催化裂化设备技术新进展及改造实例经济性分析课件

1、催化裂化设备技术新进展及改造实例经济性分析 中国石油兰州润滑油研究开发中心 二00七年十月一、前 言 近年来，国内外FCC装置为降低重油催化裂化生焦、改善产品分布、降低FCC装置烟气排放、延长装置开工周期等方面的问题，围绕着催化裂化设备进行了大量研究，开发了许多新技术。对催化裂化装置进料雾化喷嘴、提升管出口快分、高效汽提器、三级旋风分离器等进行了不断改进。此外，在进料乳化、干气预提升、终止剂和混合温度控制等方面也开发了许多新技术。二、主要设备新技术由于重油催化裂化原料中掺入较多的减压渣油，或直接用常压重油作原料，致使进料馏分重、粘度大、反应过程中难以裂化且容易生焦。选择性能优秀的进料雾化喷嘴可

2、以提高轻油收率，降低焦炭产率，改善产品分布，减缓设备结焦，延长装置运转周期。当炼厂对FCC装置进行设备技术升级时，通常也从进料分配系统入手，而且其资本投入较低。喷嘴国外：多年来一直在不断改进。其他一些类型的喷嘴也在不断开发出来，有专利报道“提升筒”新型喷嘴插入安装在提升管下部；带扩张管分布催化剂的进料系统，高温催化剂流入提升管后分成2股与进料混合。均应用。国内：初期多使用Stone&Webster（Shaw）的靶式喷嘴，此后在此基础上开发了许多自主技术的新型喷嘴。这些喷嘴经过不断改进，已在国内催化裂化装置上大量使用。而且由于国内催化裂化特点，国内喷嘴的掺渣比例较国外喷嘴要高，其中BWJ型喷嘴掺

3、渣比已经可以达到36%以上。LummusKelloggUOPPetrobasS&W中石化工程建设公司中科院力学所LPEC石油大学MicroJetAtomaxOPtimixUltramistBXBWJKHLPCUPC-1995，广泛应用1992，广泛应用1994，80多套19982003推最新构型1997，30多套70多套90多套1999年提升管出口快分UOPS&W（Shaw）Mobil石油大学VDS&VSSRamshorn闭式直联旋分 FSC、VQS、CSC1992年，近40套10多套80年代后期近20套较有代表性的是近年来UOP和石油大学开发的快分技术。UOP公司1992年开发的Vortex

4、分离技术（具有预汽提功能）分离效率达98%以上，油气返混程度控制在2%以下。根据不同装置型式该技术又可分为VDS（用于外提升管）和VSS（用于内提升管）设计，设施比较紧凑。但这种快速分离系统存在操作弹性小的弊端，同时VDS系统进料掺渣比不大，大部分重质原料经过加氢处理。石油大学20世纪90年代末开发了3种能够同时实现气固快速分离、油气快速引出及分离催化剂的快速预汽提技术：提升管出口挡板汽提式粗旋（FSC）、旋流式快分系统（VQS）和密相环流汽提粗旋系统（CSC），主要特点是解决了油气向下返混的问题，提高了分离效率。值得一提的是，应用FSC系统可提高掺渣比（35.9%），同时在一定程度上解决了沉

5、降器结焦问题。总的来说，提升管末端快分技术在一定程度上增大了设备的复杂性，给设备的设计和操作都增加了难度。理论上虽然简单易行，但实际应用过程中并不一定就一帆风顺，所以提升管出口快分技术的研制还在继续。高效汽提器KBR/ExxonMobilUOPLPEC石油大学DynaFluxAF（塔板、格栅、填料）格栅气固密相环流1997年1998正在工业化研究阶段近年来，随着重油加工技术的发展，为保证催化裂化装置的长周期运行，催化裂化汽提技术不断进步。新颖的专利构思是用规整填料或类似格栅的内构件取代以往的环形挡板，类似填料的网格构件可将床层均分成多个小流动单元，气固在每个单元内进行交换，各单元之间气固返混较

6、小，这种床层比普通流化床流化的更均匀，相当于将原来的环行挡板微分化，提高了气固传质效率，是今后FCC汽提技术发展方向之一。这种填料型汽提器已初步工业化，显示了优越性，汽提时间可缩短为原来的三分之一，汽提效果却明显增加。目前有许多公司正在进行填料型内构件的研究以取代环形挡板技术。 UOP根据其“圆型”（用于全截面挡板、格栅和规整填料）流体力学模型，对其汽提器技术改进，2002年开发了AF格栅结构汽提器后（已有5套应用），又开发了AF填料型汽提器，目前正在工程设计中。Petrobras对传统、挡板和规整填料（由Koch-Glitsch提供）3种汽提器内构件进行考察。显示，规整填料内构件可使转化率提

7、高3%，再生器温度降低10。Petrobras计划在其第一套100%常压渣油PACRCFCC装置和一套常规减压瓦斯油FCC装置上应用规整填料汽提器。Shell填料型汽提塔的内构件为水平构造层填料，可以显著提高汽提能力和催化剂停留时间。已在Shell的2套装置上应用，但催化剂循环制约问题没有解决，在停工检修期间，发现有焦炭和催化剂粉末堵塞填料现象，因此仍在研究中。三、提高装置处理量技术催化裂化已经有60余年的历史，期间技术在不断发展，其中如何使老装置提高处理量是广大炼油商极为关注的焦点。为此，各大石油公司也开发了相应的技术，在解决装置瓶颈问题的同时提高了装置的技术水平。近年来较为瞩目的新技术；S

8、hell公司的强化流化技术、Koch-Glitsch公司的填料型主分馏塔技术、填料型汽提段技术（Total、Koch-Glitsch、Petrobras、UOP、Shell等公司均有研究）等 。Shell强化流化技术（CCET）催化裂化装置通过改造提高处理量或转化率时，往往受到催化剂循环量的限制。提高催化剂循环量一般要更换催化剂转移线和滑阀，费用很高，此外还有空间限制等因素。炼油商为此在这方面进行了大量的工作，Shell90公司开发了一种无需承担更换转移线或滑阀的高费用，并大大提高催化剂循环量的专利技术催化剂循环量提高技术（CCET）。CCET技术对催化剂的抽出口进行改造，通过设置构件，达到降

9、低催化剂在抽出口附近的线速的目的，减少催化剂对气体的夹带，从而提高催化剂的蓄压，强化催化剂的循环。通过在175325万t/a能力的4套装置应用，可提高催化剂循环量20%50%。催化裂化扩能时有时会遇到主分馏塔的瓶颈，另外由于汽油新规格的要求，要对汽油进行切割，分成不同沸点范围的23个汽油馏分进行进一步处理。因此要求分馏塔提高分离效率、降低分馏塔压降，同时增加侧线抽出产品。Koch-Glitsch公司开发的一项新技术通过将分馏塔结构改造为填料型分馏塔后，可从主分馏塔抽出中汽油组分，同时提高60%分离效率，大幅度降低了分馏塔压降。Koch-Glitsch公司的这种Intalox规整填料采用强化的表

10、面处理，每层填料为正、反交替的褶角，有助于改善液体分布和表面湿润。填料型催化主分馏塔 四、FCC装置烟气排放控制技术催化裂化技术的快速发展引起人们对其有害物质排放的重视，催化裂化装置再生器的排放烟气含有较高的颗粒物、SOx和NOx。通常，控制FCC的烟气排放，“硬件”方案效果明显，如选用湿洗系统就可以将SOx和颗粒物除去，再辅以SCR或LoTOx可脱去NOx，脱除效率高，不再需要其他设备，一方面满足环保要求，另一方面可简化下游产品生产的前期工作。但由于“硬件”方案投资高，操作要求复杂，许多炼油商选择其他方案代替硬件投资，应用最多的是脱除NOx和SOx助剂技术，可以在很大程度上降低FCC烟气排放

11、。但助剂技术总体工业应用情况好坏兼有，因为原料的改变、再生情况等都会影响到助剂的脱除效果。此外，应用助剂技术脱除NOx和SOx时，还要考虑安装脱除颗粒物设备。 脱烟气颗粒物排放 KBR/ExxonMobilUOPShell石油大学Cyclofins轴向TSSTSS/FSSPIM卧管三旋1997年2002年2004年20多套除去4m 颗粒除去 4m 颗粒除去 2m 颗粒除去 8m 颗粒为降低再生烟气的颗粒物排放，配有烟机的FCC装置一般会使用三级分离（TSS）设备来清除再生器旋风分离器跑出来的催化剂细粉，保护烟机涡轮免受腐蚀。近年来，许多公司对其原有TSS技术进行改进，以期更好地控制烟气中颗粒物

12、地排放，来满足日益严格的环保法规。如KBR的切向和轴向CyclofinsTM、UOP的轴向TSS、Shell的TSS/FSS系统均是近年来推出的新技术。脱SOx技术国内：只进行过一些基础研究和概念设计。国外：美国环保局认可最为可行技术。国外通常应用洗涤法辅以静电除尘设备，完全脱除SOx和颗粒物。在国外已非常成熟，将继续成为SOx排放控制技术的选择。研发机构/工艺名称工业化装置技术特点碱洗工艺Exxon公司WGS技术1974年工业化，已有14套效率达到90%99%Belco公司EDV技术80年代工业化，已有25套颗粒物脱除率90%以上，SO2效率达到99%Monsanto公司DynaWave技术

13、1985年工业化，已有几套急冷脱SO2和颗粒物，SO2效率99%以上Eni公司LabSorb技术2003年工业化，已有2套非碱洗工艺Cansolv公司CansolvSOx技术2002年工业化，用于FCC装置正在早期设计阶段可降烟气中SOx至20g/g以下Flour公司FlourSOx技术用于FCC装置还在早期设计阶段可脱除烟气SOx90%99%脱NOx技术国外：研究虽然始于20世纪70年代，但目前仍处于研究完善阶段，每项技术均有局限性。工艺名称专利商技术特点工业化应用SNCR-高温16001900F（高于FCC再生温度13001400）无催化剂条件下，氨注射在CO锅炉上游。NOx脱除率40%6

14、0%目前正在改进以期在较低温度下操作SCRHaldor Topsoe用氨和催化剂脱除NOx，常用V2O5/TiO2，也可用Pt或Pb贵金属或分子筛催化剂。NOx脱除率40%90%有20多套装置应用，4套在美国，大部分在日本2004年Shell德克萨斯FCC装置应用，脱NOx20g/g以下LoTOxBelco/BOC在低温下把臭氧注入烟气中，把不溶的NOx转化为易溶的氧化产物。BOC专利技术，由Belco进行转让NOx脱除率90%2003年MAP德克萨斯炼厂350万t/aFCC装置上应用，脱NOx 20g/g以下还有几套在运装国内：基本空白。五、FCC装置设备改造实例及经济性分析自20世纪90年

15、代中期以来，在燃料需求增长缓慢、资金紧张和利润下降的压力下，世界计划新建FCC装置数量下降，许多炼厂通过改造现有装置而不是新建装置来提高转化能力，同时由于有约75%的FCC装置已经运转至少20年，炼厂面临着如何通过改造来保持FCC装置的可靠性和效益性。通过设备改造实现利润最大化美国田纳西州盂菲斯市300万t/aFCC装置美国海湾炼油厂150万t/aFCC装置欧洲50万t/aFCC装置现状建于1980年，原设计能力150万t/a反应器催化剂控制能力差，催化剂损失5t/d反再系统旋风分离器线速度高、可靠性差，常导致非计划停工原为同轴式Kellogg正流F型设计，受到主风机、富气压缩机的动力、再生器

16、空塔线速度、催化剂循环量和高烟道气温度制约，提高转化能力受到限制建于1963年改造目标能力扩大为350万t/a催化剂损失降为1.5t/d原料康氏残炭2.2%，API重度24.4降低旋风分离器线速度增大烧焦能力扩大主分馏塔、汽提提浓段提高重质原油加工量焦炭产率保持不变解决催化剂循环量限制增加更有价值液体产品产率进一步提高进料灵活性能力扩大为150万t/a丙烯产率提高1倍，占原料8.5%改造措施更换反应器提升管-分离器再生器中使用VSS快分采用Optimix喷嘴扩大烧焦罐更换再生器立管催化剂加速段采用Y形段更换新型喷嘴补充外设反应器汽提器Optimix喷嘴VSS快分新型汽提器内构件ZSM-5添加剂

17、改造费用4500万美元（25天完成）730万美元（31天完成）UOP公司改造实例1个是为生产更多石油化工原料进行的装置改造，另外2个是提高渣油处理能力进行的改造。通过这3例改造可以看出，通过改造FCC装置，可以显著地提高产率和操作效益。UOP公司每年都有1520个FCC改造项目，如在反应器-提升管、立管、滑阀和原料喷嘴方面的改进。反应器-提升管和原料喷嘴更换的维修改造费用约为150200万美元，而一次大的检修改造费用约相当于一个新建炼厂费用的20%。近年来，国内FCC装置围绕着扩能改造、提高渣油掺炼量并解决产品质量下降、提高液收、降低生焦、装置节能进行了许多工作，一般由中国石化北京设计院（BD

18、I）和中国石化洛阳工程公司（LPEC）承担。改造后可以使FCC装置：提高原料适应性，加工比重大、残炭高的劣质原料；使反应-再生结构更合理，提高操作弹性，保证在处理量变化较大的范围内稳定流化；可灵活调节再生部分，使再生烟气回收充分，较低再生剂含炭；反-再压力平衡设计趋于合理，确保装置在高剂油比下操作；采用新型旋风分离器系统、改造再生器结构后，催化剂水热失活较小，催化剂单耗较低；为长周期生产提供了保证。国内FCC装置改造情况在反应系统方面通过应用新型莲蓬头式预提升介质分布器，注入蒸汽、干气及汽油作为预提升介质，同时提高预提升段线速和延长预提升段长度，灵活控制预提升段的密度，从而调整进料段催化剂的流

19、化状态。很多老装置预提升段设计线速很低，开工时转剂困难，采用新型预提升段后，可显著缩短开工过程。通过应用新型喷嘴、快分系统有效延长装置的开工周期。 在再生系统改造方面对于烧焦罐-二密床再生系统，保持烧焦罐直径不变，筒体延长，使之具有更高的烧焦能力，在操作上适当提高线速，强化烧焦强度。烧焦罐稀相管取消，催化剂和烟气通过低压降耐磨耐热分布板进入再生器。为适应新的烟气量和烧焦负荷，需要对再生器稀相段及旋分系统进行扩容改造。这一方案结构简单，内部构件少，有效增加再生器中催化剂的藏量，延长烧焦时间，可以保证催化剂的再生效果，同时也可有效解决稀相燃烧的问题。对于重叠式两段再生系统，如果平面布置允许，采用增

20、加一个再生器的方案。对于并列式两段再生装置，一般针对烧焦能力的瓶颈，对烧焦能力不足的再生器进行改造，有效地提高烧焦容量和烧焦效率。与改造再生器相配套，再生部分还包括外取热器、烟道的改造。总之，针对不同反应器、再生器的具体结构，我国工程技术人员设计了各类分布环、分布管及旋风分离器等专用设备，并根据使用情况持续加以改进，可以满足装置长周期平稳操作的要求。 为满足环保要求，降低排放烟气中粉尘浓度，除常规方法提高一级、二级旋风分离器和第三级旋风分离器的效率外，在三旋排灰口后路烟道设置第四级旋风分离器，进一步回收三旋排气中夹带的粉尘，也利于延长临界流速喷嘴寿命。在余热锅炉出口，设置静电除尘器，与锅炉吹灰

21、器同时工作，以降低排放烟气中粉尘含量。 中国石油和中国石化每年都约有1/3的FCC装置进行改造脱瓶颈来获取利润，尤其是一些20世纪80年代的早期FCC装置，通过装置改造可以取得事半功倍的效果。中国石油中国石化200056套FCC装置分布于31家炼厂。18家炼厂的21套FCC装置进行改造。改造后能力由3517万t/a提高至3840万t/a55套装置分布于30家炼厂。17家炼厂的20套FCC装置进行改造。改造后能力由4212万t/a提高至4333万t/a200156套FCC装置分布于29家炼厂。11家炼厂的12套FCC装置进行改造。改造后能力由3610万t/a提高至4197万t/a57套装置分布于31家炼厂。16家炼厂的19套FCC装置进行改造。改造后能力由4331万t/a提高至4556万t/a200258套装置分布于31家炼厂。19家炼厂的21套FCC装置进行改造。改造后能力由3835万t/a提高至4286万t/a51套装置分布于32家炼厂。17家炼厂的18套FCC装置进行改造。改造后能力由4620t/a提高至4926万t/a200353套FCC装置分布于30家炼厂。14家炼厂的14套FCC装置进行改造。改造后能力由4203万t/a提高至4656万t/a50套装置分布于32家炼厂。10