催化裂化裝置中煙氣催化劑對煙氣輪機運行影響

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(1.渤海裝備蘭州石油化工機械廠， 甘肅 蘭州 730060；2.甘肅省煉化特種裝備工程技術研究中心， 甘肅 蘭州 730060)

煙氣輪機是煉油廠催化裂化裝置能量回收系統(tǒng)中主風機組的關鍵設備之一。催化裂化裝置中的催化劑在高溫下與重質(zhì)油發(fā)生裂化反應，使重質(zhì)油轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸦瘹狻⑵秃筒裼偷取Ｔ诖诉^程中，催化劑的表面會附著油焦而活性降低。因此，必須進行再生處理[1-2]。

催化裂化裝置運行過程中，主風機組中的軸流風機將壓縮空氣送入輔助燃燒室進行高溫加熱，加熱后的高溫壓縮空氣經(jīng)輔助煙道通過主風分布管進入再生器燒焦罐底部，從反應器過來的催化劑在高溫大流量主風的作用下被加熱上升，同時通過器壁分布的燃油噴嘴噴入燃油調(diào)節(jié)反應溫度，這樣催化劑表面附著的油焦在高溫下燃燒分解為煙氣。煙氣進入集氣室匯合后排入煙道，催化劑進入再生斜管送至提升管再生利用[1-2]。

煙氣輪機的工作介質(zhì)是經(jīng)過三級旋風分離器后的氣固兩相流高溫煙氣(650～700 ℃)，其中含有少量未分離而跑損的催化劑顆粒。文中從催化劑本身方面出發(fā)，在收集了各煉油廠對煙氣中催化劑含量控制方面一些經(jīng)驗的基礎上，從煙氣輪機本身設計及加工制造方面出發(fā)提出了改進措施，這也是目前絕大部分煙氣輪機生產(chǎn)制造的實際狀況。

1 催化裂化裝置能量回收系統(tǒng)

催化裂化裝置的再生燒焦要控制一定的氧分壓，再生燒焦過程又是放熱反應，所以離開再生器的煙氣的壓力和溫度均較高。為了充分回收煙氣的壓力能和熱能，世界上大型的催化裂化裝置均配置煙氣能量回收系統(tǒng)，見圖1。

圖1 催化裂化裝置能量回收系統(tǒng)流程圖

盡管煙氣能量回收系統(tǒng)技術較為復雜，但經(jīng)濟效益十分顯著。而這些能量的回收是通過催化裂化裝置中主風機組實現(xiàn)的。

主風機組是催化裂化裝置的核心機組之一，在催化裂化裝置中具有十分重要的地位，主風機組構成見圖2。

圖2 主風機組示圖

如果主風機組中的主風機停運，催化裂化裝置也就停止正常生產(chǎn)。從工藝角度而言，主風機的主要作用包括提供燒焦需要的氧氣、保證再生器內(nèi)的催化劑處于燒焦狀態(tài)、使再生器內(nèi)壓力平衡以及由煙氣輪機所輸出的機械能有富余的情況下帶動電動發(fā)電機發(fā)電[3-4]。

2 煙氣輪機運行中存在問題

2.1 高溫煙氣中催化劑對動葉片的沖蝕

某廠煙氣輪機在運行一個周期后停機檢修，拆卸后發(fā)現(xiàn)煙氣中催化劑含量超標，動葉片被嚴重沖蝕，見圖3。

圖3 被催化劑嚴重沖蝕的動葉片

煙氣輪機動葉片局部磨損殘缺，葉身幾何尺寸遭到嚴重破壞。如果長期處于這樣的工況，動葉片則會造成因催化劑沖蝕破壞葉身而造成自身強度降低，并最終發(fā)生斷裂事故。

2.2 催化劑結(jié)垢

2.2.1動、靜葉片葉身部位結(jié)垢

煙氣輪機運行過程中，如果高溫煙氣中的催化劑含量長期超標，催化劑顆粒會在煙氣輪機流道內(nèi)動、靜葉片葉身部位逐漸附著并結(jié)垢，見圖4。

圖4 催化劑在動葉片葉身結(jié)垢

隨著日積月累，動、靜葉片氣動通流部位氣流阻塞，改變了煙氣輪機原來的氣動設計，導致煙氣輪機回收效率下降，煙氣輪機輸出功率相應減小。由此不僅浪費了部分可回收能源，而且為了維持再生器的正常運行還加大了電機的輸出能耗，整個能量回收系統(tǒng)功效基本沒有被發(fā)揮出來。

2.2.2過渡襯環(huán)流道表面結(jié)垢

高溫煙氣中部分催化劑還會在煙氣輪機過渡襯環(huán)流道表面附著，典型的結(jié)垢現(xiàn)狀見圖5。

圖5 催化劑在過渡襯環(huán)流道表面結(jié)垢現(xiàn)狀

過渡襯環(huán)和動葉片裝配時，需嚴格控制二者的安裝間隙，既要考慮動葉片在高溫流場內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時二者間的最小安全間隙，還要考慮安裝間隙的大小對于煙氣輪機回收效率的影響。只有使動葉片和過渡襯環(huán)的安裝間隙處于一個最佳設計范圍，才能保證煙氣輪機安全穩(wěn)定高效運行。

如果催化劑的附著、結(jié)垢改變了葉頂間隙，則將導致動葉片葉頂與結(jié)垢的催化劑表面碰磨損傷，嚴重時可導致動葉片發(fā)生斷裂，造成整個裝置停車。

3 煙氣輪機存在問題原因分析

3.1 催化劑沖蝕動葉片

煙氣輪機流道內(nèi)介質(zhì)為氣固兩相的高溫煙氣，動葉片工作環(huán)境惡劣。雖然目前采用長城系列噴涂層來提高其抗沖蝕性能，但當煙氣輪機運行工況發(fā)生某種變化，例如高溫煙氣中催化劑含量大量增加時，就會加劇動葉片保護涂層的破壞。

根據(jù)大量研究表明，動葉片一次流磨損經(jīng)驗公式為：

E=KZv2d3α

式中，E為磨損量；K為系數(shù)(與粒子的硬度、密度及葉片或涂層的性質(zhì)有關)；Z為催化劑質(zhì)量濃度(標準狀況下)，mg/m3；v為粒子速度，m/s；d為粒子直徑，μm；α為沖擊角度系數(shù)。

從上述公式可以看出，催化劑粒子直徑三次方與葉片磨損量成正比關系，對上式結(jié)果的影響尤為突出。當煙氣中大直徑催化劑粒子含量增加時，就會加劇對葉片的磨損。

3.2 催化劑結(jié)垢問題

3.2.1動、靜葉片葉身部位結(jié)垢

新型催化劑的使用，使得煙氣在適宜的溫度、濕度下生成低熔點共晶體。當煙氣通過動葉片時，由于自身做功的緣故產(chǎn)生焓降，煙氣溫度達到了低熔點共晶體的產(chǎn)生溫度(500～570 ℃)。低熔點共晶體讓催化劑變得比較黏稠，一些細小催化劑粉末由于摩擦帶靜電荷而具備一定吸附性能，在動、靜葉片流道形成渦流部位漸漸吸附沉積下來[5-6]。

3.2.2過渡襯環(huán)流道表面結(jié)垢

煙氣輪機使用過程中，采用過熱蒸汽對煙機輪盤進行冷卻。這些冷卻蒸汽進入流道后與高溫煙氣混合，其中煙氣中一些較大直徑的催化劑顆粒與冷卻蒸汽結(jié)合后易形成低熔點共晶體，使得催化劑變得比較黏稠，在流道內(nèi)離心力作用下容易粘結(jié)在過渡襯環(huán)內(nèi)表面。當過渡襯環(huán)流道表面催化劑堆積到一定厚度時，就會和動葉片葉頂部位發(fā)生動靜摩擦，摩擦所產(chǎn)生的高溫高壓可以進一步燒結(jié)催化劑，讓催化劑變的更加堅固、堅硬[7-8]。

3.2.3催化劑結(jié)垢影響動葉片發(fā)生斷裂

煙氣輪機動葉片運行工況惡劣，葉身及榫齒承受復雜多變的交變應力：①動葉片在高速旋轉(zhuǎn)的同時承受巨大的離心力、介質(zhì)作用力。②各種受力情況下動葉片內(nèi)部承受拉應力及彎曲應力。③當過渡襯環(huán)流道表面催化劑結(jié)垢物和動葉片發(fā)生動靜摩擦時，發(fā)生動靜摩擦處溫度急劇升高，使動葉片承受額外的摩擦力和由此產(chǎn)生的彎曲應力。④動葉片長期處于一個不均衡的溫度場內(nèi)，還將承受溫度變化所帶來的熱應力[9-11]。動葉片長期工作于上述復雜工況下，葉頂部位及葉片第一榫齒表面由于疲勞產(chǎn)生微小裂紋源，并在一段時間內(nèi)發(fā)生裂紋延伸和擴展，最終發(fā)生疲勞斷裂。

流道內(nèi)高溫煙氣含有硫、氯等腐蝕性元素和少量蒸汽，當葉片外表保護涂層被沖蝕掉后，這些腐蝕性元素就會在葉片外表面應力相對比較集中部位產(chǎn)生應力腐蝕，宏觀上會出現(xiàn)一些小腐蝕凹坑(圖6)，這些腐蝕坑內(nèi)由于應力集中導致材料強度不夠生成裂紋。裂紋源在腐蝕介質(zhì)和內(nèi)應力的共同作用下，加劇延伸發(fā)展，最終導致葉片斷裂[12-13]。

圖6 葉片表面沖蝕部位應力腐蝕

4 改進措施

4.1 催化劑

4.1.1催化劑含量及粒度分布監(jiān)控

從動葉片磨損經(jīng)驗公式可以看出，大直徑的催化劑顆粒對葉片的破壞是很明顯的。HG/T 3650—2012《煙氣輪機技術條件》[14]對煙氣中催化劑顆粒的濃度和顆粒直徑有明確的規(guī)定，催化劑質(zhì)量濃度(標準狀況下)不能大于200 mg/m3，其中直徑大于10 μm的顆粒質(zhì)量不能超過總質(zhì)量的3%。因此，要求在裝置開工后加大流道內(nèi)煙氣催化劑含量及分布的監(jiān)測頻率并且及時調(diào)整到合適的范圍。

4.1.2改進催化劑性能

催化劑中的鈉、釩、鈣、磷及硫等元素和蒸汽結(jié)合容易在流道內(nèi)形成低熔點共晶體，需要從催化劑的制造工藝出發(fā)，減少這些有害元素的含量或者破壞其形成低熔點共晶體的條件。因此，有必要提高催化劑顆粒的耐磨損指數(shù)和強度，以減少催化劑粉末的形成[15]。

4.1.3在線熱循環(huán)方法除垢

煙氣輪機運行過程中，可以通過調(diào)節(jié)煙機入口蝶閥來增大輪盤冷卻蒸汽量，并以此改變煙氣流量及溫度。利用結(jié)垢催化劑和其結(jié)垢面線膨脹系數(shù)不同的特性，讓附著在流道內(nèi)的催化劑結(jié)垢物分離脫落，達到除垢和降低煙機振動的目的。

4.2 煙氣輪機結(jié)構改進

4.2.1過渡襯環(huán)豪克能工藝處理

為防止催化劑沖蝕和結(jié)垢，流道表面精加工后進行豪克能工藝處理，使得流道表面形成壓應力。表面硬度和粗糙度都得以較大提升，破壞了催化劑在此處結(jié)垢的條件，催化劑顆粒不易附著在此處流道表面，見圖7。

圖7 過渡襯環(huán)內(nèi)表面豪克能處理

4.2.2改進輪盤冷卻系統(tǒng)

輪盤冷卻蒸汽采用的是1.0 MPa過熱蒸汽，其在不同工況下的使用量有明確要求。為了減少蒸汽與催化劑結(jié)合產(chǎn)生低熔點共晶體，現(xiàn)場操作應盡量減少蒸汽用量，保證輪盤工作溫度在允許范圍上限。另外，蒸汽在管道內(nèi)部輸送過程會有部分熱量的損失，造成冷卻蒸汽品質(zhì)變差，可在輪盤冷卻蒸汽入口管線附近增加加熱盤管，以提高冷卻蒸汽的入口溫度，減少因蒸汽品質(zhì)不好所帶來的不利影響。

4.2.3改進輪盤冷卻蒸汽冷卻結(jié)構

煙氣輪機輪盤冷卻蒸汽冷卻結(jié)構改進前后示意圖見圖8。

圖8 輪盤冷卻蒸汽冷卻結(jié)構改進前后示意圖

從圖8a可知，原輪盤冷卻蒸汽進入煙氣輪機輪盤前側(cè)后，沿輪盤徑向流動，經(jīng)由動葉片前側(cè)混入高溫煙氣后驅(qū)動葉片輸出機械能。

在這種結(jié)構下，煙機輪盤冷卻蒸汽和做功前煙氣存在交叉混合，勢必會影響做功前煙氣所含能量，進而影響到煙機輸出功。

從圖8b可知，結(jié)構上優(yōu)化設計后在輪盤前側(cè)設置一道可拆卸密封結(jié)構，輪盤上加工冷卻蒸汽導流孔。冷卻蒸汽與做功前的高溫煙氣隔絕阻斷，同時煙氣中催化劑和蒸汽也不再結(jié)合，杜絕了此處催化劑結(jié)垢的條件。通過輪盤上設計的冷卻蒸汽導流孔將冷卻蒸汽導流至輪盤后側(cè)，直接經(jīng)殼體和做功后煙氣混合一同排出。

5 結(jié)語

煙氣輪機設計制造采取上述設計方案優(yōu)化后已成功運用于實際生產(chǎn)。截止到目前，煙氣輪機關鍵零部件運行平穩(wěn)，有效降低了催化劑在煙氣輪機運行過程中帶來的危害，達到了主風機組安全平穩(wěn)長周期運行的目的。