背景介绍

FCCU介绍

流体催化裂化装置（FCCU）能够将重质的低价值原料转化为多种高价值产品，例如汽油、柴油和其他轻质气体。而且该工艺十分灵活，可通过改变操作条件和催化剂用于多种原料的处理，实现多种产品的生产。

面临的问题与挑战

过去基于经验对催化裂化装置FCCU操作条件调整或进行硬件更改后，经常会出现运行不稳定、生产效率降低等问题，这些通常是由于前期的调整方案设计不合理导致的。因为经验一般是对过去已有问题的总结，对于新的方案和未出现过的问题往往无法预测。而实际装置更改出现问题后具体原因常常难以通过实验测定的手段进行分析，如果能够前期对预期的调整方案执行虚拟测试，将会大大提供改进方案的成功性，并有望将计划修改的意外、不利影响的风险最小化。

相关案例介绍

吉朗炼油厂（图1）以前隶属于皇家荷兰壳牌集团，是澳大利亚四个炼油厂之一，拥有700多名员工。该炼油厂每天处理约120,000桶原油，能够满足维多利亚50％以及澳大利亚10％的燃料需求。同时还为附近的LyondellBasell聚丙烯工厂提供原料。

吉朗炼油厂渣油催化裂化装置（RCCU）建于1992年，日处理原油量为40,000桶，在2011年的一次检修重整期间进行了多次硬件更改。开车后，发现经常出现后燃现象（此处定义为再生器浓相与烟道之间的温差）。完全燃烧机组运行的烟气温度非常接近限制温度，而且烟气温度峰值波动频繁，经常突然出乎意料地升高，需要操作人员迅速而频繁地干预。由于这些问题炼油厂最终不得不将某些原料的成品率降低了近10％，每天对炼油厂的总体经济影响达数万美元。

图1 澳大利亚吉朗炼油厂

CPFD 解决方案

计算模型

CPFD方法是一种欧拉-拉格朗日双向耦合的计算方法，流体采用欧拉方法，通过求解Navier-Stokes方程来描述流场；颗粒相采用拉格朗日方法，根据MP-PIC数值方法（Multiphase particle-in-cell method）进行颗粒求算。通过三维瞬态模拟气体催化剂的流体动力学、热力学行为和焦炭燃烧动力学，能够测试过去、现在和未来的结构影响。

图2 再生器几何模型示意图

吉朗炼油厂的RCCU再生器的计算模型如图2所示。12个初级旋风分离器分布在反应器的上部，浸入管将催化剂返回到再生床。使用单个再生催化剂立管料斗在床顶部附近抽取再生催化剂。来自反应器汽提塔的待生催化剂通过待生催化剂入口装置（SCID）进入床中间的再生器。配置空气格栅，并为每个空气格栅喷嘴定义模型边界条件。最后，两个催化剂冷却器从密相床中取出催化剂，除去热量并将催化剂返回到反应器底部。

在模拟潜在变化之前，首先使用该模型来了解当前和历史运行情况。基准案例模型的主要目的是判断后燃的根本原因，实现有针对性的更改和基准测试，从而可以在虚拟仿真中量化未来的改进。在确定有关2016年检修重整的决定之前，模拟了2011年之前和2011年之后的运行。

表1汇总了2011年所做的调整。设计调整包括：安装新的SCID，以及移除催化剂冷却器顶部的料斗。同时，操作条件也发生了显着变化。检修重整后，催化剂循环量增加4.4％，空气速率增加15％。SCID的更换需要对SCID通风进行重大更改，同时还需对催化剂冷却器的运行进行轻微更改。

表1 2011年设计和运行变化总结

如表1所示，在2011年检修重整前后，再生器经历了设计和运行方面的变化。那么哪一个才是导致后燃增加和温度峰值波动的根本原因呢？为此，分别对应进行了仿真分析。

模型结果和发现

基准模型瞬态仿真结果如图3所示，最左侧为催化剂密度云图，可以观察到几个明显的流化区，比如模拟前预料到的在空气集合管下方存在着流化不良。从空气格栅直至围绕区域变化的高程都可以看到流化良好的密相床。在此高度以上，在稠密相中观察到的气泡和湍流混合行为被飞溅区和随后的稀相所取代，该稀相一直持续到旋风分离器入口的高度。所有气体均在旋风分离器入口处从再生器中排出，并且反应器上半球中几乎没有催化剂存在。

图3 基准模型仿真结果

图3左起第二个视图为催化剂颗粒温度云图。从图中可以看出，在靠近待生催化剂入口位置的底部、左侧或左侧的空气格栅处，颗粒温度较低。催化剂在混合和焦炭燃烧时迅速加热到再生器的工作温度。床层温度在径向和轴向上均有变化，其中最高的颗粒温度存在于密度较低的上层稀相区。如果燃烧时颗粒物较少，则温度升高幅度更大。

图3中左起第三个视图显示了通过沿模型中线切片上的氧含量(O2)。O2在注入口附近含量较高，随着高度的增加而降低。通过模型顶部可以看到，O2会以气泡的方式穿过密相床层，而在稀相中存在着过量的氧气。

图3中最右侧视图显示了同一中心线切片上的一氧化碳含量（CO）。这个视角特别能说明问题，更多的CO存在于该装置的西侧，大量的CO进入西侧的旋风分离器。在实际操作中，这个完全燃烧的再生器有点像西区的局部燃烧装置。

CO不均匀分布为Viva的能源工程师提供了第一个线索，找到了可能导致后燃问题的根本原因。很明显烟道气体温度峰值与CO与O2的局部燃烧有关。虽然有大量的O2存在，但它并没有与装置中的CO均匀混合，导致后燃现象。然而，问题仍然存在：为什么CO在西半区比东半区高?

为了搞清楚这个问题，进一步研究了待生催化剂的分布。图4仅显示了停留时间小于10秒的待生催化剂温度。

图4 待生催化剂分布不均(2011年前后)

从图4可以看出，2011年之前的配置能够更好地将待生催化剂快速分配到再生器上。进一步对模拟结果进行定量分析发现，2011年之前，在装置的东半区只有21%的颗粒停留时间不到10秒的颗粒；而2011年之后变得更糟，只有11%的颗粒在不到10秒的时间内越过了单位中心线。

这种分布不均不仅引起在最靠近SCID的西侧CO浓度的升高，同时也导致再生器中O2浓度较高。图5为旋风分离器横向剖面上的O2摩尔分数。对2011年后的模拟发现，O2分布不均的问题更加显著，这也进一步引发了温度峰值的波动。

虽然没有关于再生器内部气体成分的数据，但对下游的烟气成分进行了测量，并与再生器的模拟结果进行了比较，如图6所示，可以看出模拟结果与实测数据的幅度和趋势基本一致。但模拟结果会偏高于实测数据，这大概是因为模拟结果是在旋风分离器入口处获取的，而实际数据是在第三级旋风分离器的下游测得。烟道内的燃烧降低这两个位置之间的模拟O2浓度，这一点从观察到的后燃现象也能证明。

图6 过量O2验证

过量O2验证表明，仿真结果反映了实际情况。过量的O2与CO在集气室中混合，导致性能下降，而根本原因是在反应器中更低，比如待生催化剂入口装置SCID。该模型与历史观测数据相吻合，证明了同样的模型预测未来变化的可靠性。

然后采用该模型对2016年调整计划进行了模拟预测。表2汇总了2016年计划的调整。设计调整包括将SCID恢复为2011年前的配置以及对空气喷嘴进行了一些优化（未对催化剂冷却器的进料斗进行任何调整）。在操作条件上，计划维持较高的催化剂循环量，但是空气速率可以稍微降低。催化剂冷却器的运行计划不进行任何更改，但是要恢复SCID设计，需要对SCID通风进行更改。

表2 2016年设计和运营变化总结

图7显示了这些变化对待生催化剂分布的影响。类似于图4，图7仅显示了停留时间小于10秒的待生催化剂温度。整体上看，如预期的一致，有所改善。定量分析表明，与2011年之前的运行情况差不多，在10秒内到达装置东侧的待生催化剂从11％增加到25％左右。

图7 改进后的待生催化剂的分布

结论

通过模拟表明，计划的改进方案有望解决导致分布不均的根本原因，因此吉朗炼油厂对2016年检修之前计划的调整方案充满信心。所有模拟调整均于2016年得以实施。

通过调整的运营数据确认了成功。2016年检修重整前后12个月的数据显示，重新开车后，平均后燃温度降低了5°C，最大日处理量提高了4％，操作人员的干预次数减少了75％。

非凡能源-吉朗炼油厂通过CPFD技术不仅降低了检修调整风险，而且解决了后燃问题，提高了运行产能。希望吉朗炼油厂的案例和经验能够为广大FCCUs运行商提供参考和解决类似问题的方向。