再生器底部过滤器免拆清理装置研究

赵连川，张胜会，李俊伟，付春雨，张文冬，赵泽雨

(1.中国石油化工股份有限公司石家庄炼化分公司，河北 石家庄 050032；2.中国石油化工集团公司能源管理与环境保护部，北京 100728；3.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司，北京 102206)

1 存在问题

催化汽油吸附脱硫(简称S Zorb)装置是汽油产品升级的最后一道工序，在该装置中，催化汽油经吸附脱硫、稳定工序变为低硫精制汽油，送入油品调和单元生产清洁汽油产品，其加工流程示意见图1。

图1 S Zorb装置反应-再生加工流程示意

吸附剂经再生后循环使用。再生过程中吸附剂形成的块状物被再生器底部的过滤器拦截(见图2)。块状物经常堵塞过滤器，影响吸附剂正常运转。生产中操作条件越苛刻(如原料硫含量高、吸附剂再生强度大、硅酸锌生成速率增加)，结块越严重，甚至会导致吸附剂循环长时间中断，装置被迫停工【1-3】。

图2 过滤器安装位置示意

从发现过滤器堵塞到清理完毕，最快也需要1 h，而且清理过程还会排放少量吸附剂粉尘，污染环境。清理期间还经常遇到螺栓拆卸困难、阀门开关困难等意外情况，导致处理时间加长。且过滤器一旦堵塞，往往需清理3次左右，才能彻底将其清理干净。由于过滤器清理导致吸附剂循环长时间中断，常引起产品硫含量超标、新鲜原料汽油切除、再生被迫熄火等问题，严重影响装置平稳运行【4-5】。

2 原因分析

S Zorb再生器原过滤器的设计理念是吸附剂块状物经过滤芯时被拦截落入过滤器底部，过滤器继续发挥过滤作用。但是在生产运行中的实际情况是，吸附剂颗粒立即落入过滤器底部不再流化，处于“死床”的状态，同时还占据了容纳吸附剂块的空间，正常运行中被拦截的吸附剂块状物只能留存在滤芯流通的截面上，使得滤芯流通面积减少，吸附剂循环受阻，最终导致吸附剂循环中断【3】(见图3)。因此，过滤器收纳空间受限是过滤器堵塞频繁的原因之一。此外过滤器孔径较小，是过滤器堵塞频繁的另外一个主要原因【6】。

图3 过滤器受阻情况示意

3 改造方案

3.1 改造思路

针对过滤器运行工况(温度500～520 ℃、压力0.13～0.18 MPa、粉尘输送流速1.0～1.3 t/h)，需要研制一款耐高温、易转动、高强度的破碎装置，以缓解硬块堵塞过滤器的情况【7-9】。研究吸附剂块发现，正常生产中结块的速度和质量都处于一个较低的水平，且结块质地松软。结合上述情况，设计出一款可以在线破碎吸附剂块的装置【10】(见图4)，安装在过滤器内，当出现过滤器堵塞现象后，摇动该装置，即可破碎吸附剂块。这样不仅可以解决操作工劳动强度大、产品质量和处理量受到影响的问题，还可以减少清理过程因吸附剂外排造成的环境污染。

图4 吸附剂块破碎装置构想

3.2 改造技术研究

3.2.1 叶片及搅拌功率设计研究

再生器底部过滤器堵塞的块状吸附剂为粉体混合物，粉体的流变性和流变特征适用流动法的狭缝法【11】。吸附剂结块机理为3ZnS+5.5O2=Zn3O(SO4)2+SO2，形态变化后硬度上升为5～5.5 HRC。正常生产过程中叶片的工作温度为480～510 ℃,此温度范围内普通碳钢的硬度为(34±2)HRC,由此可见，叶片选用碳钢材质即可满足生产需求【12】。

固体颗粒在再生器底部过滤器内的悬浮状态按照Oldshue J P所述，为有沉积带且不断增长的状态，其沉降速度μtt按式(1)计算。

μtt=μt(1-φv)4.56

(1)

式中：μtt——密集状态下的沉降速度，m/s；

μt——自由沉降速度，m/s；

φv——固体颗粒的体积分数，%。

参照搅拌设备【7,13】，考虑到转速在1～100 r/min 之间、叶端线速度1～5 m/s、介质粘度小于2 000 mPa·s，设置叶片数为2。

研究比对后，最初决定将叶片设计为圆柱形，采用电机作为动力，靠叶片快速旋转破碎吸附剂块【6】。

搅拌功率P按照算图法【7】进行计算，见式(2)。

P=NpρN3d5

(2)

式中：P——搅拌功率，W；

Np——功率特征数；

ρ——密度，g/cm3；

N——转速，r/min；

d——叶轮直径，cm。

计算结果显示，设计成手动方式破碎效果较好，操作工劳动强度也低，但是填料密封与轴的摩擦速度快，密封的使用寿命短、泄漏风险大，并且该位置不具备电机接电安装的条件。因此，将叶片设计为刀片形式，叶片正面开刃，并将叶片边缘处切削为锐角，该结构既可满足叶片强度要求，又可以确保在低速下吸附剂块的破碎效果。仅考虑轴承所承受的主要载荷，同时不考虑疲劳失效，即轴承受纯扭矩，截面上仅产生剪切应力，则最大剪应力可按照式(3)计算【7】得到。

τMax=Mt/Wt≤[τ]k

(3)

式中：τMax——计算截面上的最大剪应力，MPa；

Mt——轴所传递的扭矩，N·mm；

Wt——抗扭截面系数，mm3；

[τ]k——降低后的扭转许用剪应力，MPa。

叶片转动的动力依靠手动旋转的方式提供。经实际测量后，确定叶片长度为36 mm，双叶片对称布置。

3.2.2 搅拌轴承及密封研究

按照扭矩计算轴的强度时，仅考虑轴向受力，忽略轴端扰动【14】，驱动最优方式及选型按照永田进治【15】的论述，采用最简单的人工转动手柄。

针对转动轴承密封效果不好、吸附剂进入轴承内轴承滚珠不能正常滚动【16-18】的问题，经过比选和改进，将传动轴外径与轴承内径设计为间隙配合，采用梯形柱状滚动轴承。这样万一吸附剂进入轴承内，轴承滚珠还留有活动裕量，轴与轴承的间隙可以确保传动轴正常转动；同时选择适合端面密封的干式有接触式密封【16-17】形式，可满足泄漏量标准要求【19】。

3.2.3 滤芯、叶片、传动轴同心度研究

实际测量滤芯外径与过滤器内径尺寸，制作滤芯固定环。安装时，将固定环套在滤芯外部，既可将滤芯固定在管线中心，同时还可以保护滤芯，防止滤芯在使用过程出现开焊、变形的问题【20】。

密封内侧安装传动轴的固定轴承，外侧安装摇杆固定支架，通过两点固定，确保传动轴与滤芯的同心度。使用方式为间歇使用。

3.2.4 滤芯的孔径研究

少量的吸附剂小块存在于系统内并不会影响吸附剂的使用效果，且后部管线、阀门的流通孔径远大于8 mm，也不会影响吸附剂输送。基于上述原因，应适当加大滤芯孔径，由原来的4 mm加大至8 mm，孔距保持4 mm不变，这样既可以增加流通面积、减少过滤器堵塞的次数，还可确保该设备的使用效果，同时又可避免直径8 mm以下的吸附剂块堵塞阀门形成新的堵塞点【21】。

4 现场应用

研究成功的再生器底部过滤器免拆清理装置(见图5)于2019年12月31日在中国石化石家庄炼化分公司安装并投入使用，测试结果显示，一次成功率100%。

图5 再生器底部过滤器免拆清理装置

下面对其具体操作步骤进行介绍。

当内操作工观察到下料滑阀压差指示过滤器堵塞、再生下料不畅时，按照如下步骤进行处理：

第一步，顺时针摇动手柄20圈，同时观察下料滑阀压差变化，若上升至正常值，则说明已恢复下料。

第二步，如果下料效果未改善或效果不佳，则可能是吸附剂块架桥，聚集在滤芯上方或上方管线内。此时，外操作工可关闭下料滑阀后手阀，反吹过滤器。反吹完毕后，打开后手阀，观察下料情况，再次出现下料不畅的情况后，重新摇动旋转手柄20圈，再次清理过滤器，并观察清理效果，直至正常。

对上述操作步骤的注意事项说明如下：

1)反吹可以破坏吸附剂块在管线内或滤芯内的架桥现象，使其自由滑落至该装置的叶片处，此时再次摇动手柄，即可破碎吸附剂块。

2)具体操作手柄旋转圈数要根据实际情况确定。

3)为保证填料密封的使用寿命，下料正常的情况下，禁止转动手柄。

4)出现密封泄漏的情况时，应及时紧固填料压盖、切断物料，避免造成人身伤害。

5 改造效果

2019年前7个月，吸附剂过滤器出现3次堵塞，由于吸附剂循环中断时间较长，产品硫含量超标，装置被迫降低新鲜进料维持生产。

2019年12月31日，本清理装置安装到位，至2020年6月底，半年内未出现过滤器堵塞导致装置降量的情况。对比 2017、2018、2019三年的同期堵塞次数，过滤器的堵塞状况有了明显好转(见图6)。

图6 过滤器堵塞次数统计

2020年7月21日，该过滤器出现改造后的第1次堵塞，现场摇动手柄，仅10 min即处理完毕，免除了拆卸过滤器及其滤芯的工作，大大缩短了异常处理时间，未影响装置正常生产。

通过上述对比可以看出，再生器吸附剂过滤器改造完成后，过滤器堵塞次数明显下降，堵塞后的处理时间明显缩短，未出现影响产品质量和新鲜进料的情况，为装置的平稳运行奠定了良好基础。

使用该装置前，每年清理过滤器10～12次，每次跑损吸附剂50 kg左右(吸附剂单价20万元/t)。使用后，过滤器清理次数降低至每年3次，跑损吸附剂仍按照50 kg/次计算，则年节约费用(使用该装置前，按每年平衡清理11次计算)8次/a×0.05 t/次×20万元/t=8万元/a。

6 结论

1)再生器底部过滤器免拆清理装置设计合理、参数准确，安装后，一次成功率100%，年节约费用8万元。

2)再生器底部过滤器免拆清理装置可以解决再生器吸附剂过滤器因堵塞经常导致吸附剂循环中断的问题，应用该装置后，实现了免拆过滤器及滤芯的清理，操作快捷、方便、安全、环保。

3)再生器底部过滤器免拆清理装置安装在过滤器内，当出现过滤器堵塞现象时，摇动该装置即可破碎吸附剂块，可降低劳动强度、减少处理过程安全环保风险、确保产品质量、实现S Zorb装置平稳生产。