2號催化裂化裝置三級旋風分離器技術改造

楊家兵

(中國石油化工股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430082)

1 項目改造背景

某2號催化裂化裝置為高低并列式催化裂化裝置，處理能力為1.00 Mt/a重油。裝置1995年8月建成投產，2010年起，三旋性能開始出現波動，出口煙氣激光粒度儀所得到的數據波動較大，煙氣手工采樣的樣品中粒徑小于10.00 μm的只占總顆粒體積的84.55%，未達到煙機入口粉塵粒度控制指標[D(V，90%)≤ 10.00 μm]的要求，最大顆粒粒徑達到了18.58 μm，表明三旋出口煙氣中含有大顆粒，分離能力明顯下降；由此，2010～2011年間，煙氣輪機(簡稱煙機)多次發生因催化劑結垢造成的煙機轉子動葉片斷裂、葉片頂部磨損等故障，導致被迫停機進行清垢和更換動葉片處理，嚴重影響了能量回收系統的正常運行。因此，需要對三旋進行改造，提高其分離性能，保證煙機的長周期安全運行。

2 原三級旋風分離單元主要結構及存在的問題

原三級旋風分離器單管采用VAS-250型旋風管，數量為64根，安裝布管如圖1 所示。因三旋在高溫下長期運行，單管吊筒上、下隔板發生較大變形，導致單管旋分部件不對中、間隙不均勻，已經嚴重影響單管分離效率，需進行升級改造。

3 三旋改造方案

3.1 核心分離部件——導葉式旋風管

鑒于目前立管式三旋的分離性能已顯著下降并對煙機的運行造成嚴重影響，故決定對其進行改造。本次改造三旋殼體利舊，分離元件改用由中國石油大學(華東)開發的導葉式旋風分離技術，其核心部件為PSC-300型導葉式旋風管。這種高效低阻型旋風管的結構形式如圖2所示，其突出的性能優點是對10 μm以下的細顆粒分離能力強，能有效降低三旋出口細粉濃度，延緩煙機內催化劑結垢趨勢，保證煙機長周期運行。

3.2 三旋工藝參數

三旋工藝參數見表1。

3.3 單管數量的確定

選用PSC-300型旋風管，其正常操作工況下額定處理量為3 000 m3/h，則：

三旋正常操作時所需要單管數量為：

選用35根PSC-300型旋風管，實際單管處理風量為3 027 m3/h，在此工況范圍內，立管三旋分離性能應能夠達到以下指標：

1) 三旋出口煙氣催化劑含量不大于120 mg/m3；

2) 三旋出口煙氣粉塵粒度中大于10 μm的顆粒體積百分比不大于1%；

圖1 原立管式三旋內吊筒的結構與布管方式示意

圖2 PSC-300型旋風管的結構形式表1 三旋工藝參數

參數正常操作值進入再生器主風量(總)(標準狀態)/(m3·h-1)92 700再生器頂部壓力P/MPa(表)0.230再生器頂部溫度T/℃676煙風比k1.07再生器一、二旋總壓降/kPa6.7催化進料G/(t·h-1)132催化劑單耗(自然跑損)(油)/(kg·t-1)0.76三旋進口壓力P/kPa(表)220三旋進口溫度T/℃680三旋壓降/kPa9.0三旋進口總煙氣量(正常操作工況下)/(m3·h-1)105 933.3臨界噴嘴前溫度T1/℃643臨界噴嘴前壓力P1/MPa(表)0.206臨界噴嘴后溫度T2/℃532臨界噴嘴后壓力P2/MPa(表)0.012臨界噴嘴喉口直徑d/mm65臨界噴嘴管道直徑Do/mm219

3) 三旋總壓降不大于12 kPa，誤差±10%。

3.4 三旋內吊筒整體結構設計

立管式三旋的內吊筒結構及布管方式如圖3所示。由圖3可見，該三旋共35根PSC-300型旋風管，其布置方式為φ3 000 mm的內圈排17根旋風管，φ3 800 mm的外圈排18根旋風管。為提高內吊筒在高溫下的強度和穩定性，上隔板采用內壓球面形封頭，球面半徑為SR4600 mm，厚度為25 mm； 下隔板采用標準碟形型封頭，隔板厚度取25 mm。

3.5 內置式四旋的設計

原裝置三旋的泄料系統中沒有四旋，三旋分離下來的廢劑直接排到廢劑罐中，經重力沉降后收集起來，凈化后的煙氣經臨界噴嘴進入主煙道。由于廢劑罐的容積較小，從三旋進入的煙氣攜帶的分離下來的催化劑細粉很容易逃逸，造成廢劑罐中收不到細粉，從而增加了下游脫硫系統對粉塵處理的負荷。因此，本次改造需要增加四旋，使其既能順利將細粉從三旋中排出到廢劑罐中，又能夠凈化煙氣，保護臨界噴嘴后的下游設備。由于現場空間有限，常用的外置切流式四旋無法安裝，因此，采用中國石油大學(華東)開發的內置式四旋，分離元件仍為導葉式旋風管，并把四旋單管直接放入廢劑罐中，如圖4所示。

圖3 立管式三旋的內部結構及布管方式

圖4 內置式四旋安裝示意

四旋單管的處理氣量由臨界噴嘴的泄氣量決定。可根據表1中操作參數，由式(1)計算得出。

(1)

式中：qm——流過臨界噴嘴的質量流率，kg/s；

C——孔板型臨界噴嘴的流量系數，取0.89；

γ——絕熱系數，取1.4；

R——煙氣的氣體常數， J/(kg·K)；

P1——臨界噴嘴入口絕對壓力，MPa；

T1——入口溫度，K；

d——孔板喉部直徑， m。

則四旋的處理量為：

(2)

式中：P3——廢劑罐入口絕對壓力，MPa；

T3——廢劑罐入口溫度，K；

ρm——煙氣在臨界噴嘴入口處的密度，

kg/m3。

上述參數取值如下：

R=287.64 J/(kg·K)，P1=0.306 MPa，

T1=916 K，d=0.065 m，P3=0.316 MPa，

T3=925 K，ρm=1.10 kg/m3。

由式(1)和式(2)計算可得，四旋在操作工況下處理煙氣量為：Qm=3 085 m3/h。因此，取1根PSC-300型旋風管即可滿足四旋的分離要求。

4 三旋分離性能熱態采樣標定

本次三旋改造于2016年4月進行，10月煙機運行正常后，為考核三旋運行狀態及分離性能，保證煙機長周期安全運行，中國石油大學(華東)技術人員對催化裝置三旋出口煙氣含塵量進行了熱態采樣標定。

4.1 采樣測試方法與原理

本次采樣對三旋出口煙氣中催化劑濃度及粒度分布進行采樣標定。采樣口設在垂直立管段上，位置符合采樣規范要求。三旋出口煙氣直管段較長，管內氣流較穩定，粉塵分布較均勻，同時裝置操作一直很平穩。采樣技術采用美國ASME提供的等動采樣方法。采樣時，將采樣嘴直接置于煙氣氣流中并正對氣流方向，含塵煙氣中的粉塵由外置的采樣濾筒過濾下來。根據采樣氣量和收集的粉塵質量，計算出采出煙氣中的粉塵濃度。粉塵粒度分布用LS230型激光粒度分析儀進行分析。根據采樣規范的要求，在煙氣管道半徑范圍內布置4個測點。每個濾筒對2個位置進行采樣，分別采樣200 min以上。采樣流程如圖5所示。

圖5 三旋出口煙氣采樣流程

4.2 煙氣中催化劑含量檢測結果

經采樣標定，標準工況下三旋出口煙氣中催化劑干基濃度(標準狀態)為99.6 mg/m3，濕基濃度(標準狀態)為92.5 mg/m3，滿足煙機入口條件。

4.3 采樣粒度分析

三旋出口煙氣采樣粒度分布如圖6所示。(注：改造前后分別由2家不同單位進行采樣，采樣儀器雖不同，但粉塵粒度分布均采用激光離子分析儀進行分析；從煙機檢修現場情況分析，改造前粉塵量很大，改造后粉塵量明顯減少。)

由圖6中采樣顆粒的粒度分布曲線可知：三旋出口煙氣中全部是10 μm以下的細顆粒，完全達到煙機的入口條件要求。

圖6 三旋出口煙氣采樣粒度分布

4.4 三旋總壓降

實測三旋總壓降為13 kPa，基本達到設計指標要求。

5 結語

針對催化裝置煙機運行出現的問題，在原有三旋殼體內，采用35根新型PSC-300型導葉式旋風管、1根單管的內置式四旋的方案進行改造。改造完成重新開工后，三旋、四旋均運行平穩。現場對三旋出口煙氣在線采樣標定的數據顯示，煙氣中催化劑濃度及粒度均達到煙機入口條件要求，廢劑罐能夠正常排出三旋細粉，為煙機長周期安全運行提供了有力保障。