單管三旋泄料錐口通徑與操作彈性的關(guān)系研究

劉初春

(大連西太平洋石油化工有限公司，遼寧 大連 116600)

煉油廠催化裂化裝置煙氣三級(jí)旋風(fēng)分離器作為煙氣粉塵凈化、回收設(shè)備，是保證煙氣輪機(jī)基本運(yùn)行要求的關(guān)鍵設(shè)備，其高效運(yùn)行對(duì)煙機(jī)的安全可靠性至關(guān)重要，對(duì)后部鍋爐(煙氣余熱回收)、煙氣脫硫脫硝裝置長(zhǎng)周期高效運(yùn)行也有重要影響。

目前的三旋按分離元件類型主要分為兩類：?jiǎn)喂苋?內(nèi)置立管式和臥管式單管)和大旋分三旋(內(nèi)置常規(guī)旋分器)。各種形式的分離元件在一定條件下都能滿足生產(chǎn)技術(shù)需要。長(zhǎng)期以來，導(dǎo)致單管式三旋失效而致煙機(jī)入口粉塵含量高的各種原因中，最易頻發(fā)的是單管泄料錐口結(jié)垢堵塞甚至堵死，而煙機(jī)入口粉塵含量提高又與煙機(jī)葉片結(jié)垢密切相關(guān)。業(yè)內(nèi)人士對(duì)單管泄料錐口結(jié)垢原因進(jìn)行了大量的分析研究，提出了一些改進(jìn)措施【1-6】，但因結(jié)垢而導(dǎo)致三旋失效的問題仍時(shí)有發(fā)生。

某廠催化裝置為兩段再生，煙機(jī)前采用單管三旋分離催化劑。使用過程中曾經(jīng)不同程度發(fā)生過單管泄料錐口結(jié)垢現(xiàn)象，使得部分單管效率降低直至失效。三旋效率下降導(dǎo)致煙機(jī)葉片出現(xiàn)結(jié)垢及效率下降現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)需被迫切除煙機(jī)。結(jié)合多次結(jié)垢情況進(jìn)行理論分析認(rèn)為，單管結(jié)垢與泄料錐口通徑、粉塵的負(fù)荷量密切相關(guān)，若采用較大口徑泄料錐口，單管的穩(wěn)定運(yùn)行可靠性可能更高，操作彈性更大?；谶@些認(rèn)識(shí)，某廠在催化停工消缺期間對(duì)單管泄料錐口進(jìn)行了改造，并取得成功。本文將結(jié)合工程實(shí)踐，重點(diǎn)討論三旋單管泄料錐口結(jié)垢失效問題，并提出相應(yīng)解決辦法。

1 單管三旋的高效運(yùn)行與結(jié)垢失效

單管三旋在過去幾十年的應(yīng)用實(shí)踐證明，煙機(jī)結(jié)垢與單管失效密切相關(guān)。由于技術(shù)研發(fā)者難以模擬工程實(shí)際進(jìn)行全面深入的研究，因此對(duì)單管泄料錐口結(jié)垢、煙機(jī)結(jié)垢機(jī)理仍未形成一致觀點(diǎn)。迄今為止，三旋研發(fā)者和制造者都未對(duì)三旋入口粉塵含量、泄料錐口通徑、排塵氣量及入口粉塵含量與泄料錐口通徑之關(guān)系提出明確技術(shù)指標(biāo)，究其原因，筆者認(rèn)為是對(duì)單管三旋的研究、認(rèn)識(shí)還不深刻。

1.1 單管三旋結(jié)構(gòu)的演變

單管三旋在上世紀(jì)80年代末期開始被推廣應(yīng)用并很快得到普遍使用。從單管布局形式分，單管三旋分為立管式和臥管式兩種形式。這兩種形式技術(shù)原理基本一樣，其中立管式三旋的應(yīng)用更多一些。立管式單管主體結(jié)構(gòu)形式基本沒有變化，但單管泄料錐口形式發(fā)生了一些演變，由初期的泄料盤結(jié)構(gòu)發(fā)展為直筒形、錐形、雙錐形及反錐形等，其主要結(jié)構(gòu)形式變化參見圖1(a)～圖1(c)【7】。從圖1(a)～圖1(c)可以看出：泄料盤形單管之間不易相互干擾，但容易堵塞而致單管失效；直筒形泄料單管之間易干擾，但暢通不易堵塞，操作彈性大；反錐形單管除氣體旋轉(zhuǎn)分離流場(chǎng)更具高效分離條件外，通徑口也較大，不容易堵塞。

圖1 立管式單管結(jié)構(gòu)演變

1.2 單管三旋的高效運(yùn)行

三旋的高效運(yùn)行與煙機(jī)的高效運(yùn)行密切相關(guān)，因煙機(jī)結(jié)垢導(dǎo)致非計(jì)劃停車、煙機(jī)損壞等偶有發(fā)生，煙機(jī)結(jié)垢也已引起業(yè)內(nèi)高度關(guān)注。盡管目前業(yè)內(nèi)對(duì)煙機(jī)結(jié)垢的根源仍存不同觀點(diǎn)【8-11】，但控制煙機(jī)入口煙氣低粉塵含量已成普遍共識(shí)，且已有很多因一、二、三級(jí)旋分低效與煙機(jī)結(jié)垢有關(guān)的案例。煙氣粉塵含量高是煙機(jī)結(jié)垢的主要原因【12】，因此，三旋穩(wěn)定高效運(yùn)行的必要性就不言而喻。

影響三旋高效運(yùn)行的因素是多方面的，如單管處理的煙氣負(fù)荷量、煙氣中催化劑粉塵的含量和粒度分布、四旋泄氣量等。再生煙氣經(jīng)過再生器內(nèi)一、二級(jí)旋分分離后，進(jìn)入三旋的煙氣所夾帶的催化劑主要為<10 μm的微小顆粒，煙氣經(jīng)三旋分離后，>10 μm的顆粒幾乎全部回收，三旋出口煙氣中粉塵含量<150 mg/m3(多數(shù)在100 mg/m3左右甚至更低)，單管分離效率在80%～90%之間。

1.3 從三旋監(jiān)控一、二級(jí)旋分的運(yùn)行效果

三旋入口煙氣中催化劑粉塵的含量和粒度分布、三旋回收催化劑的數(shù)量和粒度分布能反映再生器一、二級(jí)旋分的運(yùn)行效率和效果，但目前普遍使用的粉塵含量在線監(jiān)測(cè)儀誤差較大，若采用人工采樣的方法，則既困難又同樣存在誤差的問題，且回收催化劑的數(shù)量也很難被及時(shí)準(zhǔn)確提供。相比之下，回收催化劑的粒徑分析更便捷準(zhǔn)確。

按照目前一、二級(jí)旋分的技術(shù)發(fā)展水平，當(dāng)其處于正常生命周期、良好運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，再生煙氣經(jīng)一、二級(jí)分離后，三旋入口煙氣中粉塵含量應(yīng)小于400 mg/m3，但有時(shí)再生器內(nèi)苛刻的環(huán)境難以保證一、二級(jí)旋分穩(wěn)定高效運(yùn)行。

某廠催化裝置第二再生器(以下簡(jiǎn)稱二再)一、二級(jí)旋分更換前后，三旋回收劑粒徑分布發(fā)生了明顯的變化，數(shù)據(jù)見表1。由表1可看出，一、二級(jí)旋分效率的提高，使得三旋入口的粉塵濃度下降，三旋回收劑的平均粒徑明顯降低。

表1 二再三旋回收劑粒徑分布變化

第一再生器(以下簡(jiǎn)稱一再)二級(jí)旋分曾發(fā)生兩組灰斗堵塞、催化劑異常跑損的情況，經(jīng)停工對(duì)旋分進(jìn)行修復(fù)后重新投運(yùn)，三旋回收劑粒徑分布變化見表2。從表2可以看出：修復(fù)后的旋分因沒有很好地解決變形和襯里規(guī)整度問題，運(yùn)行效率仍然不高，因此<20 μm的細(xì)粉含量低，進(jìn)入三旋的煙氣中含有較大比例的20～80 μm顆粒；但二級(jí)旋分堵塞時(shí)，不僅回收的催化劑量大，而且主要為40～105 μm的粗顆粒。

表2 一再三旋回收劑粒徑分布變化

1.4 三旋單管的結(jié)垢失效

三旋單管技術(shù)的發(fā)展，基本形成了固定系列，如過去長(zhǎng)期使用的單管直徑250 mm的VAS-250型和近年推廣使用的直徑300 mm的PSC-300型等。各種單管在再生器一、二級(jí)旋分處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)都保持了高的運(yùn)行效率，滿足了行業(yè)內(nèi)提出的煙機(jī)入口粉塵含量<150 mg/m3(多數(shù)在100 mg/m3左右甚至更低)的指標(biāo)要求，緩解或消除了煙機(jī)的結(jié)垢，為煙機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行創(chuàng)造了條件。

在三旋的長(zhǎng)期工業(yè)應(yīng)用中，單管的技術(shù)專利商和制造商對(duì)單管高效率運(yùn)行的工藝條件沒有提出明確的要求，通常僅限制每根單管對(duì)煙氣的處理能力，而對(duì)三旋入口煙氣粉塵含量沒有明確限制；對(duì)單管的適應(yīng)性認(rèn)識(shí)不深刻；對(duì)排塵氣量有指導(dǎo)性范圍限制，但對(duì)泄氣量高低對(duì)泄料錐口部位的運(yùn)行狀態(tài)是否有影響的認(rèn)識(shí)也不深刻。

工程實(shí)踐中打開三旋檢查單管發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)行周期的延長(zhǎng)，常有單管泄料錐口出現(xiàn)催化劑結(jié)垢現(xiàn)象，結(jié)垢導(dǎo)致泄料錐口通徑縮小，嚴(yán)重時(shí)可能將泄料錐口全部堵死，見圖2。由圖2可以看出，并不是全部泄料錐口都出現(xiàn)結(jié)垢。從出現(xiàn)結(jié)垢的實(shí)景分析，泄料錐口結(jié)垢是一個(gè)漸進(jìn)的過程，應(yīng)該是由于單管之間壓降出現(xiàn)差別、某些單管在催化劑負(fù)荷大時(shí)下料出現(xiàn)遲滯引發(fā)的，且逐漸惡化。單管堵塞至堵死對(duì)回收催化劑篩分組成影響不大，但堵塞會(huì)導(dǎo)致單管失效、三旋總效率下降、三旋出口煙氣中粉塵濃度上升，進(jìn)而導(dǎo)致煙機(jī)動(dòng)、靜葉片出現(xiàn)結(jié)垢【13-14】現(xiàn)象。

圖2 單管泄料錐口結(jié)垢及單管堵塞情況

2 三旋單管泄料錐口結(jié)垢的原因分析

2.1 一、二級(jí)旋分效率低，三旋入口煙氣粉塵含量高

當(dāng)再生器一、二級(jí)旋分因各種原因處于低效運(yùn)行時(shí)，煙氣中粉塵含量上升(如達(dá)到600 mg/m3或更高)，單管的負(fù)荷增大，在泄料錐口通徑一定的情況下，隨著負(fù)荷的增加，催化劑停留時(shí)間延長(zhǎng)，在泄料錐口積聚，并在強(qiáng)大的離心力作用下逐漸積聚成垢。

2.2 單管泄料錐口通徑小

單管泄料錐口是一個(gè)氣流旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)改變較大的環(huán)境，一是單管縮徑，二是泄料錐口是外圈下旋氣流與內(nèi)圈上升氣流的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這兩個(gè)因素導(dǎo)致催化劑下料遲滯，且口徑越小遲滯力越大，催化劑負(fù)荷大時(shí)，在泄料錐口停留時(shí)間增長(zhǎng)，則會(huì)造成結(jié)垢。

2.3 排塵氣量小

通常，旋風(fēng)分離器單管間存在壓降差別，為防止排塵氣亂竄影響單管效率，單管三旋考慮了在催化劑收集罐中導(dǎo)出排塵氣。排塵氣量為三旋總進(jìn)氣量的3%～5%。排塵氣量大有利于單管泄料，但過多地導(dǎo)出排塵氣一方面會(huì)損失壓力能、減少煙機(jī)做功，另一方面會(huì)加大泄料錐口的磨損。理論上看，單管泄料錐口的口徑為φ80，3%～5%的排塵氣量對(duì)大面積布置的泄料錐口中每根單管的催化劑下料是否暢通影響有限。

3 預(yù)防結(jié)垢的措施

根據(jù)上述分析可知，降低和控制三旋入口煙氣中粉塵含量或增大泄料錐口通徑是保持單管泄料暢通、防止堵塞的有效措施。但國(guó)內(nèi)催化裝置連續(xù)運(yùn)行周期都朝著4～5年目標(biāo)努力，在連續(xù)運(yùn)行周期中再生器內(nèi)運(yùn)行環(huán)境較苛刻，一、二級(jí)旋分器難以保證穩(wěn)定高效運(yùn)行，即三旋入口煙氣中粉塵含量難免會(huì)發(fā)生波動(dòng)，很難保證三旋入口煙氣中粉塵含量穩(wěn)定在<500 mg/m3， 從而避免泄料錐口結(jié)垢、堵塞。因此， 更有效的措施是適當(dāng)擴(kuò)大泄料錐口通徑， 保持對(duì)催化劑負(fù)荷變化的較大彈性。

某廠針對(duì)單管泄料錐口結(jié)垢、堵塞的情況，利用消缺的時(shí)機(jī)，在一、二級(jí)旋風(fēng)分離器無(wú)法更換的情況下，未更換三旋單管，僅將泄料錐口通徑由原來的φ80改為φ100， 即解決了三旋單管泄料錐口結(jié)垢、 堵塞問題， 使煙機(jī)入口粉塵含量保持穩(wěn)定受控。

4 改造效果

單管泄料錐口通徑增大后，第一再生器一、二級(jí)旋風(fēng)分離器因生產(chǎn)任務(wù)重仍未更新，粉塵濃度監(jiān)控和三旋回收劑篩分情況都顯示出三旋入口煙氣中粉塵含量高，煙機(jī)入口粉塵含量穩(wěn)定在120～130 mg/m3。

泄料錐口通徑改變后，在一再一、二級(jí)運(yùn)行效率和效果接近的環(huán)境下(即三旋入口煙氣中粉塵含量接近)，一再三旋回收劑的篩分對(duì)比情況見表3。由表3可以看出，泄料錐口通徑增大后，三旋回收劑粒度分布和平均粒徑基本接近，表明三旋效率沒有明顯變化。

表3 一再三旋回收劑粒徑差別

按照過去的運(yùn)行實(shí)踐，這樣的條件(表3中改造前的狀況)在裝置檢修或消缺投運(yùn)后，運(yùn)行到6～9個(gè)月時(shí)，煙機(jī)入口(即三旋出口)粉塵含量即開始上升，煙機(jī)出現(xiàn)結(jié)垢，之后煙機(jī)結(jié)垢速度加快且運(yùn)轉(zhuǎn)周期越來越短，打開三旋檢查會(huì)發(fā)現(xiàn)單管泄料錐口不同程度出現(xiàn)結(jié)垢堵塞或堵死；而泄料錐口通徑擴(kuò)大后(改造后)，已連續(xù)運(yùn)行1年半以上，盡管三旋入口煙氣中粉塵濃度依然很高，但煙機(jī)仍未出現(xiàn)結(jié)垢跡象。尤其是在二級(jí)旋分發(fā)生堵塞故障的情況下，三旋入口粉塵含量高達(dá)2 000 mg/m3，運(yùn)行半年多后，雖然三旋單管出現(xiàn)了磨損現(xiàn)象，但沒有發(fā)生結(jié)垢的情況，煙機(jī)運(yùn)行正常，煙機(jī)入口粉塵含量穩(wěn)定在120～130 mg/m3，單管的分離效率始終保持在90%以上。

運(yùn)行情況表明：泄料錐口通徑擴(kuò)大后，可能對(duì)單管效率略有影響，但粉塵下料被遲滯的現(xiàn)象應(yīng)該可以得到緩解或消除，單管對(duì)入口煙氣中粉塵含量高低的適應(yīng)彈性更大，更安全可靠。

5 結(jié)論

泄料錐形立管式三旋在通常條件下具有高的氣固分離效率，完全可以滿足煙機(jī)入口煙氣中粉塵含量<150 mg/m3甚至更低的要求，但泄料錐口通徑與粉塵負(fù)荷不匹配時(shí)，容易出現(xiàn)催化劑結(jié)垢、堵塞而使單管失效的現(xiàn)象。生產(chǎn)運(yùn)行中，在更高效率和可靠性發(fā)生沖突時(shí)，更應(yīng)注重可靠性。因此，可采用較大的泄料錐口通徑提高單管三旋對(duì)入口煙氣中粉塵含量的適應(yīng)性，即提高運(yùn)行彈性。一般來說，泄料錐口通徑與單管內(nèi)徑比值保持在0.4比較合理。該措施可保證三旋穩(wěn)定高效運(yùn)行，從而為煙機(jī)的長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)奠定基礎(chǔ)。