催化剂跑损原因分析

催化剂跑损原因分析

张海昭

神华包头煤化工有限责任公司内蒙古包头市014010

摘要：甲醇制低碳烯烃（MTO）主要是利用甲醇在高温的条件下和酸性催化剂作用生成主要以乙烯、丙烯和C4等混合低碳烯烃。乙烯和丙烯做为石油化工最为基础的原料，乙烯和丙烯传统上主要是通过石油裂解等路径制得，近几年煤制甲醇和甲醇制低碳烯烃得到广泛的重视和应用。催化剂做为煤（甲醇）制烯烃技术的核心部分，其烯烃的选择性和收率直接关乎着工厂的经济效益，同时其消耗量关乎着工厂的运行成本的一个非常重要因素。催化剂跑损量是催化剂日常消耗的重要工艺控制指标。本文对催化剂的跑损的原因进行分析，为工业化生产提供技术指导。

关键词：甲醇制低碳烯烃；催化剂；跑损；线速

某装置采用中国科学院大连化学物理研究所、中国石化集团洛阳石油化工工程公司和陕西新型煤化工科技发展有限公司共同开发的DMTO工艺技术。某处理能力为180万吨/年甲醇原料（折纯），生产60万吨/年烯烃（乙烯+丙烯）产品，年开工时数为8000小时。其生产工艺主要为复杂的湍流流化床工艺。催化剂在参与流化和反应过程中，不仅催化剂自身进行磨损，同时催化剂同管道、设备等进行磨损。所以催化剂的消耗量不仅和催化剂的自身的性能有关，同样还和工艺控制条件以及设备运行状况有关。本文主要从设备、工艺、催化剂自身性能以及生产操作等四个方面简要的阐述了影响催化剂跑损的原因。

1设备方面

1.1旋风分离器的分离性能

旋风分离器是一种将粉粒从气流中分离出来的干式气--固分离装置，被广泛用于工业生产，具有结构简单、耐高温、操作维修方便、占地面积小及分离效率高等优点。旋风分离器的分离效率直接影响催化剂的跑损。为了降低催化剂的跑损，减少对下游装置和环境的影响，故在反应器和再生器出口设置了三级旋风分离器用于回收催化剂细粉。影响旋风分离器的效率的因素主要分为以下几点：

1.根据旋风分离器的设计原理和工艺操作条件，目前旋风分离器的入口线速的合适范围一般为12—22m/s，不宜低于10m/s，防止入口线速过小形成催化剂细粉堆积。在日常生产过程中，要避免装置长期在低负荷和超负荷工况运行。

2.结合旋风分离器的设计的结构尺寸，在相同线速情况下，适当加长锥体的高度，粉粒所受离心力越大，分离效果越好，也有利于分离效果。

3.粉尘的粒径与密度，分离效率随粉尘的密度粒度增加而增加。

4.气体的温度与粘度，旋风分离器的分离效率随气体温度与粘度的增加而降低。

5.旋风分离器的锥体的气密性，锥体部若不严漏入空气，会导致分离效果下降。

1.2甲醇分布管压

分布管压差反映了反应器内甲醇进料分布管是否堵塞，分布管压差变大，可以说明某区域的甲醇进料分布管堵塞，导致堵塞区域的气相甲醇过低，而在非堵塞区域气相甲醇线速会大幅度提高。催化剂在两器流化过程中，出现催化剂偏流现象，加剧催化剂自身磨损，导致平衡剂中细粉浓度增加，即旋风分离器的固项负荷大幅增加，导致催化剂大量跑损。

某装置某时间段内反应器进料分布管压差从11KPa涨到了32KPa，其催化剂跑损量由0.9t/d涨到了2.3t/d，反应器催化剂密度和和反应器内个压力点均发生变化，根据反应器的密度变化以及甲醇进料分布管压差等因素分析：反应器进料分布管不均匀堵塞引起气相甲醇局部线速过高，催化剂偏流，加剧催化剂的磨损最终造成催化剂严重跑损。在检修期间对甲醇进料分布管堵塞情况检查时，甲醇进料分布管堵塞约1/2。并对堵塞物进行分析主要物质为碳，且堵塞物坚硬密实。在采取人工清理后进行了高压水清洗，最终将堵塞全部清理干净。恢复生产后，分布管压差一直维持在11KPa左右，催化剂跑损基本上维持在一天0.8。甲醇分布管堵塞造成催化剂磨损加剧也是造成催化剂跑损的一个因素。

2.工艺原因

2.1旋风分离器的入口线速

某甲醇制低碳烯烃装置经过长时间运行，反应器和再生器的旋风分离器的入口线速一般控制在18-22m/s，小于18m/s或大于22m/s均会出现大量催化剂跑损的现象。旋风分离器内气流的切向速度対催化剂的分离起主导作用，切向速度越大，临界粒径越小，分离性能越好，但过大的切向速度会增加对设备的磨损，催化剂也会磨损，粒度变小形成细粉，导致大量催化剂跑损。这也是旋风分离器的工作原理决定的。某装置在2018年3月至4月维持60%的负荷，反应器和再生器线速均低于18m/s，催化剂跑损量明显增加。

3.催化剂本身性能

3.1催化剂的粒度

催化剂的粒度分布主要是反映催化剂不同粒径占总数的比例值它是催化剂性能参数的一项重要指标，该指标可以反映出在生产中催化剂的磨损程度和催化剂在高温反应条件下的强度，通过不同粒度的分布也可以反映出催化剂床层流化性能的好坏。

据某公司MTO装置的三旋细粉粒度分析数据如表1所示。

表1第三级旋风分离器回收细粉粒度分析

反应细粉和再生细粉粒度主要分布集中在0-20μm，分布值分别为：92.6%和90.25%，平均粒度均小于10μm，分别为8.12μm和7.38μm。在正常工况下，旋风分离器分离＜20μm的效率可以达到99%以上。但在再生细粉中出现了40-80μm的催化剂，而在这区间段的催化剂为反应期间主要发生反应的粒度分布。造成再生细粉中出现粒径为40-80μm的催化剂的主要原因，装置的旋风分离超线速造成的。所以通过对催化剂的粒度分布进行详尽的研究会对反应的流化态能够充分的理解，并且能够能够认清催化剂的流化态是否良好。

3.2催化剂的磨损指数

一种优良的催化剂，不仅要具有活性高、选择性好等性能外，也要有良好的耐磨损机械强度。磨损指数越小，催化剂的磨损机械强度就越大。在正常生产中，为了维持反应活性，要往再生器中不断加入新鲜催化剂，但新鲜催化剂和原来反再系统催化剂磨损指数有所差异，会造成催化剂磨损，消耗量增加。所以在反再系统中加剂之前要对严格检测催化剂磨损指数。

3.3催化剂的密度

通常用颗粒密度、堆积密度和骨架密度来衡量MTO催化剂的密度。催化剂的密度是指单位体积内所占有的质量。堆积密度的大小决定着流化床密相和稀相的床层高度，影响着旋风分离器的分离效果和产品的选择性。MTO装置适合的催化剂堆积密度为0.8g/ml，控制范围在±5%范围内，超出范围会使旋风分离器不能正常工作，导致催化剂大量跑损。

4.生产操作原因

4.1催化剂的热崩性

在反应、再生两器循环烧焦过程中，催化剂都会与水、水蒸气等接触。水蒸气的温度一般在200℃左右，而待生催化剂温度480℃或者再生催化剂温度670℃，两者之间存在较大的温差，水蒸气会升温膨胀从而使催化剂表面磨损，引起催化剂颗粒破碎、跑损量增加。

在日常生产过程中，虽然有部分水蒸气进入到反应器及再生器中，但催化剂的破损的现象较为稳定，不会造成催化剂的大量跑损。通常情况下，再生器内部设有取热器，利用除氧水或者饱和蒸汽移除再生烧焦所产生的热量，从而达到热量的重复利用。一旦内取热管出现泄漏点，大量的蒸汽或者除氧水进入到再生系统中，导致催化剂热崩，催化剂破损，其跑损量急剧上升。某装置，在生产运行中发现反应器和再生器藏量明显下降，催化剂消耗量有明显升高的迹象。并且随着时间推移，催化剂的消耗量有2t/d增加至8t/d。通过对再生器的床层密度的变化趋势以及旋风分离器的压降变化情况同时结合催化剂的粒度分布，最终判断是再生器内取热管束发生泄漏造成了催化剂大量破损，催化剂的消耗量明显增加。对泄漏的内取热管进行切除后，再生器的运行工况恢复正常，催化剂的消耗量恢复至正常水平。通过事实证明，高温催化剂遇到低温水会使高温催化剂发生热崩现象，生成的大量的小颗粒细粉，导致大量跑损催化剂。

5.结束语

由于催化剂跑损是化工生产中比较常见的问题，也是决定装置运行的综合能耗的问题。MTO催化剂比较昂贵，解决催化剂跑损问题也是迫在眉睫。影响催化剂跑损存在很多方面因素，原料性质，操作条件，工艺参数，催化剂本身性质等。这就要求我们生产中诸多因素等综合分析问题，精细操作，不断优化工艺生产条件，达到公司的“降本增效”的目的。

参考文献：

[1]侯梅华.炼油化工装置技术改造的决策与实施[J].化工管理，2017（26）：208.

[2]张贵军.新时期炼油化工技术发展研究[J].科技经济导刊，2016（11）：90.

[3]王宇.新时期炼油化工技术探讨[J].山东化工，2014，43（10）：112，117.

[4]孙振兴.基建管理对油田建设的重要性[J].石化技术，2017，24（10）：184+204.

[5]张志远.石油基建施工项目现场管理的实施与控制[J].化工管理，2017（34）：161.