催化装置三级旋风分离器改造后烟气粉尘分离性能试验解析

朱玉镇,高强,孟昭凯,叶乐,杨卫锋,李曰强,肖申玮,郭轶明,郭亭亭

(中国中化正和集团股份有限公司,山东 东营 257342)

催化装置反再系统产生的高温烟气经三级旋风分离器进行分离,分离后的烟气进入烟机机组,烟机入口高温烟气中所夹带的催化剂粉尘浓度和颗粒度大小直接影响烟机叶片的使用寿命。催化剂粉尘颗粒分离性能的高低是检验三级旋风分离器分离效果的重要指标,烟气粉尘颗粒的分离效果对烟机机组的安全运行有较大影响[1]。定期对烟机入口的烟气粉尘颗粒度进行检测,能够及时掌握烟气粉尘浓度和颗粒度,及时指导工艺调整,是保证烟机长周期安全运行的必要手段。三级旋风分离器是高温烟气粉尘分离的重要设备,如何充分提高其对高温烟气粉尘的分离效率,降低粉尘的颗粒度,是关注的重点[2]。从目前余热锅炉的使用效果来看,烟气的回收效率还有很大的提升空间。

本文在管立式结构的基础上进行了优化,并在投入运行后进行了高温烟气粉尘分离检测试验,结果显示此次改进和优化有助于提高烟气粉尘分离效率。

1 单管立式旋分直径改进

本文对现有三级旋风分离器的分离单元进行了改进更新,将92根φ250 mm的PDC立式旋分单管改造为64根直径为300 mm的PSC-300型高效旋分单管,改造后单管直径增大,数量有所减少。PSC-300型高效旋分单管与PDC立式旋分单管相比,性能更好,结构更为简单,同时还兼有PDC型旋风管的优点。PSC型旋风管在排尘口形成有效的“旋流屏障”作用,从流场上克服了PDC型单管存在的不足,对催化剂粉尘颗粒的分离效果比PDC型旋风管效果要好[3]。

2 烟气粉尘采样原理及采样方法

2.1 样品采集原理

烟气采集工具由采集器、冷凝控制器、调节控制器、过滤系统、计量仪表、输送控制器等组成,样品采集位置设置在三级旋风分离器出口的垂直立管上,取样位置符合规范要求。烟气出口的垂直管段较长,这就为管内烟气粉尘的均匀分布、气流稳定创造了条件,平稳的装置操作,能够实现快速、准确的检测烟气粉尘浓度[4]。

烟气中不同直径大小的粉尘颗粒在烟道内不均匀分布。测量烟气的粉尘气流,主要受烟气的流速、压力、温度影响,因此以上指标是实验分析的重点,本采样方法是根据催化装置的工艺特点以及粉尘浓度实际状况,量身定做的一套烟气粉尘浓度检测设备,能够保证实验的效果[5]。

烟气颗粒浓度、颗粒度分布变化规律,受烟气粉尘直径大小、性质、流向、速度等因素的影响。因此,正确选取烟气粉尘取样位置,科学布置取样点是精确测量的前提[6]。

2.2 样品采集方法

烟气取样口位置设置在烟气管道内烟气的对流方向,利用过滤桶过滤烟气中的粉尘颗粒。通过检测采集的烟气量和粉尘量,计算烟气粉尘浓度。利用mastersizer2000E 型激光粒度仪对粉尘粒度分布进行分析。根据烟气取样规范要求,设置4个取样口,均匀分布在烟气管道半径距离相同的4个点,并使用标记滤筒单独采样[7]。

本文采样方法并不是通过测量“S”型毕托管的全压和静压来计算管道的各点流速,而是根据装置的工艺参数计算出大管道的平均流速,然后控制采样口流速使其达到或接近于管道的平均流速,达到等速采样要求。

本文采用单点固定采样方式。经验表明,对于催化裂化装置,其特点是排出的再生烟气具有较高气流速度且催化剂颗粒直径又十分微细,可以认为大管道内如果气流速度分布均匀,则催化剂颗粒的浓度分布基本上亦是均匀的[8]。

为保持等动采样,对采样烟气流量进行控制,其相关计算过程及公式如下所示。

烟道内采样点处的烟气平均流速公式:

式中:Q0——烟道内标准状态下的烟气体积流量,m3/h;

k——采样期间的烟风比系数;

D——采样烟道内径,mm;

T1——采样时采样点处的烟气温度,K;

T0——标准状态下的烟气绝对温度,273 K;

P1——采样时采样点处的烟气绝对压力,MPa;

P0——标准状态下的烟气绝对压力,0.1 MPa。

为保证等动采样,进入采样嘴的烟气流速应与烟道内采样点处的烟气流速相等,因此进入采样嘴的烟气流量(m3/s)应为:

式中:d——采样嘴内径,mm。

采样时调节控制阀,使转子流量计的读数为:

式中:T2——煤气表前采样烟气的绝对温度,K;

P2——煤气表前采样烟气的绝对压力,MPa;

Xw——烟气中水蒸气体积百分比;

式中:Gw——采样期间冷凝器收集到的冷凝水量,mL;

Vc——煤气表指示的采样气总体积,m3。

2.3 采样步骤

2.3.1 待测装置数据采集

采样点处烟气温度T1、采样点处烟气压力P1、待测烟气管道内径D、主风量及增压风量Q0、烟风比K、双动滑阀开度α、烟气中水蒸汽的体积分数Xw等数据。采样前预先计算出烟气的流速,等速采样条件下,计算转子流量计的流量读数,计算好采样杆的伸入长度,采样前对采样滤筒空桶称重。

2.3.2 装置连接

把烟气测量装置各个部分预先搬到测量位置,用水桶准备好冷凝水,用橡胶软管把冷凝器、转子流量计、煤气表、压力表等进行连接。各接口用卡箍压紧密封,确保转子流量计竖直,冷凝器装满冷凝水且收液罐内无液体。

取样杆连接:先打开采样口的闸阀,确保取样口管道通透,无堵塞。预先在DN40密封法兰的盘根槽内缠好石墨盘根,用螺栓连接好,不压紧。戴好隔热手套、口罩等防护措施。把前端的DN100大法兰与装置的采样口法兰连接,做好采样杆起始位置的标记,加垫片密封好,锁紧螺栓。打开采样口的闸阀,把采样杆插入到指定位置,然后锁紧DN40的密封法兰螺栓。确保采样杆插入长度正确,采样嘴方向为正对气流方向,流量控制阀一直处于关闭状态。

把粉尘收集器安装到流量控制阀后,用金属软管连接粉尘收集器及冷凝器。

2.3.3 测量

根据采样前预先计算好的烟气流速及在等速条件下转子流量计的流量读数,通过调节流量控制阀,使其流量保持在等速采样的流量的状态。

2.3.4 采样结束

在采样结束后,先关闭流量控制阀,拆下粉尘收集器,以免在拆下采样杆的过程中样品损失。

松开DN50的密封法兰螺栓,拔出采样杆,测量好采样杆的拔出长度,保证采样嘴在采样口的闸阀阀板外,以免压坏采样嘴,引起事故。关闭采样口的闸阀,卸下前端的DN100大法兰,采样结束。

2.4 采样系统的构成

催化剂采样系统由采样管、采样器、调节伐、微型流量计、电子温度计和压力计等组成,集成后如图1所示。

图1 采样系统集成示意图

说明:

采样管——外径为10 mm高级不锈钢带密封组合件;

采样器——外径为40 mm内装高捕集效率过滤筒的组合件;

微型流量计——标准状态下流量范围1.0～4.0 m3/h,孔板流量曲线单个标定;

压力计——用于控制和调节采样速率;

电子温度计——用于测量采样烟气温度。

3 数据采集

在相同条件运行工况下,利用采样设备分别对三旋入口和三旋出口进行烟气采集,烟气采集项目及数据统计如表1、2所示。

表1 三旋入口采样数据统计表

表2 三旋出口采样数据统计表

4 粉尘含量计算及粉尘粒度分析

通过对三旋入口、出口烟气采集数据进行统计分析,结合上述公式,计算出烟气的湿基浓度和干基浓度。结果显示,三旋入口、出口的数据相差较大,计算结果如表3所示。

表3 三旋入口烟气中催化剂浓度计算结果

根据烟气取样量和烟气粉尘含量,计算出样品烟气中粉尘颗粒浓度。利用mastersizer2000E型激光粒度仪对粉尘的粒度分布进行分析。

1)烟气粉尘粒度在三旋入口的分布:三旋入口烟气粉尘颗粒的粒度分布如图2所示,其中0～20 μm:90.21%;0～40 μm:100%;D(v,0.5):8.228 μm。

图中纵坐标中左面体积分数表示不同粒度的其中一种颗粒,其含量占样品总量的百分比,右面筛下累积率表示小于某一粒径的所有粉尘颗粒总和在样品总量的占比。

2)烟气粉尘粒度在三旋出口的分布,通过对烟气粉尘粒度实验分析,结果显示粒度分布如图3所示,其中0～20 μm: 96.22%;0～40 μm:100%;D(v,0.5):1.071 μm。

图中纵坐标中左面体积分数表示不同粒度的其中一种颗粒,其含量占样品总量的百分比,右面筛下累积率表示小于某一粒径的所有粉尘颗粒总和在样品总量的占比。

5 三旋分离效率计算

三旋分离效率利用如下公式进行计算:

式中:η——三旋总分离效率,%;

C0——三旋出口烟气中催化剂平均质量浓度(工况下湿基质量浓度),mg/m3;

Ci——三旋入口烟气中催化剂平均质量浓度(工况下湿基质量浓度),mg/m3。

6 三旋分离效率分析

通过对三旋入口粉尘颗粒浓度和粒度实验结果数据显示,改造后三旋入口催化剂粒径均在40 μm以下,湿基质量浓度为702 mg/m3,其中粒径在0～5 μm范围的占34.35%,0～10 μm范围的粒径占比58.61%,粒径在0～20 μm范围的占90.21%,0～40 μm范围占比100%,平均粒径为8.227 μm。三旋出口催化剂在同等工况下湿基质量浓度为77 mg/m3,其中粒径在0～5 μm范围的占93.41%,粒径在0～10 μm范围的占94.22%,粒径在0～20 μm范围的占96.22%,0～40 μm范围粒径占比100%,平均粒径为 1.071 μm。三旋分离效率为88.96%。

7 结束语

通过烟气检测实验结果显示,将PDC立式旋分单管改成PSC-300型高效旋分单管后,改造后的三级旋风分离器对高温烟气中的催化剂粉尘颗粒分离效果明显提高,PSC-300型高效旋分单管可以更有效地回收高温烟气粉尘,减少高温烟气中催化剂粉尘损失,实现了降本增效,有助于提高烟机机组的安全平稳运行,是一次成功的改造。