催化裂化催化剂胶渣薄膜干燥技术的开发及应用

2018-04-27王天宝谭永鹏

石油化工 2018年4期

杨凌，王天宝，高妍，谭永鹏

（1.中国石化催化剂有限公司齐鲁分公司，山东淄博 255300；2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃兰州 730060）

在催化裂化催化剂的生产过程中，洗涤过滤、气固分离、物料输送等工序的效率都不能达到100%，跑损的物料会随着滤液、尾气吸收水进入综合污水处理系统，经中和、沉降和板框过滤后形成胶渣。板框处理后胶渣的水含量一般约为80%（w），黏度较大，且具有一定的磨蚀性。随着环保要求的提高，需要对催化裂化催化剂生产过程中产生的胶渣固体废弃物进行专门处理。

张志民［1］利用催化剂胶渣中硅、铝等物质含量较高的特点，直接采用催化剂胶渣作为合成分子筛的原料，由于胶渣中稀土含量较高，通常会影响分子筛的结晶度。催化剂胶渣中还含有大量的稀土金属等。专利［2-5］公开了从胶渣中回收硅、铝及稀土金属的方法，但技术还不成熟，未见工业化应用的报道。孙德亮等［6-7］利用催化剂胶渣制取釉面砖作为建材使用，成为胶渣利用的一个较好的途径。在胶渣资源化处理过程中，无论是硅、铝及稀土金属的回收，还是制取釉面砖，高湿含量（水含量高）的胶渣在存储和运输过程中均会出现渗水，不仅影响存储和运输过程的环境，而且大量水分的存在还增加了回收过程的能耗，从而限制了胶渣资源化使用范围，提高了胶渣的后续回用成本。选择合适的干燥技术，降低胶渣的水含量，不仅可以改善环境，也为胶渣的资源化回用提供了更大的可能性。

本工作介绍了催化裂化催化剂胶渣薄膜干燥技术的实验研究及工业化应用情况。

1 实验部分

针对催化裂化催化剂生产过程中产生的胶渣物料进行实验研究，主要包括胶渣静态干燥实验和胶渣薄膜干燥机实验。

1.1 胶渣静态干燥实验

采用快速水分分析仪对胶渣进行静态干燥，称取5～10 g的胶渣置于快速水分分析仪内，分别在100，120，140，160 ℃下对胶渣物料进行干燥处理。

1.2 胶渣薄膜干燥机实验

采用薄膜干燥机对胶渣物料进行干燥，薄膜干燥机的结构示意图见图1。由图1可见，胶渣薄膜干燥机主要由热轴、机身、端板、上盖及传动系统等组成。工作时，薄膜干燥机的两根空心热轴及夹套内均通入加热介质，并通过干燥机壁面对物料进行加热，薄膜干燥机两根热轴之间可相互啮合，因此具有自清理作用，防止物料黏壁，适用于湿含量高、黏度大的物料。

图1 胶渣薄膜干燥机的结构示意图Fig.1 The structural diagram of the dreg film drier.

图2 胶渣薄膜干燥工艺流程Fig.2 The drying process diagram of the dreg film.

将一定量的胶渣物料连续、均匀地加入到薄膜干燥机中，胶渣物料与蒸汽通过薄膜干燥机的壁面进行间接换热，同时物料在薄膜轴的作用下逐渐向干燥机出口方向移动，在此过程中，胶渣物料中的水分被不断蒸发，干燥后的胶渣物料由薄膜干燥机出口排出，蒸发出的水分和干燥尾气在引风机的作用下，通过布袋除尘器除尘后排空。本实验研究了进料量及干燥温度对胶渣干燥过程的影响。

2 结果与讨论

2.1 胶渣静态干燥实验结果

不同温度下胶渣的干燥曲线见图3。由图3可看出，胶渣物料的初始干基湿含量为2.2～2.6 g/g（基于绝干基物料，绝干基物料是指不包含水分的物料），即湿含量为68.7%～72.2%（w）；随着干燥温度的升高，胶渣物料完全干燥所需时间大幅缩短。不同温度下胶渣的干燥速率曲线见图4。

图3 胶渣的干燥曲线Fig.3 Drying curves of the dreg.

图4 胶渣的干燥速率曲线Fig.4 Dry rate curves of the dreg.

由图4可看出，随干燥温度的升高，胶渣的干燥速率迅速增大。物料的干燥过程一般分为3个阶段：物料升温段、等温蒸发段及降速段，干燥温度为100 ℃和120 ℃时，物料的等温蒸发段不明显，干燥过程由物料升温段直接进入降速段。造成这种现象的主要原因可能是胶渣物料中含有多种结合水，当物料升温时，其中的少量结合水被破坏，从而变成自由水，干燥过程开始对自由水进行蒸发（表面蒸发）时，即等温蒸发段，由于干燥温度较低，析出的自由水含量较少，导致等温蒸发段不明显，干燥过程曲线显示由升温段直接进入降速段。在干燥温度为140 ℃和160 ℃时，胶渣的干燥过程中出现明显的等温蒸发段，说明随着干燥温度的升高，由结合水变成的自由水增多。干燥温度为140 ℃时，当胶渣的干基湿含量为1.2～1.8 g/g（湿含量为54.5%～64.3%（w））时，干燥过程处于等温蒸发段，当湿含量达到54.5%（w）后，进入降速段；干燥温度为160 ℃时，当胶渣的干基湿含量为0.7～1.3 g/g（湿含量为41.2%～56.5%（w））时，物料干燥过程处于等温蒸发段，当物料的湿含量达到41.2%（w）后，干燥过程进入降速段。

由上述胶渣静态干燥实验可知，随着干燥温度的升高，胶渣干燥所需时间缩短，在工业过程中，从经济方面考虑，可选择胶渣的干燥温度高于120 ℃。

2.2 胶渣薄膜干燥机实验结果

胶渣的湿含量随干燥温度变化的曲线见图5。在胶渣进料量为60 kg/h的情况下，改变加热蒸汽温度，研究不同干燥温度下湿含量的变化。由图5可看出，随着干燥温度的升高，在相同进料量下，胶渣干燥产品的湿含量大幅降低。

图5 胶渣湿含量随干燥温度的变化Fig.5 Change of the dreg moisture content with the dry temperature.Moisture content was based on wet basis.

胶渣的湿含量随进料量变化的曲线见图6。

图6 胶渣的湿含量随进料量的变化Fig.6 Change of the dreg moisture content with the feed flow.Moisture content was based on wet basis.

在加热蒸汽温度为150 ℃的情况下，改变胶渣的进料量，研究不同进料量下湿含量的变化。由图6可看出，随着进料量的增加，在相同加热蒸汽温度下，胶渣干燥产品的湿含量大幅增加。在实验过程中，观察不同湿含量的胶渣物料产生粉尘的情况，当胶渣湿含量低于50%（w）左右时，会有大量的粉尘产生。

根据实验数据及下述公式，对薄膜干燥机的传热系数进行计算：

式中，K为传热系数，W/（m2·℃）；Q为干燥过程中的热负荷，kJ/h；A为薄膜干燥机的传热面积，m2；Δt为干燥过程中的传热对数温差，℃。

在胶渣进料量为60 kg/h的情况下，不同蒸汽温度下薄膜干燥机的传热系数见表1。由表1可看出，随着蒸汽温度的升高，薄膜干燥机的传热系数逐渐增大。

表1 不同蒸汽温度下薄膜干燥机的传热系数Table 1 Heat transfer coefficient for the film drier at different steam temperatures

由上述胶渣薄膜干燥机实验结果可知，使用薄膜干燥机对胶渣进行减量化（即降低胶渣的水含量，提高固含量）处理是可行的，当胶渣湿含量低于50%（w）左右时，会产生大量的粉尘，有可能会产生二次污染，因此，胶渣减量化产品的湿含量可控制在50%（w）以上。随着加热蒸汽温度的升高，胶渣更容易干燥，薄膜干燥机的传热系数增大，因此，加热蒸汽温度升高有利于胶渣减量化。

3 胶渣减量化的工业化应用

根据胶渣静态干燥实验及薄膜干燥机实验结果，针对中国石化催化剂有限公司齐鲁分公司生产过程中产生的催化剂胶渣进行工业化设计，设计处理量为1 000 kg/h，胶渣湿含量为80%（w），设计胶渣产品湿含量为50%（w），加热蒸汽温度为150 ℃（根据厂区内实际蒸汽热源选用），薄膜干燥机换热面积为95 m2。胶渣减量化技术工业应用流程见图7。

图7 胶渣减量化技术工业应用流程Fig.7 Application process diagram of the dreg dry technology.

由图7可见，一定湿含量的胶渣物料进入胶渣料仓中进行缓冲，并在胶渣输送泵的作用下输送至胶渣薄膜干燥机内，胶渣物料与蒸汽进行间接换热，干燥产品进入后续的包装运输单元，干燥后的尾气、湿份及少量粉尘进入布袋除尘器中除尘，除尘后的干燥尾气及湿份由引风机排出，经换热后的蒸汽凝液进入后续系统进行回收利用。

在薄膜干燥机的工业运行过程中，蒸汽温度为150 ℃，胶渣产品的湿含量随进料量的变化见表2。

表2 不同进料量下胶渣产品的湿含量Table 2 Dreg product moisture contents under different feed flow

由表2可看出，薄膜干燥机能达到设计值的要求，当处理量达1 000 kg/h时，胶渣的湿含量为52.1%（w）。在系统运行过程中，随着干燥物料湿含量的增加，由布袋除尘器捕集下来的粉尘量逐渐减少，当湿含量为50%（w）左右时，基本没有粉尘出现，且现场也没有出现粉尘现象。采用该方法，生产过程中产生的胶渣能够及时得到处理，解决了厂区内的环境问题；1 000 kg的胶渣物料通过干燥处理可减少至400 kg，为后续资源化回用创造了条件。