2號催化裂化裝置三級旋風(fēng)分離器技術(shù)改造

楊家兵

(中國石油化工股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430082)

1 項目改造背景

某2號催化裂化裝置為高低并列式催化裂化裝置，處理能力為1.00 Mt/a重油。裝置1995年8月建成投產(chǎn)，2010年起，三旋性能開始出現(xiàn)波動，出口煙氣激光粒度儀所得到的數(shù)據(jù)波動較大，煙氣手工采樣的樣品中粒徑小于10.00 μm的只占總顆粒體積的84.55%，未達(dá)到煙機入口粉塵粒度控制指標(biāo)[D(V，90%)≤ 10.00 μm]的要求，最大顆粒粒徑達(dá)到了18.58 μm，表明三旋出口煙氣中含有大顆粒，分離能力明顯下降；由此，2010～2011年間，煙氣輪機(簡稱煙機)多次發(fā)生因催化劑結(jié)垢造成的煙機轉(zhuǎn)子動葉片斷裂、葉片頂部磨損等故障，導(dǎo)致被迫停機進(jìn)行清垢和更換動葉片處理，嚴(yán)重影響了能量回收系統(tǒng)的正常運行。因此，需要對三旋進(jìn)行改造，提高其分離性能，保證煙機的長周期安全運行。

2 原三級旋風(fēng)分離單元主要結(jié)構(gòu)及存在的問題

原三級旋風(fēng)分離器單管采用VAS-250型旋風(fēng)管，數(shù)量為64根，安裝布管如圖1 所示。因三旋在高溫下長期運行，單管吊筒上、下隔板發(fā)生較大變形，導(dǎo)致單管旋分部件不對中、間隙不均勻，已經(jīng)嚴(yán)重影響單管分離效率，需進(jìn)行升級改造。

3 三旋改造方案

3.1 核心分離部件——導(dǎo)葉式旋風(fēng)管

鑒于目前立管式三旋的分離性能已顯著下降并對煙機的運行造成嚴(yán)重影響，故決定對其進(jìn)行改造。本次改造三旋殼體利舊，分離元件改用由中國石油大學(xué)(華東)開發(fā)的導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離技術(shù)，其核心部件為PSC-300型導(dǎo)葉式旋風(fēng)管。這種高效低阻型旋風(fēng)管的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，其突出的性能優(yōu)點是對10 μm以下的細(xì)顆粒分離能力強，能有效降低三旋出口細(xì)粉濃度，延緩煙機內(nèi)催化劑結(jié)垢趨勢，保證煙機長周期運行。

3.2 三旋工藝參數(shù)

三旋工藝參數(shù)見表1。

3.3 單管數(shù)量的確定

選用PSC-300型旋風(fēng)管，其正常操作工況下額定處理量為3 000 m3/h，則：

三旋正常操作時所需要單管數(shù)量為：

選用35根PSC-300型旋風(fēng)管，實際單管處理風(fēng)量為3 027 m3/h，在此工況范圍內(nèi)，立管三旋分離性能應(yīng)能夠達(dá)到以下指標(biāo)：

1) 三旋出口煙氣催化劑含量不大于120 mg/m3；

2) 三旋出口煙氣粉塵粒度中大于10 μm的顆粒體積百分比不大于1%；

圖1 原立管式三旋內(nèi)吊筒的結(jié)構(gòu)與布管方式示意

圖2 PSC-300型旋風(fēng)管的結(jié)構(gòu)形式表1 三旋工藝參數(shù)

參數(shù)正常操作值進(jìn)入再生器主風(fēng)量(總)(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))/(m3·h-1)92 700再生器頂部壓力P/MPa(表)0.230再生器頂部溫度T/℃676煙風(fēng)比k1.07再生器一、二旋總壓降/kPa6.7催化進(jìn)料G/(t·h-1)132催化劑單耗(自然跑損)(油)/(kg·t-1)0.76三旋進(jìn)口壓力P/kPa(表)220三旋進(jìn)口溫度T/℃680三旋壓降/kPa9.0三旋進(jìn)口總煙氣量(正常操作工況下)/(m3·h-1)105 933.3臨界噴嘴前溫度T1/℃643臨界噴嘴前壓力P1/MPa(表)0.206臨界噴嘴后溫度T2/℃532臨界噴嘴后壓力P2/MPa(表)0.012臨界噴嘴喉口直徑d/mm65臨界噴嘴管道直徑Do/mm219

3) 三旋總壓降不大于12 kPa，誤差±10%。

3.4 三旋內(nèi)吊筒整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

立管式三旋的內(nèi)吊筒結(jié)構(gòu)及布管方式如圖3所示。由圖3可見，該三旋共35根PSC-300型旋風(fēng)管，其布置方式為φ3 000 mm的內(nèi)圈排17根旋風(fēng)管，φ3 800 mm的外圈排18根旋風(fēng)管。為提高內(nèi)吊筒在高溫下的強度和穩(wěn)定性，上隔板采用內(nèi)壓球面形封頭，球面半徑為SR4600 mm，厚度為25 mm； 下隔板采用標(biāo)準(zhǔn)碟形型封頭，隔板厚度取25 mm。

3.5 內(nèi)置式四旋的設(shè)計

原裝置三旋的泄料系統(tǒng)中沒有四旋，三旋分離下來的廢劑直接排到廢劑罐中，經(jīng)重力沉降后收集起來，凈化后的煙氣經(jīng)臨界噴嘴進(jìn)入主煙道。由于廢劑罐的容積較小，從三旋進(jìn)入的煙氣攜帶的分離下來的催化劑細(xì)粉很容易逃逸，造成廢劑罐中收不到細(xì)粉，從而增加了下游脫硫系統(tǒng)對粉塵處理的負(fù)荷。因此，本次改造需要增加四旋，使其既能順利將細(xì)粉從三旋中排出到廢劑罐中，又能夠凈化煙氣，保護臨界噴嘴后的下游設(shè)備。由于現(xiàn)場空間有限，常用的外置切流式四旋無法安裝，因此，采用中國石油大學(xué)(華東)開發(fā)的內(nèi)置式四旋，分離元件仍為導(dǎo)葉式旋風(fēng)管，并把四旋單管直接放入廢劑罐中，如圖4所示。

圖3 立管式三旋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及布管方式

圖4 內(nèi)置式四旋安裝示意

四旋單管的處理氣量由臨界噴嘴的泄氣量決定?？筛鶕?jù)表1中操作參數(shù)，由式(1)計算得出。

(1)

式中：qm——流過臨界噴嘴的質(zhì)量流率，kg/s；

C——孔板型臨界噴嘴的流量系數(shù)，取0.89；

γ——絕熱系數(shù)，取1.4；

R——煙氣的氣體常數(shù)， J/(kg·K)；

P1——臨界噴嘴入口絕對壓力，MPa；

T1——入口溫度，K；

d——孔板喉部直徑， m。

則四旋的處理量為：

(2)

式中：P3——廢劑罐入口絕對壓力，MPa；

T3——廢劑罐入口溫度，K；

ρm——煙氣在臨界噴嘴入口處的密度，

kg/m3。

上述參數(shù)取值如下：

R=287.64 J/(kg·K)，P1=0.306 MPa，

T1=916 K，d=0.065 m，P3=0.316 MPa，

T3=925 K，ρm=1.10 kg/m3。

由式(1)和式(2)計算可得，四旋在操作工況下處理煙氣量為：Qm=3 085 m3/h。因此，取1根PSC-300型旋風(fēng)管即可滿足四旋的分離要求。

4 三旋分離性能熱態(tài)采樣標(biāo)定

本次三旋改造于2016年4月進(jìn)行，10月煙機運行正常后，為考核三旋運行狀態(tài)及分離性能，保證煙機長周期安全運行，中國石油大學(xué)(華東)技術(shù)人員對催化裝置三旋出口煙氣含塵量進(jìn)行了熱態(tài)采樣標(biāo)定。

4.1 采樣測試方法與原理

本次采樣對三旋出口煙氣中催化劑濃度及粒度分布進(jìn)行采樣標(biāo)定。采樣口設(shè)在垂直立管段上，位置符合采樣規(guī)范要求。三旋出口煙氣直管段較長，管內(nèi)氣流較穩(wěn)定，粉塵分布較均勻，同時裝置操作一直很平穩(wěn)。采樣技術(shù)采用美國ASME提供的等動采樣方法。采樣時，將采樣嘴直接置于煙氣氣流中并正對氣流方向，含塵煙氣中的粉塵由外置的采樣濾筒過濾下來。根據(jù)采樣氣量和收集的粉塵質(zhì)量，計算出采出煙氣中的粉塵濃度。粉塵粒度分布用LS230型激光粒度分析儀進(jìn)行分析。根據(jù)采樣規(guī)范的要求，在煙氣管道半徑范圍內(nèi)布置4個測點。每個濾筒對2個位置進(jìn)行采樣，分別采樣200 min以上。采樣流程如圖5所示。

圖5 三旋出口煙氣采樣流程

4.2 煙氣中催化劑含量檢測結(jié)果

經(jīng)采樣標(biāo)定，標(biāo)準(zhǔn)工況下三旋出口煙氣中催化劑干基濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為99.6 mg/m3，濕基濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為92.5 mg/m3，滿足煙機入口條件。

4.3 采樣粒度分析

三旋出口煙氣采樣粒度分布如圖6所示。(注：改造前后分別由2家不同單位進(jìn)行采樣，采樣儀器雖不同，但粉塵粒度分布均采用激光離子分析儀進(jìn)行分析；從煙機檢修現(xiàn)場情況分析，改造前粉塵量很大，改造后粉塵量明顯減少。)

由圖6中采樣顆粒的粒度分布曲線可知：三旋出口煙氣中全部是10 μm以下的細(xì)顆粒，完全達(dá)到煙機的入口條件要求。

圖6 三旋出口煙氣采樣粒度分布

4.4 三旋總壓降

實測三旋總壓降為13 kPa，基本達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求。

5 結(jié)語

針對催化裝置煙機運行出現(xiàn)的問題，在原有三旋殼體內(nèi)，采用35根新型PSC-300型導(dǎo)葉式旋風(fēng)管、1根單管的內(nèi)置式四旋的方案進(jìn)行改造。改造完成重新開工后，三旋、四旋均運行平穩(wěn)?，F(xiàn)場對三旋出口煙氣在線采樣標(biāo)定的數(shù)據(jù)顯示，煙氣中催化劑濃度及粒度均達(dá)到煙機入口條件要求，廢劑罐能夠正常排出三旋細(xì)粉，為煙機長周期安全運行提供了有力保障。