单管三旋泄料锥口通径与操作弹性的关系研究

刘初春

(大连西太平洋石油化工有限公司，辽宁 大连 116600)

炼油厂催化裂化装置烟气三级旋风分离器作为烟气粉尘净化、回收设备，是保证烟气轮机基本运行要求的关键设备，其高效运行对烟机的安全可靠性至关重要，对后部锅炉(烟气余热回收)、烟气脱硫脱硝装置长周期高效运行也有重要影响。

目前的三旋按分离元件类型主要分为两类：单管三旋(内置立管式和卧管式单管)和大旋分三旋(内置常规旋分器)。各种形式的分离元件在一定条件下都能满足生产技术需要。长期以来，导致单管式三旋失效而致烟机入口粉尘含量高的各种原因中，最易频发的是单管泄料锥口结垢堵塞甚至堵死，而烟机入口粉尘含量提高又与烟机叶片结垢密切相关。业内人士对单管泄料锥口结垢原因进行了大量的分析研究，提出了一些改进措施【1-6】，但因结垢而导致三旋失效的问题仍时有发生。

某厂催化装置为两段再生，烟机前采用单管三旋分离催化剂。使用过程中曾经不同程度发生过单管泄料锥口结垢现象，使得部分单管效率降低直至失效。三旋效率下降导致烟机叶片出现结垢及效率下降现象，严重时需被迫切除烟机。结合多次结垢情况进行理论分析认为，单管结垢与泄料锥口通径、粉尘的负荷量密切相关，若采用较大口径泄料锥口，单管的稳定运行可靠性可能更高，操作弹性更大。基于这些认识，某厂在催化停工消缺期间对单管泄料锥口进行了改造，并取得成功。本文将结合工程实践，重点讨论三旋单管泄料锥口结垢失效问题，并提出相应解决办法。

1 单管三旋的高效运行与结垢失效

单管三旋在过去几十年的应用实践证明，烟机结垢与单管失效密切相关。由于技术研发者难以模拟工程实际进行全面深入的研究，因此对单管泄料锥口结垢、烟机结垢机理仍未形成一致观点。迄今为止，三旋研发者和制造者都未对三旋入口粉尘含量、泄料锥口通径、排尘气量及入口粉尘含量与泄料锥口通径之关系提出明确技术指标，究其原因，笔者认为是对单管三旋的研究、认识还不深刻。

1.1 单管三旋结构的演变

单管三旋在上世纪80年代末期开始被推广应用并很快得到普遍使用。从单管布局形式分，单管三旋分为立管式和卧管式两种形式。这两种形式技术原理基本一样，其中立管式三旋的应用更多一些。立管式单管主体结构形式基本没有变化，但单管泄料锥口形式发生了一些演变，由初期的泄料盘结构发展为直筒形、锥形、双锥形及反锥形等，其主要结构形式变化参见图1(a)～图1(c)【7】。从图1(a)～图1(c)可以看出：泄料盘形单管之间不易相互干扰，但容易堵塞而致单管失效；直筒形泄料单管之间易干扰，但畅通不易堵塞，操作弹性大；反锥形单管除气体旋转分离流场更具高效分离条件外，通径口也较大，不容易堵塞。

图1 立管式单管结构演变

1.2 单管三旋的高效运行

三旋的高效运行与烟机的高效运行密切相关，因烟机结垢导致非计划停车、烟机损坏等偶有发生，烟机结垢也已引起业内高度关注。尽管目前业内对烟机结垢的根源仍存不同观点【8-11】，但控制烟机入口烟气低粉尘含量已成普遍共识，且已有很多因一、二、三级旋分低效与烟机结垢有关的案例。烟气粉尘含量高是烟机结垢的主要原因【12】，因此，三旋稳定高效运行的必要性就不言而喻。

影响三旋高效运行的因素是多方面的，如单管处理的烟气负荷量、烟气中催化剂粉尘的含量和粒度分布、四旋泄气量等。再生烟气经过再生器内一、二级旋分分离后，进入三旋的烟气所夹带的催化剂主要为<10 μm的微小颗粒，烟气经三旋分离后，>10 μm的颗粒几乎全部回收，三旋出口烟气中粉尘含量<150 mg/m3(多数在100 mg/m3左右甚至更低)，单管分离效率在80%～90%之间。

1.3 从三旋监控一、二级旋分的运行效果

三旋入口烟气中催化剂粉尘的含量和粒度分布、三旋回收催化剂的数量和粒度分布能反映再生器一、二级旋分的运行效率和效果，但目前普遍使用的粉尘含量在线监测仪误差较大，若采用人工采样的方法，则既困难又同样存在误差的问题，且回收催化剂的数量也很难被及时准确提供。相比之下，回收催化剂的粒径分析更便捷准确。

按照目前一、二级旋分的技术发展水平，当其处于正常生命周期、良好运行状态时，再生烟气经一、二级分离后，三旋入口烟气中粉尘含量应小于400 mg/m3，但有时再生器内苛刻的环境难以保证一、二级旋分稳定高效运行。

某厂催化装置第二再生器(以下简称二再)一、二级旋分更换前后，三旋回收剂粒径分布发生了明显的变化，数据见表1。由表1可看出，一、二级旋分效率的提高，使得三旋入口的粉尘浓度下降，三旋回收剂的平均粒径明显降低。

表1 二再三旋回收剂粒径分布变化

第一再生器(以下简称一再)二级旋分曾发生两组灰斗堵塞、催化剂异常跑损的情况，经停工对旋分进行修复后重新投运，三旋回收剂粒径分布变化见表2。从表2可以看出：修复后的旋分因没有很好地解决变形和衬里规整度问题，运行效率仍然不高，因此<20 μm的细粉含量低，进入三旋的烟气中含有较大比例的20～80 μm颗粒；但二级旋分堵塞时，不仅回收的催化剂量大，而且主要为40～105 μm的粗颗粒。

表2 一再三旋回收剂粒径分布变化

1.4 三旋单管的结垢失效

三旋单管技术的发展，基本形成了固定系列，如过去长期使用的单管直径250 mm的VAS-250型和近年推广使用的直径300 mm的PSC-300型等。各种单管在再生器一、二级旋分处于正常运行状态时都保持了高的运行效率，满足了行业内提出的烟机入口粉尘含量<150 mg/m3(多数在100 mg/m3左右甚至更低)的指标要求，缓解或消除了烟机的结垢，为烟机长周期运行创造了条件。

在三旋的长期工业应用中，单管的技术专利商和制造商对单管高效率运行的工艺条件没有提出明确的要求，通常仅限制每根单管对烟气的处理能力，而对三旋入口烟气粉尘含量没有明确限制；对单管的适应性认识不深刻；对排尘气量有指导性范围限制，但对泄气量高低对泄料锥口部位的运行状态是否有影响的认识也不深刻。

工程实践中打开三旋检查单管发现，随着运行周期的延长，常有单管泄料锥口出现催化剂结垢现象，结垢导致泄料锥口通径缩小，严重时可能将泄料锥口全部堵死，见图2。由图2可以看出，并不是全部泄料锥口都出现结垢。从出现结垢的实景分析，泄料锥口结垢是一个渐进的过程，应该是由于单管之间压降出现差别、某些单管在催化剂负荷大时下料出现迟滞引发的，且逐渐恶化。单管堵塞至堵死对回收催化剂筛分组成影响不大，但堵塞会导致单管失效、三旋总效率下降、三旋出口烟气中粉尘浓度上升，进而导致烟机动、静叶片出现结垢【13-14】现象。

图2 单管泄料锥口结垢及单管堵塞情况

2 三旋单管泄料锥口结垢的原因分析

2.1 一、二级旋分效率低，三旋入口烟气粉尘含量高

当再生器一、二级旋分因各种原因处于低效运行时，烟气中粉尘含量上升(如达到600 mg/m3或更高)，单管的负荷增大，在泄料锥口通径一定的情况下，随着负荷的增加，催化剂停留时间延长，在泄料锥口积聚，并在强大的离心力作用下逐渐积聚成垢。

2.2 单管泄料锥口通径小

单管泄料锥口是一个气流旋转流场改变较大的环境，一是单管缩径，二是泄料锥口是外圈下旋气流与内圈上升气流的转折点，这两个因素导致催化剂下料迟滞，且口径越小迟滞力越大，催化剂负荷大时，在泄料锥口停留时间增长，则会造成结垢。

2.3 排尘气量小

通常，旋风分离器单管间存在压降差别，为防止排尘气乱窜影响单管效率，单管三旋考虑了在催化剂收集罐中导出排尘气。排尘气量为三旋总进气量的3%～5%。排尘气量大有利于单管泄料，但过多地导出排尘气一方面会损失压力能、减少烟机做功，另一方面会加大泄料锥口的磨损。理论上看，单管泄料锥口的口径为φ80，3%～5%的排尘气量对大面积布置的泄料锥口中每根单管的催化剂下料是否畅通影响有限。

3 预防结垢的措施

根据上述分析可知，降低和控制三旋入口烟气中粉尘含量或增大泄料锥口通径是保持单管泄料畅通、防止堵塞的有效措施。但国内催化装置连续运行周期都朝着4～5年目标努力，在连续运行周期中再生器内运行环境较苛刻，一、二级旋分器难以保证稳定高效运行，即三旋入口烟气中粉尘含量难免会发生波动，很难保证三旋入口烟气中粉尘含量稳定在<500 mg/m3， 从而避免泄料锥口结垢、堵塞。因此， 更有效的措施是适当扩大泄料锥口通径， 保持对催化剂负荷变化的较大弹性。

某厂针对单管泄料锥口结垢、堵塞的情况，利用消缺的时机，在一、二级旋风分离器无法更换的情况下，未更换三旋单管，仅将泄料锥口通径由原来的φ80改为φ100， 即解决了三旋单管泄料锥口结垢、 堵塞问题， 使烟机入口粉尘含量保持稳定受控。

4 改造效果

单管泄料锥口通径增大后，第一再生器一、二级旋风分离器因生产任务重仍未更新，粉尘浓度监控和三旋回收剂筛分情况都显示出三旋入口烟气中粉尘含量高，烟机入口粉尘含量稳定在120～130 mg/m3。

泄料锥口通径改变后，在一再一、二级运行效率和效果接近的环境下(即三旋入口烟气中粉尘含量接近)，一再三旋回收剂的筛分对比情况见表3。由表3可以看出，泄料锥口通径增大后，三旋回收剂粒度分布和平均粒径基本接近，表明三旋效率没有明显变化。

表3 一再三旋回收剂粒径差别

按照过去的运行实践，这样的条件(表3中改造前的状况)在装置检修或消缺投运后，运行到6～9个月时，烟机入口(即三旋出口)粉尘含量即开始上升，烟机出现结垢，之后烟机结垢速度加快且运转周期越来越短，打开三旋检查会发现单管泄料锥口不同程度出现结垢堵塞或堵死；而泄料锥口通径扩大后(改造后)，已连续运行1年半以上，尽管三旋入口烟气中粉尘浓度依然很高，但烟机仍未出现结垢迹象。尤其是在二级旋分发生堵塞故障的情况下，三旋入口粉尘含量高达2 000 mg/m3，运行半年多后，虽然三旋单管出现了磨损现象，但没有发生结垢的情况，烟机运行正常，烟机入口粉尘含量稳定在120～130 mg/m3，单管的分离效率始终保持在90%以上。

运行情况表明：泄料锥口通径扩大后，可能对单管效率略有影响，但粉尘下料被迟滞的现象应该可以得到缓解或消除，单管对入口烟气中粉尘含量高低的适应弹性更大，更安全可靠。

5 结论

泄料锥形立管式三旋在通常条件下具有高的气固分离效率，完全可以满足烟机入口烟气中粉尘含量<150 mg/m3甚至更低的要求，但泄料锥口通径与粉尘负荷不匹配时，容易出现催化剂结垢、堵塞而使单管失效的现象。生产运行中，在更高效率和可靠性发生冲突时，更应注重可靠性。因此，可采用较大的泄料锥口通径提高单管三旋对入口烟气中粉尘含量的适应性，即提高运行弹性。一般来说，泄料锥口通径与单管内径比值保持在0.4比较合理。该措施可保证三旋稳定高效运行，从而为烟机的长周期运转奠定基础。