的催化劑循環(huán)，用于控制再生器的催化劑密度和溫度，也稱循環(huán)床再生工藝。隨著催化裂化原料的重質(zhì)化和劣質(zhì)化，快速床再生工藝存在一系列問題，如煙氣尾燃、催化劑跑損及催化劑循環(huán)不暢等。

除了催化劑和主風(fēng)氣體的流動(dòng)路線變化外，影響催化劑再生效果的工藝因素也很多，主要有再生壓力、再生溫度、氧分壓、催化劑碳含量、催化劑藏量和停留時(shí)間等。但催化劑的流化和輸送操作是實(shí)施再生過程的前提條件，直接影響到再生效果、平穩(wěn)操作和長周期運(yùn)行。相比單段再生工藝，兩段再生工藝和循環(huán)再生工藝的操作參數(shù)更多，設(shè)備結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對(duì)催化劑流化和輸送過程提出了更高的要求。此外，再生器的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的流態(tài)，氣體分布器的形式，立管設(shè)置的方式，立管催化劑輸送量(全輸送和部分輸送)，待生立管和再生立管的進(jìn)、出口標(biāo)高位置等也存在比較大的差異。筆者總結(jié)了國內(nèi)外FCC裝置再生工藝類型及操作特點(diǎn)，包括單段再生、兩段再生及多段再生工藝，循環(huán)再生工藝等，對(duì)流態(tài)和壓力平衡分布等特性進(jìn)行了分析，并以此對(duì)現(xiàn)場催化裂化裝置上發(fā)生的立管輸送催化劑不暢的故障原因進(jìn)行了探討，以期有助于FCC裝置再生工藝的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)調(diào)整。

1 再生工藝類型及特點(diǎn)

1.1 單段再生工藝

單段再生工藝是使用一個(gè)再生器一次完成催化劑的燒焦過程，再生器內(nèi)流化床流態(tài)為鼓泡床或湍流床，如圖1所示。單段再生工藝流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡單，投資較低，在早期的FCC裝置設(shè)計(jì)中被廣泛采用。鼓泡床床層密度高達(dá)400～600 kg/m3，氣速率低為0.2～0.3 m/s，床層中氣泡相和乳化相共存，氣泡尺寸大，氧從氣泡相到乳化相的傳遞速率慢，燒焦強(qiáng)度主要為傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)控制。隨著微球催化劑的應(yīng)用，床層氣速率提高至0.6 m/s以上，達(dá)到湍流床操作條件。湍流床內(nèi)氣泡直徑較小，分布很密。與鼓泡床不同，湍流床的氣泡尺寸幾乎不隨氣速而變化，在增加氣速時(shí)，氣泡數(shù)量迅速增加，氧從氣泡相至乳化相的傳遞速率成倍增大，燒焦速率增大。高速湍流床氣速率可達(dá)1.0～2.0 m/s，適合于大堆積密度催化劑。單段再生工藝床層返混嚴(yán)重，燒焦強(qiáng)度受氣體傳質(zhì)控制，難以實(shí)現(xiàn)催化劑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.1%的要求。

CRC—Cool regenerated catalyst cycle technology圖1 單段再生工藝Fig.1 Single stage regeneration process(a) Single stage regeneration process in coaxial FCCU; (b) Single stage regeneration process in parallel FCCU

1.2 兩段再生工藝

兩段再生工藝是指待生催化劑依次在2個(gè)流化床中進(jìn)行燒焦。第一段流化床層的平均碳含量高于再生劑定碳，燒焦強(qiáng)度大。第一段流化床排出的半再生催化劑進(jìn)入平均碳含量低的第二段流化床層，由于氫氣已經(jīng)在第一段流化床中燒盡，第二段流化床層的煙氣中水蒸氣分壓較低，可以允許催化劑在更高的溫度下燒焦再生。

1.2.1 單器兩段再生工藝

根據(jù)再生工藝中主風(fēng)氣體和催化劑物料的接觸方式，單器兩段再生可以分為單器錯(cuò)流兩段再生和單器逆流兩段再生工藝。單器錯(cuò)流兩段再生工藝是在1個(gè)再生器內(nèi)利用垂直弧形擋板把再生器的密相床層分割為2個(gè)床層，并分別通入主風(fēng)氣體進(jìn)行燒焦反應(yīng)，如圖2所示。催化劑的流動(dòng)路線是1個(gè)上行和1個(gè)下行。推薦的操作條件：Ⅰ段密相床層溫度593～691 ℃，Ⅱ段密相床溫度621～718 ℃，煙氣中氧體積分?jǐn)?shù)0.1%～1.0%，床層氣體線速率0.61～1.37 m/s。這種再生器中隔板和器壁的連接方式很關(guān)鍵，焊縫開裂和隔板變形會(huì)造成兩段之間催化劑短路。另外，2個(gè)床層排出的煙氣中氧和CO含量相差很大，兩股煙氣混合后容易引起再生器稀相尾燃。

圖2 單器錯(cuò)流兩段再生工藝Fig.2 Single vessel cross-flow two-stage regeneration process(a) Regeneration process flow; (b) Schematic diagram of regeneration equipment

從燒焦動(dòng)力學(xué)角度分析單器錯(cuò)流兩段再生工藝表明，不論主風(fēng)氣體中氧濃度的高低，都可以與床層中不同碳濃度的催化劑接觸，彼此相差10倍的氧含量和碳含量使局部的燒焦強(qiáng)度相差百倍以上。在動(dòng)力學(xué)速度過高的區(qū)域不可避免地受到氧傳遞速率的影響，無法發(fā)揮應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)。為此開發(fā)了單器逆流兩段再生工藝，如圖3所示。

圖3 單器逆流兩段再生工藝和FCC裝置Fig.3 Single vessel two-stage counter-flow regeneration process and FCC units(a) Regeneration process flow; (b) Schematic diagram of FCCU

在再生器軸向不同高度安裝多層隔板，主風(fēng)氣體和催化劑逆流接觸，高氧含量的氣體只和低碳含量的催化劑相遇，低氧含量的氣體則同高碳含量的催化劑接觸，兩段床層的燒焦動(dòng)力學(xué)速度比較均一，有利于提高再生器總的再生效果。催化劑的流動(dòng)方向只有下行流動(dòng)。另外，這種再生工藝只排出一股煙氣，可以避免單器錯(cuò)流兩段再生工藝產(chǎn)生的兩股煙氣需要分別處理或在混合時(shí)存在的尾燃問題?？傮w來講，單器逆流兩段再生工藝對(duì)單段再生工藝改進(jìn)不大，床層線速低、密度大，燒焦強(qiáng)度仍由傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)控制，而且段間距小，氣體夾帶的顆粒多，存在一定程度的顆粒返混，難以實(shí)現(xiàn)理想的逆流接觸。

1.2.2 雙器兩段再生工藝

雙器兩段再生工藝是結(jié)合渣油催化裂化工藝開發(fā)的，主要目的是給提升管反應(yīng)器提供溫度更高(750 ℃)、碳含量更低(質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.05%)的再生催化劑，給霧化良好的渣油油滴創(chuàng)造迅速氣化的條件，從而減少焦炭產(chǎn)率。雙器兩段再生工藝采用2個(gè)獨(dú)立的再生器，主風(fēng)氣體分別進(jìn)入每個(gè)再生器，流量各自獨(dú)立控制，相互干擾小，易于調(diào)整再生器內(nèi)催化劑的藏量。待生催化劑首先進(jìn)入第一再生器在低溫條件下部分再生，然后進(jìn)入第二再生器在高溫條件下完全再生。由于兩段再生工藝的第一和第二再生器的設(shè)置，或是并聯(lián)或是串聯(lián)，基于催化劑和空氣的流動(dòng)路線變化，存在著氣-固并列、串聯(lián)并流、串聯(lián)逆流3種兩段再生工藝，進(jìn)而導(dǎo)致3種再生工藝的催化劑流動(dòng)路線分別是N型、α型和C型，而氣體流動(dòng)路線分為單路、雙路和多路，且始終是上行。圖4為雙器兩段錯(cuò)流再生工藝，圖4(a)為高低并列式兩段再生工藝，圖4(b)為同軸式兩段再生工藝，半再生催化劑通過空氣提升管進(jìn)入第二再生器，提升介質(zhì)為增壓風(fēng)。催化劑的流動(dòng)路線是1個(gè)下行和2個(gè)上行，呈現(xiàn)N型；主風(fēng)氣體流動(dòng)路線是兩股進(jìn)入，并列上行。由于2個(gè)再生器在不同的壓力和溫度下操作，排出的煙氣中CO和O2含量差別大，兩股煙氣不能直接混合進(jìn)入煙氣輪機(jī)能量回收系統(tǒng)，需要對(duì)兩股煙氣單獨(dú)處理，設(shè)備體積龐大，投資較高，不便于整個(gè)煙氣能量的回收。另外，半再生催化劑進(jìn)入第二再生器要靠增壓風(fēng)輸送，且輸送距離較長，能耗高。

圖4 雙器兩段錯(cuò)流再生工藝Fig.4 Double vessel two-stage cross-flow regeneration process(a) High and low parallel two-stage regeneration process; (b) Coaxial two-stage regeneration process

圖5為雙器三段錯(cuò)流再生工藝。與圖4(b)相比，第二再生器在床型方面采用快速床-湍流床串聯(lián)取代單純的湍流床，并設(shè)置外取熱器。催化劑的流動(dòng)路線是1個(gè)上行和1個(gè)下行，呈現(xiàn)α型；氣體流動(dòng)路線是兩股上行。雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資稍大，但是燒焦效果增強(qiáng)，消除了前者的嚴(yán)重二次燃燒問題，適合進(jìn)行擴(kuò)量改造或生焦量較大的裝置。

圖5 雙器三段錯(cuò)流再生工藝Fig.5 Double vessel three-stage cross-flow regeneration process

圖6為UOP公司開發(fā)的雙器兩段逆流再生工藝。2個(gè)再生器都采用湍流床操作，表觀氣體線速率控制在0.6 m/s左右。待生催化劑從待生斜管流入位于上方的第一再生器的密相床層，利用第二再生器頂部排出的含氧體積分?jǐn)?shù)2.5%～3.0%的煙氣和進(jìn)入第一再生器空氣分布器的補(bǔ)充空氣燒去大部分焦炭；一部分半再生催化劑經(jīng)過外取熱器生產(chǎn)高壓蒸汽后進(jìn)入第二再生器，另一部分半再生催化劑通過循環(huán)立管流入下方的第二再生器，利用新鮮主風(fēng)氣體進(jìn)行完全再生，得到碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.05%的再生催化劑，再生催化劑通過再生立管進(jìn)入提升管底部。第二再生器的燒焦煙氣夾帶少量的再生催化劑通過頂部的煙氣分布板進(jìn)入第一再生器，催化劑的流動(dòng)路線只有下行，是C型；主風(fēng)氣體流動(dòng)路線是單路上行。

圖6 雙器兩段逆流再生工藝Fig.6 Double vessel two-stage counter-flow regeneration process

這種再生工藝的特點(diǎn)是用逆流再生方式把第一段碳含量高的催化劑和第二段氧含量高的空氣優(yōu)化組合，提高了再生效果，降低了再生催化劑碳含量。2個(gè)再生器只排出一股O2含量(體積分?jǐn)?shù)為0～0.05%)極低的煙氣進(jìn)入CO焚燒爐回收熱量，消除了兩股煙氣合流產(chǎn)生的尾燃，而且能量利用效果很好。由于第二再生器內(nèi)不設(shè)置旋風(fēng)分離器，煙氣攜帶的部分再生催化劑進(jìn)入第一再生器的密相床層造成催化劑返混，影響第一再生器密相燒焦強(qiáng)度，因此，第一再生器的氣體線速控制尤為關(guān)鍵。另外，由于待生催化劑首先進(jìn)入第一再生器，導(dǎo)致這種FCC裝置沉降器高度很高，沉降器頂部標(biāo)高一般在70 m左右，投資較大。

1.3 循環(huán)床再生工藝

湍流床中氣泡相和乳化相間的傳質(zhì)阻力對(duì)再生器燒焦強(qiáng)度影響較大。另外，由于湍流床屬于典型的返混床，床層的平均碳含量約等于出口的再生催化劑碳含量，而燒焦反應(yīng)速度與碳含量成正比例關(guān)系，再生程度愈深，燒焦強(qiáng)度就愈低，從而增加了再生器的催化劑藏量和設(shè)備尺寸，成為湍流床再生程度提高的限制因素。如果把線速提高至1.2 m/s以上，而且主風(fēng)氣體和催化劑向上同向流動(dòng)，從床層上部將2種物流導(dǎo)出，這就過渡到流態(tài)化域圖中的快速床區(qū)域。在快速床中，原先存在于乳化相的催化劑顆粒被分散到氣流中，構(gòu)成絮狀物的顆粒團(tuán)變?yōu)榉稚⑾?，主風(fēng)氣體轉(zhuǎn)為連續(xù)相，氣體擴(kuò)散增強(qiáng)，有利于氧的傳遞，反應(yīng)過程基本受燒焦動(dòng)力學(xué)限制，強(qiáng)化了燒焦過程和燒焦強(qiáng)度；但是高速氣體帶走大部分催化劑造成床層藏量無法維持，因此，需要一部分催化劑通過循環(huán)立管返回快速床底部，保證床層中催化劑被氣體帶走的量和進(jìn)入量相等，就構(gòu)成了循環(huán)床再生工藝。

1.3.1 燒焦罐再生工藝

圖7為UOP公司開發(fā)的前置燒焦罐再生工藝，其主要特點(diǎn)為大部分主風(fēng)氣體進(jìn)入燒焦罐，一部分主風(fēng)氣體進(jìn)入第二密相床。待生催化劑和主風(fēng)氣體的流型近似平推流，顆粒返混率低；燒焦罐燒焦量占再生器燒焦總量的90%～95%，其余的燒焦反應(yīng)在稀相管和第二密相床層內(nèi)完成。催化劑的流動(dòng)路線是1個(gè)上行和1個(gè)下行，呈現(xiàn)α型；主風(fēng)氣體流動(dòng)路線是兩路上行。第二密相床屬于低速鼓泡床，僅作為再生器和反應(yīng)器之間催化劑循環(huán)的緩沖容器。第二密相床層內(nèi)只通入少量主風(fēng)氣體當(dāng)做流化風(fēng)，其體積分?jǐn)?shù)約為主風(fēng)量的2%，床層線速率約0.03 m/s，床層密度高達(dá)650 kg/m3。較高的第二密相床密度減少了再生催化劑進(jìn)入提升管反應(yīng)器時(shí)攜帶的煙氣量，適合使用低堆積密度的催化劑；當(dāng)裝置采用高堆積密度的催化劑時(shí)，第二密相床底部和再生立管滑閥前容易出現(xiàn)催化劑堆積，形成填充流。另外，當(dāng)裝置緊急停工或再生器操作退守至悶床狀態(tài)時(shí)，燒焦罐內(nèi)的大部分催化劑會(huì)被轉(zhuǎn)移至第二密相床，當(dāng)?shù)诙芟啻矁?nèi)流化風(fēng)流量或流化風(fēng)壓力低時(shí)，容易出現(xiàn)死床。因此，第二密相床的流化風(fēng)最好選擇增壓風(fēng)。

圖7 前置燒焦罐再生工藝Fig.7 Regeneration process with front combustor

1.3.2 快速床-湍流床串聯(lián)再生工藝

對(duì)于前置燒焦罐高效再生工藝，第二密相床層燒焦效率低，其燒焦強(qiáng)度僅為燒焦罐燒焦強(qiáng)度的40%～50%，降低了再生器綜合燒焦強(qiáng)度。針對(duì)這個(gè)問題，洛陽石化工程公司(LPEC)開發(fā)了快速床-湍流床串聯(lián)再生工藝，如圖8所示。第一再生器和第二再生器床層分別為快速床和湍流床，兩器之間采用大孔分布板隔開，第一再生器的煙氣全部引入第二再生器，密相氣體線速率可以達(dá)到1.5～2 m/s。這種再生工藝類似前置燒焦罐再生工藝，催化劑的流動(dòng)路線是α型。但全部主風(fēng)氣體都進(jìn)入第一再生器，流態(tài)是快速床，可以使其軸向各處的氧分壓高于前置燒焦罐，尤其在其出口處氧分壓的加大，使這個(gè)低碳低氧的動(dòng)力學(xué)速率的瓶頸得到改善，平均燒焦強(qiáng)度得到提高。第二再生器將前置燒焦罐再生工藝的第二密相床從鼓泡床變成快速床的濃相區(qū)，氣相和顆粒團(tuán)間的氣體交換系數(shù)比鼓泡床增大2～3倍。

圖8 快速床-湍流床串聯(lián)再生工藝Fig.8 Fast bed and turbulent bed series regeneration process

由于第二再生器流化采用湍流床，催化劑的流化較好，有利于再生催化劑的循環(huán)與輸送。但是由于第二再生器線速較高，增大了稀相空間催化劑密度和TDH高度，再生器高度增加，設(shè)備投資費(fèi)用升高。這種再生工藝適用于全部是大堆積密度比催化劑的條件。另外，第二再生器密相床層水分壓與常規(guī)再生器相同，但大大高于前置燒焦罐的密相床層，為了防止催化劑熱崩，第二再生器床層溫度受到了一定的限制。

1.3.3 輸送管再生工藝

如果把燒焦罐流化氣速率再提高一倍，達(dá)到3 m/s左右，就進(jìn)入氣力輸送區(qū)域。氣-固兩相呈平推流上行，氣-固接觸效果更好，燒焦速率由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制。圖9為輸送管和燒焦罐串聯(lián)再生工藝。待生催化劑、循環(huán)再生催化劑和外取熱冷催化劑預(yù)先在輸送管內(nèi)混合均勻，與主風(fēng)氣體進(jìn)行再生燒焦反應(yīng)，然后輔助上部的燒焦罐進(jìn)一步燒焦，可實(shí)現(xiàn)催化劑的全部再生。催化劑的流動(dòng)路線與前置燒焦罐再生工藝類似，呈現(xiàn)α型；主風(fēng)氣體流動(dòng)路線為2路上行。

圖9 輸送管和燒焦罐串聯(lián)再生工藝Fig.9 Fast bed series regeneration process

2 再生器與立管的壓力平衡分析

2.1 立管出口排料壓力

再生工藝的再生器床層流態(tài)可以選擇鼓泡床、湍流床、快速床或不同的流態(tài)組合，不僅導(dǎo)致燒焦的效果有差別，而且對(duì)催化劑的輸送過程也有重要影響。兩段再生工藝涉及到催化劑的輸送，既有向上輸送，例如燒焦罐，這是正壓差輸送，需要用高壓主風(fēng)流化和輸送催化劑；也有向下輸送，例如催化劑循環(huán)輸送立管，這是負(fù)壓差輸送，催化劑顆粒借助于自身重力從高處的低壓端流向低處的高壓端。由于存在有負(fù)壓差，這就需要在立管內(nèi)形成一個(gè)一定密度(ρs，kg/m3)和高度(h，m)的催化劑料柱，一方面平衡負(fù)壓差，另一方面形成料封，阻止立管出口的氣體反竄，見圖10(a)。

h—Height； p—Pressure；pi—Pressure at the standpipe inlet；ps, p′s, p″s—Pressure above the slide valve； po—Pressure below the slide valve圖10 再生器與立管壓力平衡Fig.10 Pressure balance between regenerator and standpipe(a) Schematic diagram of regenerator and standpipe; (b) Pressure balance in standpipe

根據(jù)壓力平衡，立管排料條件是出口的壓力(ps，kPa)大于出口的底部壓力(po，kPa)，即:

ps=pi+ρsgh-Δpf-Δpv>po

(1)

式中：Δpf為摩擦阻力壓降，kPa；Δpv為閥門壓降，kPa。

式(1)表明增加料柱的催化劑密度和料柱高度可以有效地提高推動(dòng)力。在實(shí)際的操作過程中，料柱的流態(tài)、密度、高度是隨著負(fù)壓差、松動(dòng)風(fēng)量和催化劑循環(huán)流率等參數(shù)的變化可以在一定范圍內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。另一方面，這個(gè)調(diào)節(jié)是通過滑閥壓降的變化體現(xiàn)的，所以滑閥必須有一定的壓降才可以實(shí)現(xiàn)其調(diào)節(jié)功能，這是立管輸送操作的一個(gè)重要特點(diǎn)。例如負(fù)壓差增大時(shí)，料柱的密度和高度也隨之上升，閥門壓降也增大。但是，立管輸送操作具有一些不利因素：(1)立管入口催化劑的流入和出口催化劑的流出受周圍環(huán)境流態(tài)的影響比較大，易于出現(xiàn)入口阻塞或死區(qū)、出口堵塞等問題；(2)立管的負(fù)壓差輸送過程由于壓縮氣體具有很大的不穩(wěn)定性，表現(xiàn)為下料的波動(dòng)，也是造成立管振動(dòng)的主要原因[6-7]；(3)對(duì)于較長的立管，催化劑易于脫氣，催化劑密度增大形成失流化的填充床流態(tài)，顆粒流動(dòng)阻力大，易于產(chǎn)生顆粒架橋、噎塞；(4)立管通常由垂直部分和傾斜部分構(gòu)成，傾斜部分立管內(nèi)的流態(tài)一般是分層流流態(tài)，蓄壓能力比較差[8]；氣泡容易在垂直管和斜管連接點(diǎn)聚集，形成雨?duì)盍鳎?5)立管底部通常安裝有滑閥用于調(diào)節(jié)顆粒質(zhì)量流率。由于滑閥的節(jié)流作用，滑閥前的催化劑易于堆積，產(chǎn)生波動(dòng)式下料[9-10]；另外閥前后壓力是正壓差分布，所以滑閥后部分的立管已經(jīng)不具有蓄壓能力。上述這些因素直接影響到立管內(nèi)料柱的流態(tài)、密度和高度等，使立管輸送操作的穩(wěn)定性變差，也是產(chǎn)生催化劑輸送不暢的主要原因。

立管的入口有溢流式和淹流式催化劑流入方式。溢流式立管入口安裝有溢流斗，溢流斗頂部與密相床料面平齊，并開有脫氣槽口；淹流式立管入口淹沒在密相床層內(nèi)部，床層催化劑密度較高。無論何種入口，都需要減小催化劑對(duì)氣體的夾帶，或使催化劑進(jìn)入立管后脫出一定的氣體，保證進(jìn)料平穩(wěn)，使立管內(nèi)催化劑密度增加，提高蓄壓，所以立管上端是脫氣段(見圖10(a))。立管出口有懸空式出口，如待生立管出口設(shè)置在再生器的稀相空間，通過分配器分布催化劑；另一種立管出口是淹沒式出口，這種立管出口設(shè)置在再生器密相床層的底部，主要是外循環(huán)的立管，或高低并列式裝置的待生立管出口。一般再生器底部也是催化劑上行的開始區(qū)域(見圖10(a))。由于催化劑上行的動(dòng)力來源于高壓流化風(fēng)，所以立管與再生器的結(jié)合部位也是立管下行催化劑顆粒流與上行氣流的交匯區(qū)域，兩者產(chǎn)生沖撞造成立管下料的波動(dòng)。立管出口的環(huán)境壓力po主要由再生器氣體分布器噴嘴的出口壓力決定，與再生器內(nèi)的流化速度和流態(tài)有關(guān)。相比鼓泡床和湍流床，快速床有較高的流化速度，壓力也最大，立管排料需要更大的推動(dòng)力。此時(shí)，若立管內(nèi)沒有建立起有效的密相料柱，立管蓄壓比較小，則出口壓力ps降低，見圖10(b)中虛線曲線部分pip″s，立管的出口壓力p″s=po；料封封氣作用消失，滑閥壓降比較小，來自分布器的流化風(fēng)易于竄入立管，不僅影響到立管的排料，而且上竄氣體也直接影響到立管入口的進(jìn)料和壓力分布。另一種情況是，立管中催化劑脫氣嚴(yán)重，形成填充床流態(tài)，阻力壓降Δpf增大，壓力分布出現(xiàn)折轉(zhuǎn)，立管的出口壓力p′s遠(yuǎn)小于po，見圖10(b)中曲線pip′s，壓力分布由負(fù)壓差變成正壓差，導(dǎo)致立管的催化劑輸送能力下降，滑閥的壓降比較小，調(diào)節(jié)作用失效。圖10(b)中曲線pips是設(shè)計(jì)的壓力分布曲線，有良好的蓄壓能力和密相流態(tài)，滑閥壓降比較大。

2.2 并列式兩段再生工藝

圖11為并列式兩段再生工藝。催化劑在第一再生器內(nèi)完成部分再生后經(jīng)半再生立管和空氣提升管輸送至第二再生器進(jìn)行完全再生，然后通過再生立管輸送至提升管底部。催化劑的流動(dòng)路線是個(gè)N字形，2個(gè)下行程和1個(gè)上行程；空氣的流動(dòng)路線為多股上流，見圖11(a)。在催化劑流動(dòng)路線上，相對(duì)單段再生，催化劑輸送多1下行程和1個(gè)上行程，不僅增加了能量消耗，而且也使操作難度增加。尤其是再生斜管和半再生立管的輸送距離比較長，主要是依靠立管內(nèi)一定密度和高度的催化劑料柱形成的推動(dòng)力進(jìn)行的，易于產(chǎn)生輸送不暢問題。以第二再生器為例，壓力平衡曲線如圖11(b)所示。再生立管排料的條件是出口壓力ps大于提升管的底部壓力po。當(dāng)脫氣罐脫氣不好時(shí)，再生斜管內(nèi)的料柱含氣量比較多，催化劑密度低，依據(jù)式(1)造成立管蓄壓能力不足，出現(xiàn)下料不暢問題。但當(dāng)立管脫氣比較嚴(yán)重時(shí)，料柱的催化劑密度增高，顆粒流動(dòng)阻力增大，易于失流化架橋，也會(huì)導(dǎo)致下料不暢的問題，壓力分布出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，這時(shí)需要設(shè)置合理的松動(dòng)風(fēng)點(diǎn)和松動(dòng)風(fēng)量，調(diào)整催化劑的流態(tài)[11]。

h—Height； p—Pressure； pi—Pressure at the standpipe inlet； ps—Pressure above the slide valve； po—Pressure below the slide valve圖11 并列式兩段再生工藝壓力平衡Fig.11 Pressure balance of parallel two-stage regeneration process(a) High and low parallel two-stage regeneration process; (b) Pressure balance in the standpipe

某2.0 Mt/a重油催化裂化裝置半再生立管松動(dòng)點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理，催化劑密度在120～660 kg/m3之間波動(dòng)。通過改造松動(dòng)點(diǎn)和松動(dòng)風(fēng)量調(diào)整，使半再生立管內(nèi)催化劑密度維持在340 kg/m3，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)操作[12]。此外，通過改變?cè)偕⒐芘c提升管的Y型連接結(jié)構(gòu)，采用預(yù)提升器可以減小立管的出口阻力，提高立管輸送催化劑的能力[13]。

2.3 串聯(lián)式并流兩段再生工藝

串聯(lián)式并流兩段再生是2個(gè)再生器同軸布置，催化劑和主風(fēng)氣體并流上行，如圖12所示。圖12(a)為前置燒焦罐的串聯(lián)式并流兩段再生工藝。由于燒焦罐氣速高，催化劑燒焦強(qiáng)度高、再生劑碳含量低，降低了床層徑向溫差，但也帶來了煙氣尾燃、催化劑跑損及催化劑循環(huán)不暢等問題。催化劑的流動(dòng)路線是2個(gè)下行和1個(gè)上行，呈現(xiàn)α形；空氣的流動(dòng)路線為單股上流。相對(duì)并列式兩段再生工藝，多了1個(gè)外循環(huán)立管，外循環(huán)立管內(nèi)催化劑的循環(huán)可用于調(diào)節(jié)燒焦罐內(nèi)的催化劑藏量和溫度。這種再生器結(jié)構(gòu)的待生立管出口位置比較低，再生立管的入口位置比較高，催化劑的輸送距離較長。

h—Height； p—Pressure； pi—Pressure at the standpipe inlet； ps1, ps2—Pressure above the slide valve； po—Pressure below the slide valve圖12 前置燒焦罐兩段再生工藝壓力平衡Fig.12 Pressure balance of two-stage regeneration process with front combustor(a) Regenerator with the front combustor; (b) Pressure balance in the regenerator

串聯(lián)式并流兩段再生工藝的壓力平衡見圖12(b)。待生立管內(nèi)的催化劑密度(500～550 kg/m3)和外循環(huán)立管內(nèi)的催化劑密度(350～450 kg/m3)均高于燒焦罐內(nèi)的催化劑密度(150～250 kg/m3)，所以壓力曲線斜率較大。來自待生立管和外循環(huán)立管的催化劑同時(shí)進(jìn)入燒焦罐底部，這就要求出口的壓力ps1和ps2大于燒焦罐底部的壓力po。相比于待生立管，外循環(huán)立管入口壓力和入口高度低，出口區(qū)域流化風(fēng)速高，形成的負(fù)壓差比較大，操作難度增大。第二密相床床層操作影響因素較多，不僅有旋風(fēng)分離器料腿收集催化劑的流入，而且有外循環(huán)立管、取熱器、再生立管的催化劑流出，催化劑流入與流出之間相互干擾。改善第二密相床的流化狀態(tài)和藏量對(duì)外循環(huán)立管接收流入的催化劑和排出流出的催化劑均是有利的[14-16]。例如，某1.0 Mt/a重油催化裂化裝置再生器采用燒焦罐兩段完全再生工藝，在第二密相床內(nèi)通過降低再生斜管入口區(qū)域的流化風(fēng)量減少氣體的夾帶，改造入口溢流斗結(jié)構(gòu)增加溢流面積，增加再生立管松動(dòng)點(diǎn)數(shù)量等，有效解決了再生立管催化劑輸送的問題，提升管反應(yīng)區(qū)的溫度波動(dòng)由改造前的最大±15 ℃降低至±2 ℃[17]。美國Sell公司開發(fā)的提高催化劑循環(huán)速率技術(shù)(Catalyst circulation enhancement technology,CCET)，立管入口采用錐形料斗結(jié)構(gòu)，同時(shí)在錐體上開槽口，增加催化劑進(jìn)入的面積和氣泡脫出的空間，應(yīng)用結(jié)果表明催化劑循環(huán)速率可提高50%[18]。

2.4 串聯(lián)式逆流兩段再生工藝

圖13為串聯(lián)式逆流兩段再生工藝。待生催化劑首先進(jìn)入第一再生器進(jìn)行部分再生，半再生催化劑通過半再生立管向下流入第二再生器進(jìn)行完全再生，然后通過再生立管進(jìn)入提升管反應(yīng)器(見圖13(a))。催化劑的流動(dòng)路線是個(gè)C字形，沒有上行程。氣體的流動(dòng)路線是單股氣體逆催化劑的流動(dòng)路線一直上行，不存在氣體攜帶催化劑的流動(dòng)。氣體和催化劑流動(dòng)的行程沒有重復(fù)路線，所以消耗的能量較小，燒焦耗風(fēng)量少、煙道結(jié)構(gòu)簡單。相比串聯(lián)式并流兩段再生工藝，催化劑的進(jìn)、出口標(biāo)高位置發(fā)生了較大的變化，再生催化劑出口下降至第二再生器底部，待生催化劑出口上升至第一再生器；待生立管和再生立管的長度減小，同時(shí)，也縮短了催化劑的輸送距離，但是沉降器的高度升高。

h—Height； p—Pressure； pi—Pressure at the standpipe inlet； ps—Pressure above the slide valve； po—Pressure below the slide valve圖13 再生器與半再生立管壓力平衡Fig.13 Pressure balance between regenerator and semi-regenerative standpipe(a) Semi-regenerative standpipe and the regenerator; (b) Pressure balance in the regenerator

串聯(lián)式逆流兩段再生工藝的催化劑循環(huán)的壓力分布見圖13(b)。待生催化劑通過待生立管流入第一再生器，以及通過半再生立管流入第二再生器底部都是順重力負(fù)壓差流動(dòng)。第二再生器和半再生立管構(gòu)成了一個(gè)壓力循環(huán)回路，上行部分是氣體路線，下行部分是催化劑路線。半再生立管的排料條件依據(jù)式(1)有：

ps-pi=ρsgh-Δpv>po-pi

(2)

由于一般閥門壓降Δpv為30～70 kPa，因此影響半再生立管排料條件的主要因素是料柱的催化劑密度ρs和料柱高度h。這就要求半再生立管的入口通暢進(jìn)料，出口良好鎖氣排料。

第一再生器下部的密相床是半再生立管的入口區(qū)域，也是第二再生器上升氣體通過分布板的進(jìn)入?yún)^(qū)域，又是多種來料的匯集區(qū)域，又有環(huán)形氣體分布器布?xì)?，相互影響比較大。半再生立管的入口維持適宜的催化劑密度，可以減少氣體的夾帶。通過對(duì)入口加裝料斗可抑制流化風(fēng)的進(jìn)入，降低半再生立管松動(dòng)風(fēng)量可增加內(nèi)催化劑的密度，這些均有助于提高半再生立管的推動(dòng)力，提高進(jìn)料能力，增加催化劑輸送能力[19-20]。

第二再生器下部密相床是半再生立管的出口區(qū)域，主風(fēng)氣體對(duì)半再生立管的負(fù)壓差有較大的影響。例如第二再生器的主風(fēng)壓力po增大，半再生立管的負(fù)壓差增大，甚至ps-pi

某2.8 Mt/a催化裂化裝置再生器采用重疊式兩段再生。當(dāng)裝置處于高加工負(fù)荷和大主風(fēng)量操作時(shí)，半再生立管內(nèi)催化劑密度由450 kg/m3降低到220 kg/m3，靜壓推動(dòng)力由正常的35 kPa降至15 kPa以下，突出表現(xiàn)為半再生立管下料不暢，第二再生器的藏量減小。其原因是半再生立管負(fù)壓差增大，導(dǎo)致主風(fēng)從半再生立管出口反竄，底部不能建立起密相料柱，同時(shí)也造成入口進(jìn)料不暢。通過降低裝置負(fù)荷至設(shè)計(jì)值，調(diào)配第一再生器、第二再生器的主風(fēng)量，控制好兩器壓力，將半再生立管的松動(dòng)點(diǎn)數(shù)量由36個(gè)減少到12個(gè)，并對(duì)松動(dòng)風(fēng)量進(jìn)行了調(diào)整，達(dá)到降低半再生立管負(fù)壓差的目的，解決了上述故障[22]。

3 結(jié) 論

催化裂化再生工藝的催化劑流化和輸送操作是實(shí)施再生過程的前提條件，直接影響到催化劑的再生效果以及裝置的平穩(wěn)操作。通過分析不同再生工藝中氣、固兩相的流動(dòng)特點(diǎn)和壓力平衡，得出以下結(jié)論：

(1)與單段再生工藝相比，兩段再生工藝具有更好的燒焦效果，操作靈活，但床層流態(tài)復(fù)雜，催化劑的流化和輸送影響因素增多。

(2)目前常用的兩段再生工藝主要有并列、串聯(lián)并流、串聯(lián)逆流3種，催化劑流化流動(dòng)路線形式分別是N型、α型和C型；氣體流動(dòng)路線形式有單路、兩路和多路，但始終是上行的。

(3)造成立管輸送不暢的主要原因是負(fù)壓差過大，入口進(jìn)料阻塞，出口排料堵塞，催化劑下行流動(dòng)架橋等。通過改進(jìn)立管入口和出口的結(jié)構(gòu)形式，調(diào)整不同再生器間主風(fēng)氣體流量分配，合理設(shè)置松動(dòng)風(fēng)等改造措施，可有效改進(jìn)立管內(nèi)料柱的流態(tài)，保障催化劑輸送過程穩(wěn)定。

(4)對(duì)于FCC裝置再生工藝的設(shè)計(jì)，在保證燒焦效果的同時(shí)，應(yīng)注意對(duì)床層流態(tài)和立管結(jié)構(gòu)的選擇。在上述3類兩段再生工藝中，串聯(lián)逆流兩段再生工藝具有更好的催化劑流動(dòng)和輸送效果。