高強(qiáng)度耐磨噴嘴在催化裂化催化劑生產(chǎn)中的應(yīng)用

胡 濤，劉克睿，孫德劍

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司蘭州石化公司催化劑事業(yè)部，甘肅 蘭州 730060)

1 催化裂化催化劑噴霧概況

石油煉制工業(yè)中，超過80%以上的工藝過程需要使用催化劑，這其中，催化裂化催化劑是煉油工業(yè)中使用量最大的催化劑，在生產(chǎn)高辛烷值汽油、低碳烯烴和減少塔底油等方面開發(fā)形成了系列化催化劑，且仍在不斷推陳出新[1]。催化裂化催化劑由于具有技術(shù)含量高、生產(chǎn)難度大、產(chǎn)品種類多、更新?lián)Q代快等特點(diǎn)，是石油煉制工業(yè)的核心技術(shù)之一[2]。

催化裂化催化劑的粒度分布及顆粒球形度對(duì)催化劑的流化性能、抗磨損性能、反應(yīng)性能有較大影響[3-4]。催化劑生產(chǎn)過程中的造粒過程利用噴霧干燥的原理，將催化劑膠體漿料加壓，用噴槍將漿液在干燥室內(nèi)分散成霧狀液滴，經(jīng)壓力式噴嘴霧化為液滴，液滴與高溫?zé)犸L(fēng)接觸時(shí)，液滴中水份迅速蒸發(fā)，在極短時(shí)間內(nèi)液滴成型為具有一定機(jī)械強(qiáng)度的微球狀顆粒，最后經(jīng)氣固分離得到成型產(chǎn)品。

某石化公司催化劑生產(chǎn)裝置長(zhǎng)期使用碳化鎢噴嘴進(jìn)行催化劑噴霧造粒，在使用中發(fā)現(xiàn)，碳化鎢噴嘴加工精度差，在使用一天后噴嘴孔徑會(huì)出現(xiàn)明顯磨損，不利于長(zhǎng)周期使用，需要每天進(jìn)行更換甚至每班進(jìn)行更換，才能保證噴霧造粒后的粒度分布保持穩(wěn)定。噴嘴更換頻繁不利于長(zhǎng)周期運(yùn)行，且噴嘴損耗快也增加制造成本。經(jīng)過與供應(yīng)商研討分析，在傳統(tǒng)合金材料上，通過添加稀有金屬、調(diào)整毛坯成型壓力、燒結(jié)溫度、產(chǎn)品成型深處理等工藝開發(fā)出新型耐磨性噴嘴，且該噴嘴在制造過程中按一定比例加入金剛石及耐磨助劑，新式噴嘴硬度耐磨性、紅硬性增大，粘接溫度高，抗氧化能力增強(qiáng)，使用及耐磨性能大幅提高。

2 裝置運(yùn)行效果

2.1 噴霧干燥原理及老式噴嘴使用現(xiàn)狀

噴霧干燥是在噴霧干燥室內(nèi)，通過使用不同形式的霧化器或霧化原理將原料漿液打散，分散為細(xì)小的霧滴，再通過與外設(shè)的熱源加熱得到的干燥介質(zhì)接觸，實(shí)現(xiàn)兩種物料間傳質(zhì)傳熱的過程，最終得到干燥的固體產(chǎn)品的一種方法，是典型的熱質(zhì)同傳過程[5-6]。

催化裂化催化劑噴霧干燥根據(jù)其特點(diǎn)，可分為三個(gè)基本過程階段：即物料霧化形成霧滴階段；液滴與熱風(fēng)接觸，發(fā)生傳質(zhì)傳熱干燥階段；干燥產(chǎn)品與低溫廢氣的氣固分離階段[7-8]。噴霧造粒即是催化劑漿液形成液滴階段，而噴嘴的大小對(duì)液滴形成有顯著影響。噴嘴太小，則噴出的液體偏小，經(jīng)干燥后形成的細(xì)顆粒易被廢氣帶走，降低噴霧過程收率，且外排尾氣中含有較多顆粒物不利于環(huán)保管控。噴嘴太大，則噴出的液滴分散不均勻，經(jīng)過干燥后易形成大球或者粘連球，不利于催化劑的下一步處理及流化。因此噴嘴的穩(wěn)定性對(duì)催化裂化催化劑噴霧干燥過程及粒度分布有較大影響，是關(guān)鍵質(zhì)量控制節(jié)點(diǎn)。

老式碳化鎢噴嘴在噴霧過程中，由于膠體噴霧壓力通常較高(≥10 MPa)，膠體流經(jīng)噴嘴時(shí)線速度很高，且催化劑膠體本身物性參數(shù)(pH：2～3，溫度：50～60 ℃)對(duì)噴嘴存在較大腐蝕性，造成噴嘴在使用過程中磨損量較大，12 h磨損率能接近10%。因此實(shí)際生產(chǎn)中每班需進(jìn)行噴嘴清理更換，噴嘴使用量大且噴嘴清理更換過程中裝置不能連續(xù)運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)效益的損失。

2.2 高強(qiáng)度耐磨噴嘴試用實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證新型耐磨噴嘴的使用性能，首先在催化劑生產(chǎn)裝置上進(jìn)行試用實(shí)驗(yàn)。在高壓線環(huán)形線中選取2個(gè)噴槍位，安裝新型耐磨噴嘴(尺寸2.5 mm)，其余噴槍位安裝老式普通噴嘴(尺寸3.0 mm、2.8 mm)，使用游標(biāo)卡尺記錄所有噴嘴尺寸。在12.5 MPa的噴霧壓力、13～14 m3/h的膠體流量下連續(xù)噴霧12 h后，再次測(cè)量所有噴嘴尺寸，考察不同噴嘴耐磨性能。新型耐磨噴嘴試用數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 新型耐磨噴嘴耐磨性數(shù)據(jù)Table 1 Abrasion resistance data of the new wearability nozzles

從表1可以看出，經(jīng)過12 h連續(xù)噴霧后，4個(gè)普通噴嘴均出現(xiàn)明顯磨損，其中2號(hào)位的噴嘴最大磨損量0.28 mm，磨損率9.18%，已經(jīng)不具備連續(xù)使用條件，需要立即更換。而2個(gè)耐磨噴嘴幾乎沒有磨損，能滿足連續(xù)噴霧的要求。

在12 h實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步考察2個(gè)耐磨噴嘴耐磨性能，在保持2個(gè)耐磨噴嘴不更換的前提下，以12.0～13.0 MPa的壓力進(jìn)行連續(xù)噴霧，每班次(12 h)檢查一次耐磨噴嘴尺寸，考察耐磨噴嘴長(zhǎng)周期使用性能，試用數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 耐磨噴嘴長(zhǎng)周期耐磨試用實(shí)驗(yàn)Fig.1 Long period wear-resisting trial experiment of wearability nozzles

從圖1中可以看出，2個(gè)耐磨噴嘴使用12天后孔徑分別由2.47 mm、2.46 mm磨損至2.78 mm、2.81 mm，磨損量達(dá)到普通噴嘴使用一天后的磨損量，且磨損量穩(wěn)定、沒有出現(xiàn)磨損量突增等，說明耐磨噴嘴使用穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于普通噴嘴，可以滿足長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)行的需求。

2.3 裝置全面使用耐磨噴嘴使用效果

在完成耐磨噴嘴試用實(shí)驗(yàn)后，在某石化公司催化劑生產(chǎn)裝置開展全面使用耐磨噴嘴實(shí)驗(yàn)，所有噴嘴均使用耐磨噴嘴，并以1周為1組實(shí)驗(yàn)周期，每天每12 h采樣分析粒度分布一次，對(duì)比舊噴嘴、新噴嘴使用期間催化劑粒度分布均值，比較兩種噴嘴使用前后對(duì)粒度分布的影響。新、舊噴嘴使用后粒度分布對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 新、舊噴嘴使用后粒度分布對(duì)比表Table 2 Comparison of particle size distribution between new and old nozzles

從表2中可以看出，全面換用新型金剛石耐磨噴嘴后，實(shí)驗(yàn)前后粒度分布差異不大，質(zhì)量穩(wěn)定，說明新型噴嘴在耐磨、使用周期長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，長(zhǎng)期使用不會(huì)對(duì)產(chǎn)品粒度分布造成影響，能夠滿足日常生產(chǎn)運(yùn)行要求。

2.4新型耐磨噴嘴經(jīng)濟(jì)效益

每套耐磨噴嘴采購(gòu)價(jià)格是原噴嘴3倍。但在噴嘴使用周期方面，原噴嘴每班更換1次，但可二次使用(例如2.5 mm噴嘴磨損后可替代2.8 mm噴嘴，2.8 mm噴嘴磨損后可替代3.0 mm噴嘴)，因此原噴嘴使用周期為1天。新型噴嘴在非人為損傷(噴槍燒結(jié)清理過程中破碎)情況下，使用周期按最少15天計(jì)算，耐磨噴嘴使用壽命遠(yuǎn)超老式噴嘴。新式噴嘴使用量?jī)H為老式噴嘴的1/15，因此綜合采購(gòu)成本較老式噴嘴降低約70%，每年可為裝置節(jié)省約50萬元的采購(gòu)費(fèi)用，有明顯經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié) 論

(1)新型耐磨噴嘴耐磨性能良好，在使用過程中磨損很小，磨損量遠(yuǎn)低于老式碳化鎢噴嘴可以替代碳化鎢噴嘴用于催化劑噴霧成型工序工業(yè)生產(chǎn)。

(2)使用新型耐磨噴嘴后，由于噴嘴耐磨性能好，噴嘴在噴霧過程中基本不磨損，噴霧過程連續(xù)穩(wěn)定，產(chǎn)品的粒度分布不受影響，沒有大幅度波動(dòng)等情況，產(chǎn)品粒度分布能滿足指標(biāo)要求。

(3)新型耐磨噴嘴雖然價(jià)格較老式噴嘴貴3倍，但其使用周期長(zhǎng)，使用量?jī)H為老式噴嘴的1/15，因此綜合采購(gòu)成本較老式噴嘴降低約70%，有明顯經(jīng)濟(jì)效益。