催化裂化再生器

再生器的主要作用是燒去結焦催化劑上的焦炭以恢復催化劑的活性，需要熱量。

基本介紹

• 中文名：催化裂化再生器
• 作用：燒去結焦催化劑上的焦炭
• 功能：以恢復催化劑的活性
• 殼體：鋼製的大型筒體

催化裂化再生器

再生器的主要作用是燒去結焦催化劑上的焦炭以恢復催化劑的活性，需要熱量。對再生器的主要要求有:

①生催化劑的含炭量較低，一般要求低於0.2%（質量分數）有時要求低達0.05%0.10%（質量分數）。

②有較高的燒焦強度，當以再生器內的有效藏最為基準時，燒焦強度一般為100-250 kg/（t*h）。

③催化劑減活及磨損的條件比較緩和。

④易於操作，能耗及投資較少。

⑤能滿足環境保護要求。

為了實現以上目標，工業上有各種型式的再生器，大體可分為三種類型：單段再生、兩段再生、快速流化床再生。表1列出了各種組合方式的再生型式以及它們的主要指標。圖1是單段再生的再生器簡圖，以下以此圖為例說明再生器的基本工藝結構。

表1 各種組合方式的再生形式

再生器的結構

再生器的殼體是鋼製的大型筒體，國外最大的直徑達16.8m（裝置處理能力8.5Mt/a）。殼體內的上部為稀相區，下部為密相區。密相區的有效藏量由燒焦負荷及燒焦強度確定，根據密相區的有效藏量和固體密度可決定密相風的容積。所謂有效藏量是指處於燒焦環境中的藏量。密相區的直徑由空塔氣用較高的氣速可以有較高的燒焦強度，從而使藏量減少，但床層密度下降而使床層體積增大，因此，氣速的選擇有一合理的範圍。密相區的直徑和容積確定後，即可確定其高度。密相區的床層高度一般為5-7m。為了避免過多地帶出催化劑及增大催化劑的損耗，稀相區的氣速不能太高，對堆積密度較小的催化劑一般採用0.6-0.7m/S，對堆積密度較入的催化劑則可採用0. 8 - 0.9 m/s。從密相區向上到一級旋風分離器入口之間的稀相空間高度應大於TDH。即使如此，稀相空間仍有一定的催化劑濃度，為了減少催化劑的損耗，再生器內裝有兩級串聯的旋風分離器，其回收固體顆粒的效率應在99.99%以上。旋風分離器的直徑不能過大，以免降低分離效率，因此，在燒焦負荷大的再生器內裝有幾組旋風分離器，它們的升氣管連線到一個集氣室將煙氣導出再生器。

圖1 再生器的工藝結構

為了使燒焦空氣（工廠里多稱為主風）進入床層時能沿整個床截面分布均勻，在再生器下部裝有空氣分布器，其主要結構形式有分布板式（碟形）和分布管式（平面樹枝形和環形）兩類。碟形分布板上開有許多小孔，孔直徑為16-25mm，孔數為10-20/㎡。分布板可使空氣得到良好的分布，但是大直徑的分布板長期在高溫下操作易變形而使空氣分布狀況變差。目前工業上使用較多的是管式分布器，這種分布器在樹枝形分布管或環形分布管上設有向下傾斜45°的噴嘴，空氣由噴嘴向下噴出，再返回上面的床層。

待生催化劑進入再生器和再生催化劑出再生器的方式及相關的結構形式隨再生器的結構、再生器與反應器的相對位置等因素而多種多樣，同時還應從反應工程的角度考慮如何能有較高的燒焦效率。一般來說，待生催化劑從再生器床層的中上部進入，並且以設有分配器為佳;再生催化劑從床層的中下部引出，通常是通過淹流管引出。

在以餾分油為原料的催化裂化裝置中，一般是處於熱平衡操作。但在重油催化裂化裝置中，由於焦炭產率高，再生器內產生的熱量過剩，必須另外取走一部分熱量才能維持兩器的熱平衡。工業上曾經採用在再生器內安裝取熱盤管或管束的辦法來取走過剩的熱量，稱為內取熱方式。由於操作靈活性差及取熱管易損壞，近年來，內取熱方式已被外取熱方式逐漸所替代。外取熱方式是在再生器殼體外部設一催化劑冷卻器（稱外取熱器），從再生器密相床層引出部分熱催化劑，經外取熱器冷卻，溫度降低約100-200℃，然後返回再生器。這種取熱方式可以採用調節引出的催化劑的流率的方法改變冷卻負荷，其操作彈性可在0-100%之間變動，這就使再生溫度成為一個獨立調節變動，從而可以適合不同條件下的反應—再生系統熱平衡的需要。

外取熱器主要類型

目前上業套用的外取熱器主要有兩種類型，即下行式外取熱器和上行式外取熱器，它們的結構分別見圖2和圖3。下行式外取熱器的操作方式是從再生器來的催化劑自上而下通過取熱器，流化空氣以0.3-0.5m/s的表觀流速自下而上穿過取熱器使催化劑保持流化狀態。在取熱器內也形成了密相床層和稀相區，夾帶了少量催化劑的氣體從卜部的排氣管返回再生器的稀相區。取熱器內裝有管束，通入軟化水以產生水蒸氣，從而帶走熱量。催化劑循環量由出口管線上的滑閥調節，取熱器內密相床層料面高度則由熱催化劑進口管線上的滑閥調節。

圖2 下行式外取熱器

上行式外取熱器的操作方式是熱催化劑進入取熱器的底部，輸送空氣以1.0-1.5m/s的表觀流速攜帶催化劑自下而上經過取熱器，然後經頂部出門管線返回再生器的密相床層的中上部。在取熱器內的氣固流動屬於快速床範疇，其催化劑密度一般為100-200kg/m。催化劑的循環量由熱催化劑入口管線上的滑閥調節。

再生器的主要類型

以上主要是討論了再生器的一般工藝結構，下面對再生器的幾種主要類型的工藝特點分別進行討論。

圖3 上行式外取熱器

單段再生

單段再生是只用一個流化床再生器來完成全部再生過程。由於工藝和設備結構比較簡單，故至今仍被廣泛採用。圖1是單段再生器的工藝簡圖。

對分子篩催化劑，一單段再生的溫度多在650-700℃之間，當催化劑的水熱穩定性好時，有的還提高到730℃，但高溫也會受到設備材質的限制。對處於熱平衡操作的裝置，再生溫度與反應溫度的差值Δt（兩器溫差）和待生催化劑含炭量與再生催化劑含炭量的差值ΔC（炭差）之間有近似直線關係:

Δt=KΔC

式中的K值主要是再生煙氣中CO2和CO的比值及過剩空氣率的函式。在一定程度上，K值也受到待生催化劑的汽提效果及催化劑比熱容的影響。當ΔC達到0.7%-0.9 %（質量分數）時，相應的勻為150-200℃，再生催化劑含炭量降低至0. 1%- 0.2%（質量分數）。

再生溫度對燒焦反應速率的影響十分顯著，提高再生溫度是提高燒焦速率的有效手段。但在流化床再生器中，燒焦速率還受到氧的傳遞速率的限制，而氧的傳遞速率的溫度效應相對要小得多。而且，在高溫下，催化劑的水熱失活也比較嚴重。因此，在單段再生時，密相床層的溫度一般很少超過730℃。

在燒焦反應中原生的COZ和CO的比值是催化劑種類和溫度的函式，一般為0. 7-0.9。由於在離開密相床層前，CO會在催化劑顆粒內的孔隙及外部空間與氧進行均相氧化反應。因此，工業再生煙氣中的CO2和CO比值一般達到1.0-1.3，有的還會更高些。其中，在稀相區的CO燃燒占相當一部分比例，從而使稀相溫度升高而高於密相溫度。向再生器加入CO助燃劑一可使CO的相當一部分甚至全部在密相床內燃燒，提高密相床的溫度和燒焦速率，使再生催化劑含炭量降低，從而提高輕質油收率並降低焦炭產率，使經濟效益明顯提高。

使用CO助燃劑的另一個重要的好處是可以防止二次燃燒。稀相區的催化劑濃度一般為4-20kg/m。由此計算得到催化劑的熱容量約為煙氣的3-15倍，因此，煙氣夾帶的催化劑可以成為吸收CO燃燒產生的大量熱量的熱阱，減少稀相區的溫升。當煙氣進入一級旋風分離器後，其中的催化劑濃度降低至0. 1 kg/m以下，其熱阱作用不復存在。如果煙氣中的含氧量超過某個數值，CO的燃燒就會失控而使溫度大幅度升高，又進一步加快了燃燒速率，直到把煙氣中的氧全部耗盡為止。此時的溫升可以高達400℃以上，造成操作波動甚至燒壞設備。這種現象稱為二次燃燒，也叫尾燃。在不使用CO助燃劑時，再生溫度高或煙氣中氧濃度高就比較容易發生二次燃燒。當使用CO助燃劑而只是使部分CO燃燒時也還是要控制煙氣中的氧含量以避免發生二次燃燒。在使用CO助燃劑而CO完全燃燒時則對煙氣中的氧含量沒有嚴格的要求。

提高空氣通過床層的流速能提高氧的傳遞速率，從而提高燒焦強度。工業上一般採用的空氣線速為0.6-0.7m/s。提高氣速會使床層密度下降，燒焦強度雖然提高了，但床層單位容積的燒焦能力反而下降，抵消了高線速的好處。單段再生器也有採用高達1.0m/s以上的線速的，但其稀相區必須擴大直徑。

提高再生壓力可提高氧濃度，使燒焦速率提高。由於兩器壓力平衡的要求，再生壓力的提高必然也使反應壓力提高，導致焦炭產率增大。下業裝置採用的再生器壓力在0.25-0.40MPa（絕）的範圍內，對於含渣油的原料則裂化反應壓力不宜高於0.25 MPa（絕），相應的再生壓力不宜高於0.30MPa（絕）。

單段再生的主要問題是再生溫度的提高受到限制和密相床層的有效催化劑含炭量低。

兩段再生

兩段再生是把燒焦過程分為兩個階段進行。在第一段燒去焦炭堂的80%-85%，餘下的在第二段再用空氣及在更高的溫度下繼續燒去。兩段再生可以在一個再生器筒體內分隔為兩段來實現，也可以在兩個獨立的再生器內實現。圖4是Kellogg公司的上下疊置式兩段再生器的簡圖。

與單段再生相比，兩段再生的主要優越性有:

圖4 Kellogg公司上下疊置式兩段再生器簡圖

①對全返混流化床反應器，從反應動力學角度看，有效的催化劑含炭量等於再生器出口的再生催化劑含炭量，由於在第一段再生時只燒去大部分焦炭，第一段出口的半再生催化劑的含炭量高於再生催化劑的含炭量，從而提高了燒焦速率。

②在第二段再生時可以用新鮮空氣（提高了氧的對數平均濃度）和更高的溫度，於是也提高了燒焦速率。

③焦炭中的氫的燃燒速率高於碳的燃燒速率，當燒去約80%的碳時，氫已幾乎全部燒去，因此第二段內的水汽分壓可以很低，減輕了催化劑的水熱老化程度。而且，第二段的催化劑藏量比單段再生器的藏量低，停留時間較短。這兩個因素都為提高再生溫度創造了條件。

當對再生催化劑含炭量要求很低時，例如<0. 1%時，兩段再生有明顯的優越性。但是當要求再生催化劑含炭量高於0.25%時，兩段再生反而不如單段再生。

兩段再生時，第一段和第二段的燒焦比例有一個最佳化的問題，除了考慮在第一段基本上燒去焦炭中的氫之外，還應從燒碳動力學的角度來進行最佳化。對工業裝置，一般是在第一段燒去焦炭量的80%-85%。

快速流化床再生

從流態化域來看，單段再生和兩段再生都屬於鼓泡流化床和湍動床的範疇，傳遞阻力和返混對燒焦速率都有重要的影響。如果把氣速提高到1.0m/s以上，而且氣體和催化劑都向上流動，就會過渡到快速流化床區域。此時，原先成絮狀物的催化劑顆粒團變為分散相，氣體轉為連續相，這種狀況對氧的傳遞十分有利，從而強化了燒焦過程。此外，隨著氣速的提高，返混程度減小，中上部甚至接近平推流，也有利於燒焦速率的提高。在快速流化床區域，必須要有較大的固體循環量才能保持較高的床層密度，從而保證單位容積有較高的燒焦量。

圖5 快速流化床再生器簡圖

催化裂化裝置的燒焦罐再生（亦稱高效再生）就是採用上述快速流化床的一種方式。圖5是工業化的快速流化床再生器簡圖。

圖5中的核心設備是燒焦罐。為了保持燒焦罐的密相區的密度達到70-120kg/m，從第二密相床通過循環斜管引入大流量的催化劑。除了此作用以外，循環催化劑還起到提高燒焦罐內起燃溫度的作用。進入燒焦罐的待生催化劑的溫度一般在500℃左右，空氣的溫度約為150-200℃，兩者混合後的溫度只有450℃左右，不可能達到高效再生。因此，從第二密相床引入的高溫再生催化劑，使燒焦罐底部的起燃溫度提高到660-680℃。在工業裝置中，燒焦罐的燒焦強度約為450-700kg/（t·h），燒去的焦炭量約占總燒焦量的85%-90%。

稀相管內的密度很小，燒去的焦炭量不大，其主要作用是使CO進一步燃燒成CO2當燒焦罐的溫度低於700℃時，CO的均相燃燒很難進行完全。

第二密相床的主要功能是作為再生器與反應器之間的緩衝容器，需有一定的藏量。進入第氣密相床的空氣量只占燒焦總空氣量的10%左右，氣速很低，屬於典型的鼓泡流化床，其燒焦強度只有30-50 kg/（t·h）。

由於第二密相床和稀相管的燒焦強度低，故整個再生器的綜合燒焦弧度約為200-320 kg/（t·h）。

針對第二密相床燒焦強度低的間題，國內外都做了不少改進的開發研究工作，其主要的改進方向是提高氣速、降低床層密度、減少氧氣的傳遞阻力。國內開發成功的快速床串聯再生工藝提高了第二密相床的燒焦強度，使整個再生器的綜合燒焦強度達到了310 kg/（t·h）。其主要的措施是把燒焦罐出門的煙氣全部引入第二密相床，使氣速達到1.5-2.0m/s，變成兩個串聯的快速流化床再生器。

圖6 後置燒焦罐再生器流程簡圖

燒焦罐再生器實際上是由一個快速流化床（燒焦罐）與一個湍動床或鼓泡流化床（第二密相床）串聯而成。對現有的工業裝置，欲採用這種方式的難度很大。因此，現有裝置的改造多採用在原有的湍動床再生器之後串聯一個較小的燒焦罐，稱為後置燒焦罐再生。圖6是其中比較常用的一種後置燒焦罐再生流程簡圖。