MTO装置再生器内取热器泄漏的现象及处理方法

摘 要：催化剂跑损量是衡量MTO装置气-固流化床工艺的一个重要控制指标。催化剂跑损主要分为自然跑损及非自然跑损[1]两种工况。催化剂自然跑损是在气-固流化床工艺过程中，为了保证催化剂的活性及选择性，催化剂不断在两器进行循环，不断实现催化剂失活和再生的目的，而在反应器和再生器中催化剂不断的与旋分、器壁等设备磨损，以及原料气和主风等气体的影响下催化剂相互之间的磨损，使产品气及烟气中细粉不断增加而引起的跑损。催化剂非自然跑损一种为在非正常工况和设备故障等造成气-固流态化失常，导致催化剂异常跑损。通常情况下，MTO装置在反应器和再生器内部布置内取热器。在反应器中正常取热介质为甲醇，但在保证取热负荷的稳定性通常将未投用甲醇的内取热管进行蒸汽保护。在再生器中内取热器的取热介质为蒸汽和除氧水。在生产过程中由于异常原因会出现再生器内取热管破裂，大量的除氧水或者蒸汽进入到再生器，造成催化剂热崩和流态化失常，造成催化剂大量跑损[2]。本文立足于工业化生产装置，通过对再生器蒸汽内取热管泄漏造成催化剂热崩和催化剂大量跑损的过程进行分析，为工业化生产提供生产运营经验。

关键词：催化剂热崩；MTO ；内取热器

神华包头煤制烯烃项目MTO装置再生器内通常设置内取热器。正常工况下内取热器内5组肋片管和12组光管都用于产生中压饱和蒸汽。内取热器内5组肋片管产生中压蒸汽，12组光管用于过热低压蒸汽。在日常生产操作中，如果光管不投用除氧水要进行低压蒸汽保护。2016年装置检修后经过设计核算，在投用5组肋片管和8组光管投用除氧水即可满足生产需要，其余4组光管投用低压蒸汽进行保护。在检修运行7个月后出現了催化剂大量跑损的现象。经过一段时间的生产数据的分析，得出催化剂异常跑损的的主要原因是出现了投用保护蒸汽的取热管泄漏，低压蒸汽泄漏至再生器，造成再生器内高温催化剂热崩[3]，催化剂大量跑损。

1 催化剂异常跑损的现象

在日常生产过程中，两器藏量的变化是工艺操作监控的重要指标之一。两器藏量的变化能够充分的表现出催化剂跑损程度。在正常工况下，催化剂的跑损量较均匀。但出现异常工况下，两器藏量会大幅度减少，催化剂异常跑损。

1.1 将催化剂跑损期间和正常工况下的催化剂跑损量进行分析比较，见表1

根据表1的数据可以看出：

2016年12月26日6：00-16年12月28日6：00催化剂日消耗量较为平稳，催化剂日消耗量约为1.6t/天。自2016年12月28日6：00至17年1月1日6：00催化剂跑损大幅度增加，出现了异常跑损，最大日消耗量为14.98t/天。并且通过两器藏量DCS趋势图能够明显显示出催化剂的波动较大，催化剂跑损较大，两器藏量趋势对比图如图1（12月26日-12月28日）及图2（12月28日至1月1日）。

2 催化剂异常跑损异常现象分析

2.1 通过催化剂的物性分析解释催化剂跑损的原因

在正常工况下，催化剂在两器中不断循环流化，反应器中的待生剂和再生器中的再生剂的粒度分布梯度较为平均。当催化剂出现异常破损时，催化剂的粒度分布也能侧面反映出催化剂流化过程中工况。通过对待生催化剂、再生催化剂、待生细粉以及再生细粉的粒度分析对比，见下表2。

从表2可以看出，针对催化剂样品（2016年11月10日）各个催化剂的粒径分布进行分析：其中再生剂和待生剂中<40µm的催化剂颗粒约为5.15%和6.49%。且当时工况稳定，两器在流化过程中，两者相比各区间段的颗粒分布所占的比例相当。再生细粉和待生细粉中均未出现>40µm的颗粒，说明两器的旋风分离器运行稳定。

2016年12月31日同2016年11月10日的催化剂粒径分布数据相比较，待生剂和再生剂<40µm的催化剂颗粒上升至31.34%和38.52%，<40µm的颗粒所占比大幅度升高，说明再生剂和待生剂中携带着大量细粉。但再生细粉及待生细粉中粒径未出现>40µm的粒径催化剂，说明旋分分离器正常工作，排除旋分分离器设备故障导致催化剂跑损的原因。再生剂及待生剂中的细粉量大幅度增加，说明在反再系统中催化剂出现破损，导致待生剂及再生剂中细粉含量增加。对再生剂和待生剂的催化剂进行了电镜分析，图3和图4分别为待生催化剂和再生催化剂电镜照片。

从图3和图4中可以清晰看出待生剂及再生剂出现了破损，并且待生剂和再生剂的完整球形度很少，图中也能清晰看到大颗粒催化剂出现严重的破损，为非自然磨损造成的。

导致催化剂破损的原因可能有两个：一是添加的新鲜催化剂的性能发生突变，造成催化剂破损，导致细粉含量大幅增加，催化剂异常跑损。二是，内取热管束泄漏，除氧水或者蒸汽与高温催化剂接触，导致催化剂热崩[4]，催化剂破损，导致细粉含量大幅增加，催化剂异常跑损。

2.2 新鲜催化剂的物性分析

通过对这一批次的新鲜催化剂剂进行复检，表3为新鲜催化剂复检结果：

由表3可以看出，催化剂的入厂检验指标和复检结果相当，其各项指标均能满足生产实际需要。为了更好的观察催化剂的形态，对新鲜催化剂进行了电镜分析，图5为新鲜催化剂的电镜分析。

由新鲜剂电镜分析图5可以清晰的看出，催化剂的颗粒均匀，球形度完好。

通过表3和图5的数据分析和电镜分析，可以排除催化剂异常跑损为新鲜催化剂的性能发生突变的原因。

2.3 内取热器泄漏的现象判断

2.3.1 从旋分压降变化判断

再生器内设有旋风分离器[5]，旋风分离器的压降是再生器运行状况的一项重要的指标，根据旋风分离器的压降，可以有效判断出再生器旋风分离器的运行工况。

正常工况下，旋风分离器压降P=P1-P2-P3

P1为再生烟气在再生器稀相压力；

P2為再生催化剂溢出翼阀后的压力变化。当翼阀关闭时，由于催化剂料封的作用，P2数值为0；当催化剂料封达到一定重量后，翼阀打开，P2增加。

P3为在再生烟气出旋分压力即旋分分离器的背压。

正常工况下，当翼阀关闭时，P2=0，所以P=P1-P3为定固定值。随着再生器旋分料腿不断收集催化剂，当到达一定重量后，翼阀打开，P2值增大，P值瞬间减小。随着翼阀的关闭，P2值逐渐减小至0。最后P为定值，图8为正常工况下，旋风分离器压降变化的曲线图。

由图8看出正常工况下，再生器旋分压降的曲线图为一个向下凹的曲线。

当出现异常工况下，特别是内取热管泄漏后再旋风分离器压降P=P1+P2-P3

P1为再生烟气在再生器稀相压力；

P2为再生催化剂溢出翼阀后的压力变化。当翼阀关闭时，由于催化剂料封的作用，P2数值为0；由于再生器内取热管泄漏，当催化剂料封达到一定重量后，翼阀打开，P2增加。

P3为在再生烟气出旋分压力即旋分分离器的背压。

异常工况下，当翼阀关闭时，P2=0，所以P=P1-P3为定固定值。随着再生器旋分料腿不断收集催化剂，当到达一定重量后，翼阀打开，P2值增大，P值增大。随着翼阀的关闭，P2值逐渐减小至0。最后P为定值，图9为异常况下旋风分离器压降变化的曲线图。

由曲线可以看出，在内取热泄漏的情况下，其曲线为向上凸的曲线。

2.3.2 再生器频繁出现尾燃现象

DMTO工艺采用湍流流化床工艺，SPO-34催化剂在参与反应后，由于形成催化剂积碳，催化剂部分失活。积碳的催化剂，通过流化输送至再生器进行烧焦，使其恢复活性。DMTO工艺中催化剂采取不完全再生，再生温度达660℃。催化剂在烧焦过程中，发生的主反应为：

3C+2O2=2CO+CO2

正常工况下，氧气在再生器密相烧焦后完全被消耗掉，稀相不会发生尾燃。在异常工况下（再生内取热管泄漏），造成再生器尾燃的原因有：

当再生器内取热管泄漏后，除氧水或者蒸汽在660℃的热催化剂接触，同时发生了如下反应：

H2O（g）+C=CO+H2

一旦再生器内取热泄漏，导致除氧水汽化变成水蒸气或者蒸汽携带着CO，O2和H2等气体到再生器稀相，CO、O2和H2等气体在稀相进行燃烧，稀相发生尾燃现象。

2.3.3 再生器双动滑阀（自动控制阀门）开度逐渐开大

在MTO工艺中，再生器的压力控制由双动滑阀控制，通过双动滑阀的自动调节，能够有效的保证再生器的压力的稳定性，也就是能够保证再生器流化态的稳定性。再生器进行烧焦主要是主风，由于双动滑阀为自动控制。在工艺操作时，一旦提高主风时，为了维持再生器压力不变的情况下，双动滑阀的阀门将会自动开大，反之阀门将会关小。正常工况下，主风和双动滑阀阀门开度（以B阀做为参考）变化趋势图见图10。

由图10可以看出，主风和双动滑阀阀门开度在曲线变化趋势上一致的，同步性较好，且未出现较大的波动。

在内取热泄漏期间，主风主风和双动滑阀阀门开度较正常工况下有较大差异，图11为内取热泄漏期间主风和双动滑阀（B阀）阀门开度的变化趋势图。

由图11可以看出，在内取热泄漏期间，双动滑阀（B阀）的阀门开度同主风量的调节同步性较差。在主风流量平稳期间，B阀的阀门开度在逐渐开大也从侧面说明再生器中有其余的气体补充至再生器中，造成在主风不变的情况下，再生器的压力在不断上涨，而为了维持再生器压力的稳定性，B阀门开度不断加大。

2.3.4 再生器密相密度变化情况

正常工况下再生器密相密度一般维持在390-440kg/m3，且维持相对稳定。在由于内取热管发生泄漏后，催化剂不断破损，再生器的密相密度也随着不断的下降。见图12正常工况下再生器密相密度变化趋势，图13 内取热器泄漏期间再生器密相密度变化情况

2.4 内取热器泄漏介质的判断

MTO装置再生器内通常设置内取热器[6]。正常工况下内取热器内5组肋片管和12组光管都用于产生中压饱和蒸汽。内取热器内5组肋片管产生中压蒸汽，8组光管用于过热低压蒸汽。在日常生产操作中，如果光管不投用除氧水要进行低压蒸汽保护。产出的中压蒸汽一部分产生中压蒸汽并入外管网。另一部分并入低压蒸汽管网供装置使用。在实际生产中，中压蒸汽并入到低压蒸汽的管线虽未设置流量计，但可以利用除氧水的上水量和产汽量的差值核算出并入到低压蒸汽的量即并入到低压蒸汽系统的蒸汽量=除氧水上水量-并入到外管网的中压蒸汽量。图6和图7为除氧水上水量和产汽量的差值雷达图。

雷达图中，折线内面积即为除氧水上水量和并入到外管网的中压蒸汽量的变化情况。通过图7和图6进行对比可知，图7中折线内面积在逐渐增大，上水量和产汽量差值在逐渐增大。正常工况下，低压蒸汽产汽量=氧水上水量-并入到外管网的中压蒸汽量。造成这种差值逐渐增大原因有二个：一是除氧水出现泄漏也就是投有除氧水的内取热管发生泄漏，导致上水量大幅增加。另一种原因为自产中压蒸汽量减少。如果发生除氧水内取热管发生泄漏，其现象为外取热器再生器温度急剧下降，外取热器给水流量明显大于蒸汽流量以及再生器烟囱有白雾冒出。但发生泄漏后均未出现温度急剧下降和烟囱有白雾冒出，说明泄漏介质可能为蒸汽。

2.5 泄漏后的紧急处理方法

通过对泄漏时的工况分析可以判断出泄漏介质为蒸汽，对泄漏的内取热管采取了在线切除的方法，避免蒸汽继续泄漏至再生器中，造成催化剂大量破损，甚至装置停车。将蒸汽内取热器各DCS参数逐渐恢复至正常，保证了装置的稳定运行。

3 结论

做为流化床工艺的MTO装置，催化剂的破损是很常见的现象。造成跑损的因素有很多，如原料的性质、工艺操作条件还有催化剂自身的性能的都是很重要的因素。当催化剂出现异常跑损时要从工艺及催化剂本身的特性进行逐项排查，找出最终解决问题的办法。

参考文献：

[1]张力民.重油催化裂化装置催化剂跑损原因分析[J].石化技术与应用，2008（06）：28-29.

[2]张远欣.催化裂化装置催化剂跑损原因分析[J].内蒙古石油化工，2006（06）：9-10.

[3]马雅松，刘梦溪.高温水蒸气环境下催化裂化催化剂热崩的研究[J].内蒙古石油化工，2015（14）：5-6.

[4]陈冬冬，郝希仁，陈曼桥，王文柯，王龙延.催化裂化催化剂热崩跑损现象的研究[J].炼油技术与工程，2007，37（03）：1-4.

[5]岑可法，樊建人.工程气固多相流动的理论与计算[M].杭州：浙江大学出版社，1990.

[6]吴秀章.煤制低碳烯烃工艺与工程[M].北京：北京工业出版社，2014：273-275.

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