再生器底部過(guò)濾器免拆清理裝置研究

趙連川，張勝會(huì)，李俊偉，付春雨，張文冬，趙澤雨

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司，河北 石家莊 050032；2.中國(guó)石油化工集團(tuán)公司能源管理與環(huán)境保護(hù)部，北京 100728；3.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206)

1 存在問(wèn)題

催化汽油吸附脫硫(簡(jiǎn)稱S Zorb)裝置是汽油產(chǎn)品升級(jí)的最后一道工序，在該裝置中，催化汽油經(jīng)吸附脫硫、穩(wěn)定工序變?yōu)榈土蚓破停腿胗推氛{(diào)和單元生產(chǎn)清潔汽油產(chǎn)品，其加工流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 S Zorb裝置反應(yīng)-再生加工流程示意

吸附劑經(jīng)再生后循環(huán)使用。再生過(guò)程中吸附劑形成的塊狀物被再生器底部的過(guò)濾器攔截(見(jiàn)圖2)。塊狀物經(jīng)常堵塞過(guò)濾器，影響吸附劑正常運(yùn)轉(zhuǎn)。生產(chǎn)中操作條件越苛刻(如原料硫含量高、吸附劑再生強(qiáng)度大、硅酸鋅生成速率增加)，結(jié)塊越嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致吸附劑循環(huán)長(zhǎng)時(shí)間中斷，裝置被迫停工【1-3】。

圖2 過(guò)濾器安裝位置示意

從發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器堵塞到清理完畢，最快也需要1 h，而且清理過(guò)程還會(huì)排放少量吸附劑粉塵，污染環(huán)境。清理期間還經(jīng)常遇到螺栓拆卸困難、閥門(mén)開(kāi)關(guān)困難等意外情況，導(dǎo)致處理時(shí)間加長(zhǎng)。且過(guò)濾器一旦堵塞，往往需清理3次左右，才能徹底將其清理干凈。由于過(guò)濾器清理導(dǎo)致吸附劑循環(huán)長(zhǎng)時(shí)間中斷，常引起產(chǎn)品硫含量超標(biāo)、新鮮原料汽油切除、再生被迫熄火等問(wèn)題，嚴(yán)重影響裝置平穩(wěn)運(yùn)行【4-5】。

2 原因分析

S Zorb再生器原過(guò)濾器的設(shè)計(jì)理念是吸附劑塊狀物經(jīng)過(guò)濾芯時(shí)被攔截落入過(guò)濾器底部，過(guò)濾器繼續(xù)發(fā)揮過(guò)濾作用。但是在生產(chǎn)運(yùn)行中的實(shí)際情況是，吸附劑顆粒立即落入過(guò)濾器底部不再流化，處于“死床”的狀態(tài)，同時(shí)還占據(jù)了容納吸附劑塊的空間，正常運(yùn)行中被攔截的吸附劑塊狀物只能留存在濾芯流通的截面上，使得濾芯流通面積減少，吸附劑循環(huán)受阻，最終導(dǎo)致吸附劑循環(huán)中斷【3】(見(jiàn)圖3)。因此，過(guò)濾器收納空間受限是過(guò)濾器堵塞頻繁的原因之一。此外過(guò)濾器孔徑較小，是過(guò)濾器堵塞頻繁的另外一個(gè)主要原因【6】。

圖3 過(guò)濾器受阻情況示意

3 改造方案

3.1 改造思路

針對(duì)過(guò)濾器運(yùn)行工況(溫度500～520 ℃、壓力0.13～0.18 MPa、粉塵輸送流速1.0～1.3 t/h)，需要研制一款耐高溫、易轉(zhuǎn)動(dòng)、高強(qiáng)度的破碎裝置，以緩解硬塊堵塞過(guò)濾器的情況【7-9】。研究吸附劑塊發(fā)現(xiàn)，正常生產(chǎn)中結(jié)塊的速度和質(zhì)量都處于一個(gè)較低的水平，且結(jié)塊質(zhì)地松軟。結(jié)合上述情況，設(shè)計(jì)出一款可以在線破碎吸附劑塊的裝置【10】(見(jiàn)圖4)，安裝在過(guò)濾器內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)濾器堵塞現(xiàn)象后，搖動(dòng)該裝置，即可破碎吸附劑塊。這樣不僅可以解決操作工勞動(dòng)強(qiáng)度大、產(chǎn)品質(zhì)量和處理量受到影響的問(wèn)題，還可以減少清理過(guò)程因吸附劑外排造成的環(huán)境污染。

圖4 吸附劑塊破碎裝置構(gòu)想

3.2 改造技術(shù)研究

3.2.1 葉片及攪拌功率設(shè)計(jì)研究

再生器底部過(guò)濾器堵塞的塊狀吸附劑為粉體混合物，粉體的流變性和流變特征適用流動(dòng)法的狹縫法【11】。吸附劑結(jié)塊機(jī)理為3ZnS+5.5O2=Zn3O(SO4)2+SO2，形態(tài)變化后硬度上升為5～5.5 HRC。正常生產(chǎn)過(guò)程中葉片的工作溫度為480～510 ℃,此溫度范圍內(nèi)普通碳鋼的硬度為(34±2)HRC,由此可見(jiàn)，葉片選用碳鋼材質(zhì)即可滿足生產(chǎn)需求【12】。

固體顆粒在再生器底部過(guò)濾器內(nèi)的懸浮狀態(tài)按照Oldshue J P所述，為有沉積帶且不斷增長(zhǎng)的狀態(tài)，其沉降速度μtt按式(1)計(jì)算。

μtt=μt(1-φv)4.56

(1)

式中：μtt——密集狀態(tài)下的沉降速度，m/s；

μt——自由沉降速度，m/s；

φv——固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)，%。

參照攪拌設(shè)備【7,13】，考慮到轉(zhuǎn)速在1～100 r/min 之間、葉端線速度1～5 m/s、介質(zhì)粘度小于2 000 mPa·s，設(shè)置葉片數(shù)為2。

研究比對(duì)后，最初決定將葉片設(shè)計(jì)為圓柱形，采用電機(jī)作為動(dòng)力，靠葉片快速旋轉(zhuǎn)破碎吸附劑塊【6】。

攪拌功率P按照算圖法【7】進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)式(2)。

P=NpρN3d5

(2)

式中：P——攪拌功率，W；

Np——功率特征數(shù)；

ρ——密度，g/cm3；

N——轉(zhuǎn)速，r/min；

d——葉輪直徑，cm。

計(jì)算結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)成手動(dòng)方式破碎效果較好，操作工勞動(dòng)強(qiáng)度也低，但是填料密封與軸的摩擦速度快，密封的使用壽命短、泄漏風(fēng)險(xiǎn)大，并且該位置不具備電機(jī)接電安裝的條件。因此，將葉片設(shè)計(jì)為刀片形式，葉片正面開(kāi)刃，并將葉片邊緣處切削為銳角，該結(jié)構(gòu)既可滿足葉片強(qiáng)度要求，又可以確保在低速下吸附劑塊的破碎效果。僅考慮軸承所承受的主要載荷，同時(shí)不考慮疲勞失效，即軸承受純扭矩，截面上僅產(chǎn)生剪切應(yīng)力，則最大剪應(yīng)力可按照式(3)計(jì)算【7】得到。

τMax=Mt/Wt≤[τ]k

(3)

式中：τMax——計(jì)算截面上的最大剪應(yīng)力，MPa；

Mt——軸所傳遞的扭矩，N·mm；

Wt——抗扭截面系數(shù)，mm3；

[τ]k——降低后的扭轉(zhuǎn)許用剪應(yīng)力，MPa。

葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力依靠手動(dòng)旋轉(zhuǎn)的方式提供。經(jīng)實(shí)際測(cè)量后，確定葉片長(zhǎng)度為36 mm，雙葉片對(duì)稱布置。

3.2.2 攪拌軸承及密封研究

按照扭矩計(jì)算軸的強(qiáng)度時(shí)，僅考慮軸向受力，忽略軸端擾動(dòng)【14】，驅(qū)動(dòng)最優(yōu)方式及選型按照永田進(jìn)治【15】的論述，采用最簡(jiǎn)單的人工轉(zhuǎn)動(dòng)手柄。

針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承密封效果不好、吸附劑進(jìn)入軸承內(nèi)軸承滾珠不能正常滾動(dòng)【16-18】的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)比選和改進(jìn)，將傳動(dòng)軸外徑與軸承內(nèi)徑設(shè)計(jì)為間隙配合，采用梯形柱狀滾動(dòng)軸承。這樣萬(wàn)一吸附劑進(jìn)入軸承內(nèi)，軸承滾珠還留有活動(dòng)裕量，軸與軸承的間隙可以確保傳動(dòng)軸正常轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)選擇適合端面密封的干式有接觸式密封【16-17】形式，可滿足泄漏量標(biāo)準(zhǔn)要求【19】。

3.2.3 濾芯、葉片、傳動(dòng)軸同心度研究

實(shí)際測(cè)量濾芯外徑與過(guò)濾器內(nèi)徑尺寸，制作濾芯固定環(huán)。安裝時(shí)，將固定環(huán)套在濾芯外部，既可將濾芯固定在管線中心，同時(shí)還可以保護(hù)濾芯，防止濾芯在使用過(guò)程出現(xiàn)開(kāi)焊、變形的問(wèn)題【20】。

密封內(nèi)側(cè)安裝傳動(dòng)軸的固定軸承，外側(cè)安裝搖桿固定支架，通過(guò)兩點(diǎn)固定，確保傳動(dòng)軸與濾芯的同心度。使用方式為間歇使用。

3.2.4 濾芯的孔徑研究

少量的吸附劑小塊存在于系統(tǒng)內(nèi)并不會(huì)影響吸附劑的使用效果，且后部管線、閥門(mén)的流通孔徑遠(yuǎn)大于8 mm，也不會(huì)影響吸附劑輸送。基于上述原因，應(yīng)適當(dāng)加大濾芯孔徑，由原來(lái)的4 mm加大至8 mm，孔距保持4 mm不變，這樣既可以增加流通面積、減少過(guò)濾器堵塞的次數(shù)，還可確保該設(shè)備的使用效果，同時(shí)又可避免直徑8 mm以下的吸附劑塊堵塞閥門(mén)形成新的堵塞點(diǎn)【21】。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研究成功的再生器底部過(guò)濾器免拆清理裝置(見(jiàn)圖5)于2019年12月31日在中國(guó)石化石家莊煉化分公司安裝并投入使用，測(cè)試結(jié)果顯示，一次成功率100%。

圖5 再生器底部過(guò)濾器免拆清理裝置

下面對(duì)其具體操作步驟進(jìn)行介紹。

當(dāng)內(nèi)操作工觀察到下料滑閥壓差指示過(guò)濾器堵塞、再生下料不暢時(shí)，按照如下步驟進(jìn)行處理：

第一步，順時(shí)針搖動(dòng)手柄20圈，同時(shí)觀察下料滑閥壓差變化，若上升至正常值，則說(shuō)明已恢復(fù)下料。

第二步，如果下料效果未改善或效果不佳，則可能是吸附劑塊架橋，聚集在濾芯上方或上方管線內(nèi)。此時(shí)，外操作工可關(guān)閉下料滑閥后手閥，反吹過(guò)濾器。反吹完畢后，打開(kāi)后手閥，觀察下料情況，再次出現(xiàn)下料不暢的情況后，重新?lián)u動(dòng)旋轉(zhuǎn)手柄20圈，再次清理過(guò)濾器，并觀察清理效果，直至正常。

對(duì)上述操作步驟的注意事項(xiàng)說(shuō)明如下：

1)反吹可以破壞吸附劑塊在管線內(nèi)或?yàn)V芯內(nèi)的架橋現(xiàn)象，使其自由滑落至該裝置的葉片處，此時(shí)再次搖動(dòng)手柄，即可破碎吸附劑塊。

2)具體操作手柄旋轉(zhuǎn)圈數(shù)要根據(jù)實(shí)際情況確定。

3)為保證填料密封的使用壽命，下料正常的情況下，禁止轉(zhuǎn)動(dòng)手柄。

4)出現(xiàn)密封泄漏的情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)緊固填料壓蓋、切斷物料，避免造成人身傷害。

5 改造效果

2019年前7個(gè)月，吸附劑過(guò)濾器出現(xiàn)3次堵塞，由于吸附劑循環(huán)中斷時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)品硫含量超標(biāo)，裝置被迫降低新鮮進(jìn)料維持生產(chǎn)。

2019年12月31日，本清理裝置安裝到位，至2020年6月底，半年內(nèi)未出現(xiàn)過(guò)濾器堵塞導(dǎo)致裝置降量的情況。對(duì)比 2017、2018、2019三年的同期堵塞次數(shù)，過(guò)濾器的堵塞狀況有了明顯好轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖6)。

圖6 過(guò)濾器堵塞次數(shù)統(tǒng)計(jì)

2020年7月21日，該過(guò)濾器出現(xiàn)改造后的第1次堵塞，現(xiàn)場(chǎng)搖動(dòng)手柄，僅10 min即處理完畢，免除了拆卸過(guò)濾器及其濾芯的工作，大大縮短了異常處理時(shí)間，未影響裝置正常生產(chǎn)。

通過(guò)上述對(duì)比可以看出，再生器吸附劑過(guò)濾器改造完成后，過(guò)濾器堵塞次數(shù)明顯下降，堵塞后的處理時(shí)間明顯縮短，未出現(xiàn)影響產(chǎn)品質(zhì)量和新鮮進(jìn)料的情況，為裝置的平穩(wěn)運(yùn)行奠定了良好基礎(chǔ)。

使用該裝置前，每年清理過(guò)濾器10～12次，每次跑損吸附劑50 kg左右(吸附劑單價(jià)20萬(wàn)元/t)。使用后，過(guò)濾器清理次數(shù)降低至每年3次，跑損吸附劑仍按照50 kg/次計(jì)算，則年節(jié)約費(fèi)用(使用該裝置前，按每年平衡清理11次計(jì)算)8次/a×0.05 t/次×20萬(wàn)元/t=8萬(wàn)元/a。

6 結(jié)論

1)再生器底部過(guò)濾器免拆清理裝置設(shè)計(jì)合理、參數(shù)準(zhǔn)確，安裝后，一次成功率100%，年節(jié)約費(fèi)用8萬(wàn)元。

2)再生器底部過(guò)濾器免拆清理裝置可以解決再生器吸附劑過(guò)濾器因堵塞經(jīng)常導(dǎo)致吸附劑循環(huán)中斷的問(wèn)題，應(yīng)用該裝置后，實(shí)現(xiàn)了免拆過(guò)濾器及濾芯的清理，操作快捷、方便、安全、環(huán)保。

3)再生器底部過(guò)濾器免拆清理裝置安裝在過(guò)濾器內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)濾器堵塞現(xiàn)象時(shí)，搖動(dòng)該裝置即可破碎吸附劑塊，可降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少處理過(guò)程安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)、確保產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)S Zorb裝置平穩(wěn)生產(chǎn)。