今年是中国炼油化工业采用流化催化裂化40年,提升管催化裂化30年和高效雾化喷嘴20年,是一个值得业界为之纪念的一个年份。
在提升管催化裂化和由馏分油催化裂化向重油催化裂化过渡中，直式进料管很难适应，为了使催化裂化进料喷嘴能够安全、平稳、满负荷长周期地运行，我国的炼油化工专家们围绕着催化裂化进料喷嘴展开的科研攻关至今已整整进行了二十年! 中国石油和石化工程研究会研究员、我国炼油界著名专家陈遒北同志就是其中可敬可佩的一位。她是我国三种专利喷嘴的主研人，也是我国催化裂化进料喷嘴二十年发展进步的见证人之一。
回忆起包括催化裂化、催化重整在内的“五朵金花”来，陈遒北这代人都很自豪和骄傲：当年由大庆开出的第一列油龙，直接驶到了一直加工苏联巴库和库页岛原油的大连石油七厂，使其裂化装置一个月就发生了十六次事故，后来经过全国七十多名各路专家和技术骨干，历时五十天的会战，对松辽原油的加工全面告捷，揭开了中国炼油史上的新篇章，为以后全国其他炼油厂加工大庆原油开劈了道路，形成了一支开发“五朵金花”的科技队伍。今天，催化裂化这朵“金花”已成为我国炼油工业中最基本的骨干工艺，重油加工最重要的手段，尤其是以重质油为原料的催化裂化工艺技术更是成绩喜人。而每忆及这些，我们就不能不想起陈遒北们——这些中国催化裂化进程中不可或缺的喷嘴研究、设计专家。是他们孜孜以求的不懈努力使我国的高效雾化进料喷嘴不断地达到世界先进水平。
催化裂化工艺发展非常迅速，由于原油是不可再生的资源，所以，“吃光榨尽”一直是炼油业界的追求，与此同时，还有一个永恒的目标即：将黑色的石油，生产出绿色的能源。原油变劣变重，是一个世界性的状况和趋势，我国也不例外，这就给二次加工的催化裂化带来了诸多问题。
1965年5月，我国第一套流化催化裂化装置（FCCU）在抚顺石油二厂建成投产后的18年中，我们一直以馏分油也可说是蜡油为原料，吃的是“细粮”，根据国情，我国的FCCU需要向重质油为原料的方向发展。到了1983年，北京院（即现中国石化工程建设公司）与有关科研、生产单位一起，将石家庄炼油厂120万吨／年的高低并列式馏分油催化裂化装置改造成为大庆常压渣油催化裂化。之后，九江石化总厂于1984年将120万吨／年加工馏分油装置改造为加工管输油掺炼减压渣油的催化裂化装置。这期间，进料油的雾化质量一直困扰着业界的人们。就是在这时，陈遒北开始在进料喷嘴上做起了文章。
陈遒北不但在加热炉燃烧器火嘴的研究领域上颇有成就，在转入提升管催化裂化进料喷嘴的研究中也出手不凡，思维超前。她最早介入喷嘴研究是在1984年，也就是我国从蜡油催化裂化向重油催裂化发展的最初时期，她便主导了洛阳石化设计院设备所的Y型进料喷嘴的研究、开发工作，这项研究是以锅炉用Y型燃烧器结构为基础，借助于机械和气流双重作用而将进料油雾化。在以馏份油为催化裂化原料时，采用Y型喷嘴比喉管喷嘴焦炭产率下降0.2%，轻油收率提高0.5%，因此效果很好。
当时，尽管Y型喷嘴的雾化情况很好，油雾粒径为53μm，喷嘴出口速度高、耗汽量也少，但也暴露出了一个致命弱点，即容易堵塞和短期内即发生喷嘴的严重磨损，从而阻力大增、进料量下降。这就导致了它的消失。接下来陈遒北和她的同事们又开始研究开发出LPC－1。
依据流体动力学常识，只要增加喷嘴的流速和蒸汽量，则必然获得良好的雾化效果。然而，高流速不但增加催化剂的破碎损耗，而且造成喷嘴自身的冲蚀，进而改变了压降，影响雾化。况且，单纯增加蒸汽量就是增加能耗。为此，陈遒北把如何摆正和做好原料雾化粒径、射流速度、雾化蒸汽量、催化剂破损度、装置长周期运行、结焦和喷嘴的冲蚀等诸多元素的关联确定为主研方向的关键。
有幸的是，正在此时，陈俊武院士指出：“优秀的技术当以综合效益为目标函数，必须分析其微分效果，不宜仅从积分效果考虑：……”。陈俊武院士一席话成了她研发的指导观点。从而，确立了LPC－1的五大性能。
1）使原料油迅速气化，为此，要求雾化粒径小而均匀；
2）使雾化的原料油能迅速、均匀、充分地与催化剂接触，为此，要求喷嘴的油雾在提升管截面上形成的覆盖面要尽可能地大而薄；
3）能耗低，为此，要求蒸汽量和压降低；
4）合理的喷射速度，即获得好的雾化效果，不致于导致器壁结焦，又不破坏催化剂，甚至引起设备振动；
5）确保雾化的高效、安全、平稳和长周期（至少三年）的运行，这一点很重要，因为长周期运行是持续降本增效的基础。所以，要求喷嘴结构简单、操作方便、性能可靠、耐冲蚀并有一定的操作弹性。
在对国外1964－1979年间8种专利喷嘴做了分析后陈遒北认为：虽有螺旋型、扩散管型、带分散锥型等多种形式，但其雾化机理主要取决于两种作用，一是雾化介质冲击原料油，二是原料油形成紊流与周围介质撞击，两种作用均需高流速，仅这一点就不能满足上述的“五大性能”。为此，她把视线移向在国际上占领先地位的Total喷嘴，并将它锁定为赶超的目标。
LPC－1经过两年多的努力研发取得了成功。1990年中石化鉴定为：能耗与雾化效果优于目前属于世界领先水平的美国Total产品，其他指标持平。并相继获得了1990年度中石化“科技进步二等奖”和1997年“中国专利发明创造金奖”。为解决喷头形成的浸润性液膜会在其出口处增厚的缺点，她于20世纪80年代末，还创新和首先独家采用了前所未有的鸭嘴形锐角结构，即扁平口的边缘带有锋利锐边的矩形喷口。油滴直径的分布与催化剂平均粒径的分布相当，以利于催化裂化反应，同时，使油雾呈扇状薄层铺开，扩大其在提升管横截面上覆盖的面积，达到油、汽与催化剂充分而均匀地接触，和有效减小喷嘴压降（一般在0.3～0.6MPa）的目的，因而适于国内各炼油厂使用。由于结构独到、特殊，保证了油、汽互不影响，即使油压高于蒸汽压力时，也不会发生油、汽倒串，不仅喷口不结焦、不堵塞而且产品分布也好。洛阳石化总厂1995年将喉管式改为LPC－1型后，原料仍全部为常压渣油，残炭值不变情况下，与偏Y－15、共Y－15、CRC－1和KBZ四种催化剂，或几种催化剂混合使用相对比，实践结果表明，采用LPC－1以后不但生焦率降低0.5%以上，反应温度降低了4℃，而且在催化剂活性降低了6%的情况下，总转化率却上升了3%～4%，总液收还提高1%～2% 。
20世纪90年代中期，随着原油的逐渐变重、变劣，或常减压蒸馏装置的一再深拔，而导致供给催化裂化原料油的比重、粘度、残炭骤然大增，此时的LPC－1喷嘴便难以适应变化了的新情况，而逐渐显现出自身的不足——雾化效果不够理想。因此，他们认为必须适时地予以改进。
LPC－1研发之初，便确定其射流速度为40m～60m/s，当时他们并不了解20世纪90年代后期国外的实验结论：原料油的射流超过了70m/s时，将产生对催化剂的撞击和切割现象。当时，国外催化裂化装置运行周期的先进水平已是3～5年，而我国呢，据中石油2002年对21套催化裂化装置调查的结果得知其平均运行周期为476天。有关资料显示：我国90%在用装置的运行周期一直在1～2年之间徘徊。可以想象，20世纪90年代中后期何谈其长周期？
当时，采用的高流速喷嘴从表面看，不但在实验室可以检测到良好的雾化效果，而且在实际使用中也有良好的表现。微妙的是一年余的磨损周期与当时多数装置运行的周期大致相当。使冲蚀造成偏离原设计工况的喷嘴天赐良机地得以及时更换。
现在，高流速喷嘴在用户不断追求装置“长周期运行”目标的需求下，也采取了或降速，或改变流场模型的方式加以适应。尤其中国石化在2005年4月下旬召开的“炼化企业长周期运行经验交流会”上明确提出：近几年内主要装置要实现的长周期运行目标中，催化裂化要达到两年以上。
因此，LPC－1喷嘴的构思，是具有前瞻性的理念和机理，至今仍保持了其先进性，而且，LPC喷嘴技术仍在广泛使用中，当然，随着实践经验的不断积累，也必将有创意新锐的技术被发现，和新一代产品的跟进。
陈遒北在1996年进行CCK研发工作中，已十分了解喷嘴采用高、低流速的机理，而且二者市场运作差别又大，那么，她为什么仍采用低流速呢？
陈遒北之所以为CCK选用低流速，是由于她坚信“综合经济效益目标函数”是喷嘴研发的正确方向。不是吗？“长周期运行”、“降低剂耗”、“重视环境”引起人们重视的这一天已经到了。结焦是可预防的，但她也绝没有放弃追求更好的雾化效果。为此，她筛选到了“二次进气多次雾化”流场模型和相应的数学关联式后，于1998年秋，在CCK喷嘴上便采用了低流速，并获取了雾化液滴的平均粒径低于60μm，经西北工业大学对比检测，超过了高流速喷嘴的雾化性能。
CCK喷嘴于1998年首用于洛阳石化总厂后，与原来LPC－1型喷嘴相比较，生焦量降低了0.5%～1.2%，轻油收率提高了0.9%～1.6%，用于克拉玛依、九江石化等其他厂的效果也颇为理想。
2004年，炼油板快连续第二年各项考核指标均实现了达标，其中，综合商品率首次突破93%，轻油收率首次突破74%，提前完成了“十五”达标规划。2004年是炼油历史上第一次实现主要装置满负荷运行整整一年。但是，炼油专业五大类装置达标率仅为40%，其中催化裂化装置的达标率仅35%。2004年，非计划停工达到了33次，178天，严重影响了技术经济指标的实现，影响了有效加工能力，造成成本费用大幅上升，在影响达标率的诸因素中首要的就是“催化裂化结焦、跑剂”这个老问题。
对此，陈遒北认为：轻油收率的首次突破，主要装置的满负荷运行达一年，确实是炼油业历史上的第一次，很令人高兴！至于非计划停工，她分析主要是由于炼油装置持续处于高负荷(365天)地运行，加工的原油品种又多样化和高硫原油量的不断增加等原因成了制约炼油长周期、高负荷运行的瓶颈。她说，中石化把催化裂化结焦放在非正常停工原因的第一位，确实不得不引起业内人士的重视。针对催化裂化装置的原料油趋向重质化、劣质化，给工艺过程带来了难于裂化、焦炭产率高及设备结焦等问题，陈遒北认为，采用高效进料雾化喷嘴是解决此问题的有效途径之一。
业内人士知道，用于提升管的各种进料高效雾化喷嘴的相继出现，有力地推动着催化裂化技术的发展进程，它的作用非同小可，它的性能和质量好坏更是关键。那末，如何评价我们国产的喷嘴呢？如何研发出雾化效果和结构一代更比一代好的喷嘴呢？
陈遒北说，二十年来，国外喷嘴在我国市场的占有率一直很低，这点说明了国产喷嘴的水平，这是多么令人自豪和骄傲的。从引进国外先进喷嘴的使用来看，其性能并不比国产喷嘴有多么明显的优势。科技界公认的一句名言：所得低于所可得，所费高于所当费，都是一种浪费。对喷嘴来说，还是要以其综合效益为目标函数，采用微分效果分析的优化技术，寻找出彼此利好、多赢的解决途径。
我国催化裂化进料喷嘴的研究，始于1985年，至今已整整二十年。而陈遒北与之同步研发和追求其综合经济效益目标函数也已二十年。她结合最近几年的情况谈道： 2003年锦西石化100万吨／年重油催化裂化装置进行双提升管改造时，采用了CS喷嘴，运行至今年3月装置检修前标定：显微观察确认不破坏催化剂；雾化蒸气量3%，总液收率设计87%，标定为88.2%，检修确认提升管、沉降器的无结焦，喷嘴出口处无几何形状改变、无磨损痕迹。以上只用算术法简算就明了显著的综合经济效益。
据粗略统计，可以载入我国炼油史册的提升管进料高效雾化喷嘴，从上世纪80年代初起，首先在镇海石化总厂催化裂化装置上使用的喉管式进料喷嘴，和80年代中期有些装置采用了陈遒北主导设计的“Y”型进料雾化喷嘴开始至今，我国设计使用了包括中科院在内的各研究、设计单位和各高等院校的各种型式的进料喷嘴有14类之多，其中，陈遒北亲自主持开发研制的就有四种型式（占四分之一强），而且从最初多孔式到曾为国内应用最多、也适合国内各炼厂的LPC－1，再到我国业内人士中她最早在1997年提出的二次进汽、采用多级雾化机理而开发成功的CCK型喷嘴，直至2000年构思、2002年又开发成功、于2003年工业化应用的CS新型催化裂化进料高效雾化喷嘴。
陈遒北是见证了中国催化裂化提升管进料雾化喷嘴整个历史发展进程的人，也是有影响的资深专家。她在科学研究中颇具颠覆性即反传统的新锐思维和从微分效果分析对待综合经济效益的理念。尽管具有独立自主知识产权的CS喷嘴是她二十年来孜孜追求的较为完美的体现，但是，随着炼油技术的发展、随着原料油性质的变化、催化剂不断的改进和产品分布不同的要求，将会对喷嘴结构及其雾化效果提出更高的要求，她说，人们将永会无止境地研发下去，开发出一代更比一代好的新型高效雾化喷嘴。□