王峰 戰(zhàn)友亮 鄧魯寧 王佳寧 趙娜

（1.中國石油大港石化公司第三聯(lián)合車間；2.中國石油大港油田公司井下作業(yè)公司；3.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務分公司；4.中國石油北京項目管理公司天津設(shè)計院）

催化裂化是煉油工業(yè)中最重要的一種二次加工工藝，是重油輕質(zhì)化和改質(zhì)的重要手段之一。該工藝可提高優(yōu)質(zhì)的汽油和低碳烯烴的產(chǎn)出率，在減油增化中起著舉足輕重的作用。催化裂化按照再生工藝特點分為完全再生和不完全再生兩種工藝。其中，完全再生工藝可提升催化劑活性， 降低催化劑單耗[1]。同時由于環(huán)保要求的日益嚴格，揮發(fā)性有機物在完全再生工藝中充分燃燒，增加煙氣脫硝措施后，可大幅降低再生煙氣中污染物，實現(xiàn)達標排放[2]。

中國石油大港石化公司140×104t/a 催化裂化裝置由中國石化工程建設(shè)有限公司（原中國石化集團北京設(shè)計院）設(shè)計，1996 年10 月建成投產(chǎn)，采用反應再生高低并列、兩段再生工藝，后部設(shè)高溫取熱爐。主要加工大港原油的減壓蠟油、常壓渣油和焦化蠟油，裝置投產(chǎn)至今已進行過多次技術(shù)改造，目前加工規(guī)模為140×104t/a。

140×104t/a 催化裂化裝置反應系統(tǒng)在2000 年進行了改造，沉降器提升管出口快分采用UOP 公司“VSS+單級旋分”型式。2017 年，對裝置進行了高溫取熱爐安全隱患治理，增加了前置爐，高爐取熱能力提升，爆管風險解除。改造后，煙氣中CO 含量雖大幅降低，但混合煙氣中仍有近2%（體積分數(shù)，下同）的CO 未能燃燒，有著進一步降低的空間。實現(xiàn)CO 的完全燃燒，需要解決的主要問題是提高系統(tǒng)過剩氧，增加裝置主風量，要全面考慮裝置尤其是第二再生器的負荷。為此，委托中國石化工程建設(shè)有限公司進行可行性研究，結(jié)合其他同類型裝置改造經(jīng)驗，確定了通過第二再生器擴容，實現(xiàn)完全再生的技術(shù)改造方案。2021 年4 月裝置大修期間，實施了第二再生器擴容改造。主要目的是將第二再生器的主風流量由原來30 000 Nm3/h 提高到41 000 Nm3/h，氧含量控制在2%~4%， CO 實現(xiàn)完全燃燒，最終由不完全再生裝置改造成為完全再生裝置。根據(jù)計劃，同時對裝置進行了MIP-CGP 技術(shù)改造[3]。

1 改造前試驗

為確保改造成功，在裝置停工前進行了工業(yè)試驗。試驗的主要目的有三個：

第一是現(xiàn)有條件下是否能實現(xiàn)完全再生，通過化驗分析外排煙氣組分的變化情況，檢查能否燒凈催化煙氣中的CO。

第二是使設(shè)計工況符合第二再生器操作條件。

第三是考察在設(shè)計燒焦用風總量下，軸流風機、增壓機的運行情況，其負荷及相關(guān)參數(shù)能否滿足后續(xù)的改造要求。

整個第二再生器改造試驗方案的原則是保證在試驗過程中裝置波動最小，不影響正常生產(chǎn)。

試驗過程為：通過提高第二再生器風量，降低第一再生器風量，同時在高溫取熱爐入口補充一部分主風量，燒凈混合煙氣中的CO。在試驗過程中，適度降低裝置加工量，保證第二再生器二級旋風分離器線速不超過26 m/s，第三級旋風分離器線速不超過32 m/s，高溫取熱爐入口溫度不超過1 050 ℃，同時兼顧軸流風機、增壓機的工況。試驗時長控制在8 h 之內(nèi)，試驗期間進行了相關(guān)數(shù)據(jù)采集和采樣化驗分析。試驗工況主要參數(shù)見表1。

表1 試驗工況主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of test conditions

通過工業(yè)試驗，調(diào)整優(yōu)化各相關(guān)參數(shù)，當混合煙氣中的過剩氧含量提高到1.4%時，CO 含量為0，初步實現(xiàn)了預期目的。通過降低第一再生器的風量，調(diào)整高溫取熱爐補燃風量，合理配比風量，可提高第二再生器風量至41 000 Nm3/h，軸流風機的工況能夠滿足要求，增壓機在風量38 000 Nm3/h、壓力0.42 MPa 工況下運行平穩(wěn)，增壓機電動機電流仍小于額定電流（91.4 A）。在改造設(shè)計工況下，關(guān)鍵操作指標密相、稀相、旋風分離器線速等在高質(zhì)量運行范圍之內(nèi)，催化劑循化流化、兩器壓力平衡正常。同時高溫取熱爐入口溫度實現(xiàn)1 000 ℃左右靈敏控制，調(diào)節(jié)更為平穩(wěn)。即第二再生器進行擴容改造后，可以實現(xiàn)混合煙氣的完全燃燒，回收CO全部化學能，最終達到降低整個催化裂化裝置能耗的目的[4]。

2 擴容改造

2.1 改造內(nèi)容

針對目前140×104t/a 催化裂化裝置運行中外排煙氣CO 不能完全燃燒的問題，2021 年4 月，在裝置大修期間進行了技術(shù)改造，主要改造內(nèi)容如下：

1）第二再生器（C-2103）整體更換；第二再生器裙座直徑?4 480 mm 不變（利用原基礎(chǔ)框架），將原設(shè)計的?6 400 mm/?4 480 mm×10 254 mm（T/T） 更換為?6 640 mm/?5 800 mm/?4 480 mm ×24 000 mm（T/T）；裙座直徑由?4 480 mm 經(jīng)過渡段增加至?5 800 mm ， 稀相直徑由?6 400 mm改為?6 640 mm ，稀相沉降高度增加。由于擴徑和增加高度，第二再生器重量增加，為減輕第二再生器重量，降低原基礎(chǔ)承重。將現(xiàn)有第二再生器3 組兩級外旋改為3 組兩級BY 型內(nèi)旋，設(shè)置內(nèi)集氣室；在更換第二再生器的同時，取消了第二再生器的溢流斗，還將再生劑冷卻器拆除，改造為再生劑脫氣罐。

2）第一再生器、第二再生器煙氣混合燃燒煙道因第二再生器整體更換，更換第二再生器出口煙道（?1 240 mm /?1 000 mm），更換原曲管壓力平衡膨脹節(jié)。

3） 第二再生器上連接的管道及儀表一次閥、設(shè)備平臺需要重新規(guī)劃設(shè)計。原再生器冷卻器抬高，相關(guān)平臺需要調(diào)整，管道及儀表一次閥要重新鋪設(shè)。

4）儀表控制回路及指示回路不變，設(shè)備及相關(guān)工藝管線上現(xiàn)場儀表利舊，設(shè)備上溫度元件（熱電偶等）更換，增加及更換現(xiàn)場儀表安裝材料。

5）利用原反應再生構(gòu)架，并對第二再生器構(gòu)架進行局部改造。

6） 第二再生器改造后，由于燒焦強度提高，外排煙氣中NOx 濃度約為400 mg/Nm3，不能滿足目前小于或等于100 mg/Nm3的國家排放標準要求，因此要配合新增煙氣脫硝設(shè)施[5]，煙氣脫硝適合采用選擇性催化還原法（SCR）[6]。

2.2 改造過程

再生器分段施工。為了加快施工進度，保證施工任務按時完成，裝置停產(chǎn)前完成新第二再生器分段預制工作，達到吊裝條件[7]。根據(jù)現(xiàn)場吊裝環(huán)境及吊車吊裝作業(yè)能力，新第二再生器分兩段預制組對吊裝。第二再生器上段吊裝前應將封頭、3 組旋風分離器、筒節(jié)組對焊接完成，襯里（下端口預留1 000 mm）、平臺及勞動保護設(shè)施安裝完成；第二再生器下段吊裝前應將主風分布環(huán)、分配器、筒節(jié)組對焊接完成，襯里（上端口預留1 400 mm）、平臺及勞動保護設(shè)施安裝完成，料腿、翼閥放置筒體內(nèi)部固定好[8]。根據(jù)現(xiàn)場安裝方案，把第二再生器殼體分三大段預制，第二再生器三段安裝示意圖見圖1，第二再生器分段情況見表2。

圖1 第二再生器三段安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of the third section of the second regenerator

表2 第二再生器分段情況Tab.2 Sectioning of the second regenerator

3 改造效果

3.1 再生器運行情況

改造后，進行了旋分線速計算與空白標定對比分析，再生器各級旋分線速對比見表3?？梢钥闯?，改造后各級旋分線速均有下降。主要原因是第二再生器擴容改造后，提高了第二再生器燒焦比例，第一再生器風量降低、第二再生器主風流量增加，導致第一再生器旋分線速降低；第二再生器雖然風量增加，但第二再生器加高加大，旋分重新設(shè)計更換，旋分線速沒有增加且有所降低。由于各級旋分線速均有下降，說明改造后裝置操作彈性增大，可靠性提高，有利于裝置的長周期運行[9]。

表3 再生器各級旋分線速對比Tab.3 Comparison of spinning line speed of regenerator at each stagem/s

3.2 改造后煙氣中CO 含量分析

改造前后第一再生器煙氣、第二再生器煙氣及混合煙氣對比見表4。改造后第一再生器煙氣CO 含量下降1.63%，第二再生器氧含量增加2.52%，混合煙氣中CO 含量為0。在富氧條件下，CH4及非CH4總烴充分燃燒，外排煙氣中VOCs 接近0，體現(xiàn)了完全再生在外排煙氣達標方面的優(yōu)勢。但是完全再生過程中，生成的NOx 增加，配合第二再生器擴容改造，在過熱器中增加了脫硝段，標定時脫硝效果良好，外排煙氣中NOx控制在80 mg/Nm3的減排指標以下[10-11]。

表4 改造前后第一再生器煙氣、第二再生器煙氣及混合煙氣對比Tab.4 Comparison of the first regenerator flue gas，the second regenerator flue gas and mix flue gas before and after reconstruction

3.3 裝置運行情況

第二再生器改造后，由于再生溫度、反應溫度、再生煙氣溫度平穩(wěn)，高溫取熱爐入口溫度可穩(wěn)定控制在1 000 ℃以內(nèi)，高溫取熱爐的爐管風險降低，安全性大幅提高。再生劑冷卻器取消改為脫氣罐，提高了油氣與再生劑催化劑混合溫度，改善了產(chǎn)品分布，提高了液化氣收率。改造前第二再生器密相床層徑向溫差最大約10 ℃，由于第二再生器擴容改造時對密相床層增加了分布格柵，使床層流化更加均勻穩(wěn)定，第二再生器密相床層徑向溫差小于1 ℃，流化質(zhì)量進一步提高。隨著第二再生器擴容改造后，第二再生器燒焦比例由22.9%增加至25.5%，裝置已從不完全再生工藝轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆偕に嘯12-16]。

3.4 裝置綜合能耗

140×104t/a 催化裂化裝置第二再生器擴容改造后，煙氣實現(xiàn)了完全燃燒，CO 化學能充分回收。通過標定數(shù)據(jù)對比，改造后裝置總能耗降低7.86 kJ/kg，但是由于耗風量增加，煙氣總量增加，三旋雙動的開度增加；同時過熱器增加脫硝段，煙機出口背壓增加約3.34 kPa，均使得煙機做功減少，軸流風機耗電增加，裝置電耗增加6.23 kJ/kg。

4 結(jié)論

1）140×104t/a 催化裂化裝置第二再生器的擴容改造效果明顯，第二再生器燒焦比例提高，外排煙氣中CO 含量和VOCs 降為0，煙氣實現(xiàn)了完全燃燒，熱量可充分回收，裝置能耗降低。

2）第二再生器擴容改造后，催化劑床層流化均勻穩(wěn)定，密相床徑向溫差減小，流化質(zhì)量明顯提升；高溫取熱爐入口溫度操作平穩(wěn)，安全性提高。

3） 此次改造的成功，保留了兩段再生工藝，具有降低催化劑水熱失活的優(yōu)點，還為不完全再生裝置改造成完全再生裝置提供了可借鑒經(jīng)驗。