催化裂化油浆固液分离新技术开发
催化裂化油浆固液分离新技术开发
林崧1 陈强2 朱亚东3 盛维武2 朱伟3 李小婷2 魏嘉2
(1.中国石油化工股份有限公司炼油事业部；2.中石化炼化工程(集团)股份有限公司洛阳技术研发中心；3.中国石油化工股份有限公司荆门分公司)
摘要：针对现有催化裂化油浆脱固技术存在的易堵塞、运行时间短的问题，开发了一种高效的组合油浆脱固技术：采用一级预涂过滤解决油浆内胶团堵塞滤管问题，二级旋错流精滤保证滤后油浆固含量达标。建设了一套处理规模为1 m3/h的撬装式工业侧线试验装置，对某炼油厂的催化裂化油浆进行脱固处理。通过近3个月的工业侧线试验，结果表明，采用该组合过滤技术后，滤后油浆平均固含量为48 μg/g，平均固体脱除率达到98.6%，实现油浆回收率99.03%。在实现油浆脱固的同时，能够减少过滤管内堵塞，延长油浆过滤装置的运行时间。
关键词：催化裂化油浆 堵塞机理 固液分离 预涂过滤 旋错流精滤
目前，重质油品轻质化技术成为石油化工行业发展的新方向[1]。催化裂化是重要的重质油品轻质化技术之一，具有过程投资少、操作费用低、原料来源广、轻质油产品收率高、技术成熟等优点，是目前炼油企业获取利润的重要途径[2]。随着重质油品催化裂化加工深度越来越高，为了维持催化装置的热平衡，保证处理能力，炼油厂采取了油浆外甩的操作，外甩油浆处理以回炼、掺炼[3]或作为燃料油为主。固液分离后的外甩油浆，是用于制造炭黑、石油焦及芳烃抽提生产橡胶添加剂等的重要原料，具有极高的经济价值和应用前景[4]。目前制约油浆高价值利用的主要因素是油浆的固含量，一般催化裂化油浆(催化油浆)固含量在3 000～7 000 μg/g，有的可高达 10 000 μg/g，且胶质、沥青质含量较高，这对催化油浆高价值利用造成较大影响[5]。
根据催化裂化油浆的组成和特性，开发高效便捷、经济安全、能够长周期稳定运行的固液分离技术十分必要。
1、技术现状
油浆固液分离常规技术有沉降法、离心分离法、静电分离法、蒸馏分离法、过滤分离法等。从技术可靠性和工业应用等方面来看，过滤技术应用得较多。过滤分离法具有设备简单、分离效率稳定且分离效果不受装置操作条件或原料性质变化影响等优点。但该项技术引入国内后，由于国内催化裂化工艺和原料的性质差异，导致油浆中胶质、沥青质含量较高，设备运行不稳定，过滤管极易发生堵塞，过滤器频繁切换(1～2 h就需要切换进行反冲洗)，且滤芯堵塞后清洗再生困难，需经常更换滤芯，维护费用高。目前其主要问题是过滤管堵塞过快，很难完全再生，随过滤次数增加，过滤管逐渐失效。
中石化炼化工程(集团)股份有限公司洛阳技术研发中心开发了预涂过滤+旋错流精滤组合油浆脱固技术。经实验室和工业侧线试验证明，该组合技术能够高效稳定地脱除油浆中的固体催化剂颗粒，且随着过滤时间延长，过滤效果和处理量不损失，实现油浆脱固装置的高效长周期稳定运行。
2、催化油浆基本性质
催化油浆是一种胶体体系，其示意见图1。沥青质和胶质含量较高、结构复杂,尤其沥青质是一种以稠环芳烃为核心，连接若干环烷烃、烷基侧链和杂原子，具有稳定空间结构的复杂物质[6]。
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图1 胶体体系示意
3、堵塞机理
过去学术研究和工程上普遍认为过滤管堵塞原因是油浆黏度过大，而黏度受温度影响较大，因此过滤时都采用高温来降低黏度，但是效果并不明显。近几年随着对催化油浆成分和过滤技术特点认识的不断加深，发现该结论不成立。陈强等在2017年中国石油炼制科技大会上提出：过滤管堵塞的根本原因是油浆中的胶质、沥青质、稠环芳烃与催化剂颗粒交互作用，形成了具有较强内聚力和黏附力的胶团，滤芯被胶团堵塞[7]。
通过对比试验和微观结构研究发现，过滤管内部存在多个迷宫结构(见图2)，细粉本身是不规则的，通过旋转扭动可以进入迷宫内部，但难以反方向出去，随着与胶体揉合，从迷宫出去的几率就更小。
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图2 过滤管微观结构
工业侧线试验证明采用1 μm及更高精度的过滤介质都会存在堵塞的问题，堵塞后再生无法实现过滤面积的百分百恢复。
4、催化油浆固液分离新技术
根据堵塞机理及油浆的黏温曲线，提出在100～150 ℃的进料温度下，采用预涂过滤+旋错流精滤组合技术，通过定期排出被堵塞的过滤介质(自主专用助滤剂层)彻底解决过滤管容易堵塞，反冲洗再生困难的问题。
4.1 一级预涂过滤
解决堵塞问题，核心在于避免油浆中易堵塞组分和过滤管直接接触。一级预涂过滤，采用竖直叶片式过滤器，以自主专用助滤剂作为过滤介质，将其和滤后油浆(或柴油)混合制备成预涂液，在过滤器过滤叶片上形成稳定滤饼，进行过滤。滤饼对催化油浆中的催化剂细粉进行拦截，当过滤器达到设定压力时，对滤饼吹扫，催化剂颗粒、部分黏附的胶质和沥青质随滤饼排出，有效阻拦胶团体系进入迷宫结构中。过滤过程示意见图3。
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图3 预涂过滤过程示意
4.2 二级旋错流精滤
为保证滤后油浆品质，一级滤后油浆再经二级过滤器进行精滤。二级过滤器采用精度0.5～1.0 μm的梯级金属粉末烧结管，通过设计过滤器内部结构保证内部流场实现旋流，绕管旋流与过滤管之间形成错流，避免过滤管表面快速形成堵塞层，延长二级过滤器处理周期，减小反冲洗次数。旋错流过滤原理示意见图4。
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图4 旋错流过滤原理示意
4.3 组合过滤技术侧线试验效果
采用该组合技术建立了1套处理规模为 1 m3/h 的撬装式工业侧线试验装置，开展了现场试验，工艺流程如图5所示。试验分两个阶段，第一阶段二级旋错流过滤器的滤芯精度为1.0 μm，滤前油浆的平均固含量为3 300 μg/g，滤后油浆的平均固含量为48.0 μg/g，平均固体颗粒物脱除率为98.6%；第二阶段二级旋错流过滤器利用精度0.5 μm的滤芯，滤后油浆平均固含量32.5 μg/g。
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图5 组合过滤技术的工艺流程示意
催化油浆经一级预涂过滤和二级旋错流精滤后，滤后油浆固含量和整体固含量脱除率均能达到生产针状焦的技术要求。以该装置的单个过滤周期处理油浆为基准，对各组分进行物料平衡计算，结果见表1。
图片表1 组合过滤技术的物料平衡
从表1可知，处理1 m3油浆，助滤剂用量仅为1.5 kg，进料中占比仅为1.4‰，共产生11.88 kg废渣，仅占处理原料重量的1.11%，滤后的洁净油浆占原料油浆重量的99.03%。
从物料平衡中可以看出，该组合工艺对油浆的回收率极高，产生的废液量极小，在经济性和三废处理方面均较其他同类技术更有优势。
4.4 固体废渣处理
组合工艺中排出的废渣基本为干燥的块状物，主体为助滤剂和催化剂细粉颗粒的混合物，附着少量由于未完全吹扫携带出的催化油浆。废渣中52.35%为催化油浆，12.63%为助滤剂，35.02% 为催化剂粉末。携带的催化油浆将粉末和助滤剂浸润成块状物，以固态的形式存在，且排出量极少。试验阶段产生的废渣由于总量较少，全部送入循环流化床锅炉(CFBB)燃烧处理。
尝试将催化油浆废渣干燥后与生物质粉末混合，经活化液活化后，在惰性气体环境中进行热解制备活性炭，为该组合工艺产生的固体废渣进行资源化处理探索新路径。
5、结论
通过深入分析催化油浆过滤堵塞机理，开发了两级组合的催化油浆过滤技术。第一级过滤采用叶片式过滤器，通过添加助滤剂，在过滤前进行预涂操作，解决现有过滤技术中普遍存在的堵塞问题。第二级过滤采用安装金属粉末烧结管的旋错流过滤器，通过滤芯精度保证过滤后油浆中的固含量达标。试验结果表明二级过滤滤芯精度为1.0 μm时，滤后清油浆平均固含量达到48.0 μg/g，二级过滤滤芯精度为0.5 μm时，滤后清油浆平均固含量达到32.5 μg/g，平均固体脱除率可达98.6%，能够实现催化油浆中固体颗粒的高效脱除。油浆回收率可达99.03%，且产生废渣少。
通过预涂形成的滤饼实现了对固体催化剂粉末的拦截，有效减少了固体颗粒和沥青质形成的胶团对二级滤芯的堵塞，有利于催化油浆过滤装置的长周期运行，解决了过滤技术存在的易堵塞、难再生的问题，满足催化油浆高附加值利用的质量要求。
