催化裝置三級旋風分離器改造后煙氣粉塵分離性能試驗解析

朱玉鎮,高強,孟昭凱,葉樂,楊衛鋒,李曰強,肖申瑋,郭軼明,郭亭亭

(中國中化正和集團股份有限公司,山東 東營 257342)

催化裝置反再系統產生的高溫煙氣經三級旋風分離器進行分離,分離后的煙氣進入煙機機組,煙機入口高溫煙氣中所夾帶的催化劑粉塵濃度和顆粒度大小直接影響煙機葉片的使用壽命。催化劑粉塵顆粒分離性能的高低是檢驗三級旋風分離器分離效果的重要指標,煙氣粉塵顆粒的分離效果對煙機機組的安全運行有較大影響[1]。定期對煙機入口的煙氣粉塵顆粒度進行檢測,能夠及時掌握煙氣粉塵濃度和顆粒度,及時指導工藝調整,是保證煙機長周期安全運行的必要手段。三級旋風分離器是高溫煙氣粉塵分離的重要設備,如何充分提高其對高溫煙氣粉塵的分離效率,降低粉塵的顆粒度,是關注的重點[2]。從目前余熱鍋爐的使用效果來看,煙氣的回收效率還有很大的提升空間。

本文在管立式結構的基礎上進行了優化,并在投入運行后進行了高溫煙氣粉塵分離檢測試驗,結果顯示此次改進和優化有助于提高煙氣粉塵分離效率。

1 單管立式旋分直徑改進

本文對現有三級旋風分離器的分離單元進行了改進更新,將92根φ250 mm的PDC立式旋分單管改造為64根直徑為300 mm的PSC-300型高效旋分單管,改造后單管直徑增大,數量有所減少。PSC-300型高效旋分單管與PDC立式旋分單管相比,性能更好,結構更為簡單,同時還兼有PDC型旋風管的優點。PSC型旋風管在排塵口形成有效的“旋流屏障”作用,從流場上克服了PDC型單管存在的不足,對催化劑粉塵顆粒的分離效果比PDC型旋風管效果要好[3]。

2 煙氣粉塵采樣原理及采樣方法

2.1 樣品采集原理

煙氣采集工具由采集器、冷凝控制器、調節控制器、過濾系統、計量儀表、輸送控制器等組成,樣品采集位置設置在三級旋風分離器出口的垂直立管上,取樣位置符合規范要求。煙氣出口的垂直管段較長,這就為管內煙氣粉塵的均勻分布、氣流穩定創造了條件,平穩的裝置操作,能夠實現快速、準確的檢測煙氣粉塵濃度[4]。

煙氣中不同直徑大小的粉塵顆粒在煙道內不均勻分布。測量煙氣的粉塵氣流,主要受煙氣的流速、壓力、溫度影響,因此以上指標是實驗分析的重點,本采樣方法是根據催化裝置的工藝特點以及粉塵濃度實際狀況,量身定做的一套煙氣粉塵濃度檢測設備,能夠保證實驗的效果[5]。

煙氣顆粒濃度、顆粒度分布變化規律,受煙氣粉塵直徑大小、性質、流向、速度等因素的影響。因此,正確選取煙氣粉塵取樣位置,科學布置取樣點是精確測量的前提[6]。

2.2 樣品采集方法

煙氣取樣口位置設置在煙氣管道內煙氣的對流方向,利用過濾桶過濾煙氣中的粉塵顆粒。通過檢測采集的煙氣量和粉塵量,計算煙氣粉塵濃度。利用mastersizer2000E 型激光粒度儀對粉塵粒度分布進行分析。根據煙氣取樣規范要求,設置4個取樣口,均勻分布在煙氣管道半徑距離相同的4個點,并使用標記濾筒單獨采樣[7]。

本文采樣方法并不是通過測量“S”型畢托管的全壓和靜壓來計算管道的各點流速,而是根據裝置的工藝參數計算出大管道的平均流速,然后控制采樣口流速使其達到或接近于管道的平均流速,達到等速采樣要求。

本文采用單點固定采樣方式。經驗表明,對于催化裂化裝置,其特點是排出的再生煙氣具有較高氣流速度且催化劑顆粒直徑又十分微細,可以認為大管道內如果氣流速度分布均勻,則催化劑顆粒的濃度分布基本上亦是均勻的[8]。

為保持等動采樣,對采樣煙氣流量進行控制,其相關計算過程及公式如下所示。

煙道內采樣點處的煙氣平均流速公式:

式中:Q0——煙道內標準狀態下的煙氣體積流量,m3/h;

k——采樣期間的煙風比系數;

D——采樣煙道內徑,mm;

T1——采樣時采樣點處的煙氣溫度,K;

T0——標準狀態下的煙氣絕對溫度,273 K;

P1——采樣時采樣點處的煙氣絕對壓力,MPa;

P0——標準狀態下的煙氣絕對壓力,0.1 MPa。

為保證等動采樣,進入采樣嘴的煙氣流速應與煙道內采樣點處的煙氣流速相等,因此進入采樣嘴的煙氣流量(m3/s)應為:

式中:d——采樣嘴內徑,mm。

采樣時調節控制閥,使轉子流量計的讀數為:

式中:T2——煤氣表前采樣煙氣的絕對溫度,K;

P2——煤氣表前采樣煙氣的絕對壓力,MPa;

Xw——煙氣中水蒸氣體積百分比;

式中:Gw——采樣期間冷凝器收集到的冷凝水量,mL;

Vc——煤氣表指示的采樣氣總體積,m3。

2.3 采樣步驟

2.3.1 待測裝置數據采集

采樣點處煙氣溫度T1、采樣點處煙氣壓力P1、待測煙氣管道內徑D、主風量及增壓風量Q0、煙風比K、雙動滑閥開度α、煙氣中水蒸汽的體積分數Xw等數據。采樣前預先計算出煙氣的流速,等速采樣條件下,計算轉子流量計的流量讀數,計算好采樣桿的伸入長度,采樣前對采樣濾筒空桶稱重。

2.3.2 裝置連接

把煙氣測量裝置各個部分預先搬到測量位置,用水桶準備好冷凝水,用橡膠軟管把冷凝器、轉子流量計、煤氣表、壓力表等進行連接。各接口用卡箍壓緊密封,確保轉子流量計豎直,冷凝器裝滿冷凝水且收液罐內無液體。

取樣桿連接:先打開采樣口的閘閥,確保取樣口管道通透,無堵塞。預先在DN40密封法蘭的盤根槽內纏好石墨盤根,用螺栓連接好,不壓緊。戴好隔熱手套、口罩等防護措施。把前端的DN100大法蘭與裝置的采樣口法蘭連接,做好采樣桿起始位置的標記,加墊片密封好,鎖緊螺栓。打開采樣口的閘閥,把采樣桿插入到指定位置,然后鎖緊DN40的密封法蘭螺栓。確保采樣桿插入長度正確,采樣嘴方向為正對氣流方向,流量控制閥一直處于關閉狀態。

把粉塵收集器安裝到流量控制閥后,用金屬軟管連接粉塵收集器及冷凝器。

2.3.3 測量

根據采樣前預先計算好的煙氣流速及在等速條件下轉子流量計的流量讀數,通過調節流量控制閥,使其流量保持在等速采樣的流量的狀態。

2.3.4 采樣結束

在采樣結束后,先關閉流量控制閥,拆下粉塵收集器,以免在拆下采樣桿的過程中樣品損失。

松開DN50的密封法蘭螺栓,拔出采樣桿,測量好采樣桿的拔出長度,保證采樣嘴在采樣口的閘閥閥板外,以免壓壞采樣嘴,引起事故。關閉采樣口的閘閥,卸下前端的DN100大法蘭,采樣結束。

2.4 采樣系統的構成

催化劑采樣系統由采樣管、采樣器、調節伐、微型流量計、電子溫度計和壓力計等組成,集成后如圖1所示。

圖1 采樣系統集成示意圖

說明:

采樣管——外徑為10 mm高級不銹鋼帶密封組合件;

采樣器——外徑為40 mm內裝高捕集效率過濾筒的組合件;

微型流量計——標準狀態下流量范圍1.0～4.0 m3/h,孔板流量曲線單個標定;

壓力計——用于控制和調節采樣速率;

電子溫度計——用于測量采樣煙氣溫度。

3 數據采集

在相同條件運行工況下,利用采樣設備分別對三旋入口和三旋出口進行煙氣采集,煙氣采集項目及數據統計如表1、2所示。

表1 三旋入口采樣數據統計表

表2 三旋出口采樣數據統計表

4 粉塵含量計算及粉塵粒度分析

通過對三旋入口、出口煙氣采集數據進行統計分析,結合上述公式,計算出煙氣的濕基濃度和干基濃度。結果顯示,三旋入口、出口的數據相差較大,計算結果如表3所示。

表3 三旋入口煙氣中催化劑濃度計算結果

根據煙氣取樣量和煙氣粉塵含量,計算出樣品煙氣中粉塵顆粒濃度。利用mastersizer2000E型激光粒度儀對粉塵的粒度分布進行分析。

1)煙氣粉塵粒度在三旋入口的分布:三旋入口煙氣粉塵顆粒的粒度分布如圖2所示,其中0～20 μm:90.21%;0～40 μm:100%;D(v,0.5):8.228 μm。

圖中縱坐標中左面體積分數表示不同粒度的其中一種顆粒,其含量占樣品總量的百分比,右面篩下累積率表示小于某一粒徑的所有粉塵顆?？偤驮跇悠房偭康恼急?。

2)煙氣粉塵粒度在三旋出口的分布,通過對煙氣粉塵粒度實驗分析,結果顯示粒度分布如圖3所示,其中0～20 μm: 96.22%;0～40 μm:100%;D(v,0.5):1.071 μm。

圖中縱坐標中左面體積分數表示不同粒度的其中一種顆粒,其含量占樣品總量的百分比,右面篩下累積率表示小于某一粒徑的所有粉塵顆?？偤驮跇悠房偭康恼急?。

5 三旋分離效率計算

三旋分離效率利用如下公式進行計算:

式中:η——三旋總分離效率,%;

C0——三旋出口煙氣中催化劑平均質量濃度(工況下濕基質量濃度),mg/m3;

Ci——三旋入口煙氣中催化劑平均質量濃度(工況下濕基質量濃度),mg/m3。

6 三旋分離效率分析

通過對三旋入口粉塵顆粒濃度和粒度實驗結果數據顯示,改造后三旋入口催化劑粒徑均在40 μm以下,濕基質量濃度為702 mg/m3,其中粒徑在0～5 μm范圍的占34.35%,0～10 μm范圍的粒徑占比58.61%,粒徑在0～20 μm范圍的占90.21%,0～40 μm范圍占比100%,平均粒徑為8.227 μm。三旋出口催化劑在同等工況下濕基質量濃度為77 mg/m3,其中粒徑在0～5 μm范圍的占93.41%,粒徑在0～10 μm范圍的占94.22%,粒徑在0～20 μm范圍的占96.22%,0～40 μm范圍粒徑占比100%,平均粒徑為 1.071 μm。三旋分離效率為88.96%。

7 結束語

通過煙氣檢測實驗結果顯示,將PDC立式旋分單管改成PSC-300型高效旋分單管后,改造后的三級旋風分離器對高溫煙氣中的催化劑粉塵顆粒分離效果明顯提高,PSC-300型高效旋分單管可以更有效地回收高溫煙氣粉塵,減少高溫煙氣中催化劑粉塵損失,實現了降本增效,有助于提高煙機機組的安全平穩運行,是一次成功的改造。