激光顆粒分析儀在催化裂解（DCC）中的應(yīng)用和維護

李傳真 鄒麗

摘 要：使用激光顆粒分析儀在線測量三旋入口、煙機入口管道中催化劑顆粒粒度、濃度的分布及變化趨勢，能夠準確地測定出三旋的分離效率，有效地保證煙氣輪機在合適的工況下運行，延長煙氣輪機的使用壽命。從激光顆粒分析儀的原理入手，闡述了其在催化裂解（DCC）裝置中的系統(tǒng)組成、日常維護和常見故障排除。

關(guān) 鍵 詞：激光顆粒分析儀；梅氏散射；在線監(jiān)測；煙氣

中圖分類號：O 657 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）04-0816-03

Abstract： The laser particle analyzer is used to measure catalyst particle concentration， particle size and change trend at the inlet of three-stage cyclone separator and flue gas turbine， the separation efficiency of cyclone separator is accurately determined to effectively ensure the flue gas turbine running under normal operating conditions， extending the life of the turbine. In this paper， the principle of laser particle analyzer was introduced； system components， routine maintenance and common troubleshooting in the catalytic cracking were discussed.

Key words： Laser particle analyzer；Mie scattering；Online monitoring；Flue gas

引言：煙氣輪機是催化裂解裝置的關(guān)鍵設(shè)備，煙氣輪機能否在正常工況下運行，直接關(guān)系到催化和下游裝置的能耗和效益。而煙氣輪機的運行壽命與高溫?zé)煔庵兴呋瘎┑牧６群蜐舛扔兄苯雨P(guān)系。進入煙氣輪機的煙氣，其催化劑粉塵濃度應(yīng)降至200 mg/Nm3以下（其中大于10μm的顆粒應(yīng)小于3%）。[1]在線監(jiān)測煙氣管道中催化劑的粒度和濃度，對保證煙氣輪機的正常運轉(zhuǎn)將起到重要作用。在重油制取低碳烯烴的深度催化裂解（DCC）中，再生煙氣溫度常年高達680 ℃以上，過高的煙氣溫度更應(yīng)對煙機葉片的保護予以足夠重視。良好的煙氣監(jiān)測效果能夠有效地判定三旋的工況是否正常，催化劑投放是否均勻，優(yōu)化操作工藝，并保證煙機在正常工況下運行，延長煙機的使用壽命。

目前國內(nèi)外對催化劑顆粒進行監(jiān)測的手段分為離線監(jiān)測和在線監(jiān)測兩種形式。離線監(jiān)測就是采樣工在現(xiàn)場進行動態(tài)多點間歇性采樣，然后取到化驗室在分析儀上進行分析，由于采樣環(huán)境溫度高，樣品到化驗室過程時間較長，不能適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展與生產(chǎn)的要求。在線監(jiān)測為現(xiàn)場管線連續(xù)性監(jiān)測，直接測出高溫?zé)煔庵写呋瘎┑臐舛群土６龋捎猛ㄓ嵎绞皆谥锌厥覂?nèi)任意查閱、調(diào)用當(dāng)前或歷史粒度和濃度的變化趨勢和分布狀態(tài)。無預(yù)處理系統(tǒng)、無尾氣排放、無需采樣、測量精度高、響應(yīng)速度快、可靠性高，即為再生煙氣分析提供了最佳解決方案，也為催化單元關(guān)鍵設(shè)備的安全、平穩(wěn)、長周期、滿負荷生產(chǎn)提供夯實保障。

1 測量原理

當(dāng)光束照到被認為是球型物體的顆粒上時，會產(chǎn)生光的散射及光的吸收。對于某個顆粒體來說，如不存在多次散射，則散射光與顆粒大小和顆粒濃度有關(guān)，這就是著名的梅氏散射理論（Mie，1908）。隨著激光光譜吸收技術(shù)和計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，符合梅氏散射理論條件的煙氣管線中的催化劑顆粒場，即可通過基于梅氏理論設(shè)計開發(fā)的激光監(jiān)測系統(tǒng)實時在線監(jiān)測。當(dāng)一束平行光打在一個顆粒上時，一部分光被散射，一部分光被吸收。因此顆粒與兩個測量截面——吸收截面和散射截面有關(guān)。每一個理論上的截面將從原光束中分出一部分光。通過計算散射光與吸收光的比例，作為與兩個截面有關(guān)的信號，就能估算出顆粒的體積或平均直徑[2]；如同煙氣氣流中的情形一樣，同時包含許多顆粒，顆粒的總體積或平均濃度就可以被確定。

對測量環(huán)境無害的激光器，最適用于監(jiān)測氣流中的高溫催化劑顆粒。由于激光是相干單色光，所以很低能量也可在相對長距離上集中在狹小的光束中，而氦氖激光器（HN-L）輻射的光波單色性最好，光束直徑為0.83 mm，發(fā)射功率為4 mW，光束發(fā)散角小于1 mrad。

2催化劑顆粒激光在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成

2.1 系統(tǒng)組成

催化激光顆粒分析儀在線監(jiān)測系統(tǒng)包括發(fā)射單元、接受單元、信號處理單元、工控機單元和吹掃系統(tǒng)[3]。工控機放置于現(xiàn)場機柜室內(nèi)，其余單元置于現(xiàn)場檢測平臺處。此系統(tǒng)具有完備的檢測、信號處理、數(shù)據(jù)處理、報警、記錄及打印等功能，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)光路、氣路組成

在實際應(yīng)用時，為了保證激光通路的通暢，一般采取的方法是分光鏡、濾光片、石英玻璃、透鏡組等鍍膜。同時，為了盡量減小激光能量的損失，使石英玻璃和煙氣接觸面不損耗光能量，常采用凈化干燥的儀表風(fēng)作吹掃風(fēng)。吹掃系統(tǒng)是使系統(tǒng)工作正常狀態(tài)的保證，但生產(chǎn)波動、溫差大、開停工、長周期運行過程中仍會積攢一定量的灰塵或水汽從而影響系統(tǒng)監(jiān)測精度。所以在維護過程中，應(yīng)定期檢查工控機內(nèi)接收光能的指標(biāo)，如發(fā)現(xiàn)在接收光能不斷下降而測試濃度不變的情況下，通常意味著發(fā)生了積灰，應(yīng)在方便的時候擦去積攢在石英玻璃上的灰塵。

每次進行積灰處理后，應(yīng)檢查儀表風(fēng)的壓力是否偏低，流量是否合適。流量偏低會導(dǎo)致經(jīng)常性地積灰，流量過大又會影響激光光束的穩(wěn)定性。吹掃空氣中如含有水汽會使石英玻璃表面濕潤，從而導(dǎo)致催化劑顆粒易吸附在玻璃表面。所以儀表風(fēng)對保持石英玻璃窗口和電子組件正常工作起著至關(guān)重要的作用（圖2）。

3 測量誤差分析及常見故障處理

鑒別催化劑顆粒的濃度及粒度，是因為激光具有單色性，相干性的優(yōu)越性能，同時它仍具有光的一般特性，利用激光通過煙氣是能量的衰減及能量的發(fā)射，通過定量計算而定性及定量給出期望的結(jié)果。一般來說，誤差產(chǎn)生的原因主要有以下兩種[4]：

其中之一便是石英玻璃及吹掃風(fēng)，吹掃風(fēng)要求是凈化干燥的儀表風(fēng)，風(fēng)壓在保證流量的前提下一般是0.3～0.4 MPa；石英玻璃污染對激光透過光能及散光光能產(chǎn)生很大的影響，從而影響對計算濃度等的精確性.

其二便是對中。由于激光發(fā)射裝置及接收裝置及接收裝置處于煙氣管道上，長期經(jīng)受震動，熱脹冷縮，天睛下雨許多因素的影響，對中就成了一個比較重要的問題。激光顆粒分析儀的發(fā)射端和接收端必須要求在同一水平線上，表1為激光分析儀常見故障、原因及處理方法，僅供參考。

4 結(jié)束語

煙氣輪機的葉片在受到煙氣中催化劑顆粒的磨損時，磨損小則影響煙氣輪機運行的平衡性，導(dǎo)致機組振動值增大。磨損大時，將損壞煙機葉片，造成設(shè)備損失。煙機一旦出問題，裝置能耗將大幅增加造成不必要的經(jīng)濟損失，合理使用在線激光顆粒分析儀，能夠有效地保證煙輪機在正常的工況下運行，通過監(jiān)測煙氣管道中顆粒濃度和濃度變化趨勢，延長煙機的使用壽命。

此外，激光顆粒分析儀通過比較三旋進、出口煙氣管道中的顆粒濃度和粒度大小分布數(shù)據(jù)及其變化趨勢，能夠精確地測定三旋的分離效率，并判定三旋設(shè)備的運行情況和趨勢。如果通過濃度比較、計算出的三旋分離效率出現(xiàn)過大偏離設(shè)計值的現(xiàn)象，應(yīng)及時進行分析或考慮維修和更新設(shè)備。

同時，通過分析比較三旋進、出口的顆粒濃度變化趨勢，可判斷是三旋設(shè)備本身的性能故障，還是前道工序設(shè)備性能的故障，并由此可實現(xiàn)生產(chǎn)工藝控制和準確的設(shè)備故障檢測。

參考文獻：

[1] 劉英聚，張韓.催化裂化裝置操作指南[M]. 中國石化出版社，2005：131.

[2]趙娟竹.激光顆粒分析儀的應(yīng)用[J]. 石油化工自動化，2012（10）：67.

[3]王曉娟，李宏，李心義，黃元忠. 催化劑顆粒激光在線監(jiān)測分析系統(tǒng)的研制[J].使用化工自動化，1999（3）：28.

[4]王森，董鎮(zhèn).郭肇新，程立. 在線分析儀器手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：82-90.