三級旋風(fēng)分離器的研究

王景彬(中國神華煤制油化工有限公司榆林化工分公司)

第三級旋風(fēng)分離器(簡稱三旋)是反再兩器催化劑回收系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，具有分離效率高、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備緊湊、可在高溫、高壓環(huán)境下工作等優(yōu)點，且操作維修比較方便，可滿足不同生產(chǎn)領(lǐng)域的特殊要求，所以被廣泛應(yīng)用于化工、能源、煉油等眾多行業(yè)，成為最常用的氣固分離設(shè)備之一。設(shè)置三旋就是把從二級旋風(fēng)分離器出來的高溫氣體中的催化劑濃度降到200 mg/Nm3以下，并且將大于10微米的顆粒基本除凈[1]。

一、旋風(fēng)分離器及旋風(fēng)管的研究現(xiàn)狀

旋風(fēng)分離器自1886年O.Morse投入使用到今天，已有百余年的歷史。1963年，西德研制出DEL旋風(fēng)分離器，可捕集0.4微米的顆粒。七十年代以后，各種利用強制渦和源流疊加的流場為除塵空間的旋風(fēng)分離器研制出來[2,3]。我國開發(fā)了從80年代EPVC旋風(fēng)管到現(xiàn)在的PDC、PSC、PST、VAS、PT等各種類型的單管，且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多管三旋技術(shù)[4]，幾種單管結(jié)構(gòu)示意圖和優(yōu)缺點見圖1.1和表1.1。

圖1.1 幾種型式單管結(jié)構(gòu)示意圖[5]

表1.1 新型旋風(fēng)管的結(jié)構(gòu)特性和優(yōu)缺點[5]

型號 VAS PSC PDC PST排塵結(jié)構(gòu)內(nèi)徑及處理量為止旋收縮結(jié)構(gòu)250和280 mm；2500和3100 m3/h在排塵錐下端增加了一個排塵穩(wěn)定扇250 mm，處理氣量為2200 m3/h優(yōu)點具有一定的抗返混能力對7～10微米之間的細粉有較高的回收率；制造難度較小。缺點制造難度較大；易引起排塵堵塞和效率下降為單錐體加反射錐結(jié)構(gòu)，無泄料盤型250和280 mm；2200和3200 m3/h結(jié)構(gòu)比PDC簡單；制造難度較??；性能與PDC型相當(dāng)。多管組和后返混嚴(yán)重、效率下降的問題。為雙錐體結(jié)構(gòu)，無泄料盤型250 mm，處理氣量為2200 m3/h除塵效率較高；不易堵塞；單管壓降??；制造難度小。多管組合后抗返混能力一般；單管的壽命較短

PSC-250型旋風(fēng)管組成的多管三旋，可將大于7微米的顆?；境齼鬧6]。PSC-300型三旋總分離效率大于90%，5.3微米以上粉塵量不大于1%[7]。由PDC型高效旋風(fēng)管組成的三旋，即使在一級、二級旋風(fēng)分離器工作波動的情況下.也能保持在150 mg/Nm3以下[1]。王立新等[8]發(fā)明的多效旋風(fēng)分離器可有效去除微米及亞微米級顆粒。當(dāng)進口風(fēng)速由6 m/s增加到21 m/s時，總分離效率由94%增加至97.5%。

許多國家采用濕氣洗滌或電除塵除塵，以去除更微小顆粒。但因成本與技術(shù)，大多數(shù)國家還是采用結(jié)構(gòu)簡單免維護的旋風(fēng)分離技術(shù)[9]。

最近二十年，高效旋風(fēng)分離器技術(shù)進步較大，可以對小到5微米粒徑的、比重小于1.0的粒子達到超過99%的分離效率[2]。石油大學(xué)與中國石化工程建設(shè)公司(SEI)合作在20世紀(jì)90年代中期開發(fā)了PIM型臥管三旋，并成功應(yīng)用在工業(yè)裝置上。90年代末又開發(fā)了PHM型臥管三旋，多管組合后具備良好的抗竄流防返混能力。目前，PIM和PHM型臥管三旋已在20余套FCC裝置上應(yīng)用[10,11]。Shell將改進的三旋與高溫過濾器(FSS)結(jié)合，可處理超過700 mg/Nm3的粉塵，切割點小于2微米[12]。SEI開發(fā)BSX型旋分式三旋，大大降低了制造和安裝的難度，便于維修和更換，解決了強度和熱膨脹變形問題，目前正有數(shù)套裝置準(zhǔn)備投入工業(yè)化應(yīng)用[13,14,15]。UOP發(fā)明一種新型直流式旋風(fēng)管，克服了粉塵返混夾帶，分離效率明顯提高，壓降顯著下降，且出口粉塵濃度小于50 mg/m3[9]。

二、三級旋風(fēng)分離器分類

目前國內(nèi)三級旋風(fēng)分離器主要有以下四種[16]：

1.布埃爾式(Buell)。結(jié)構(gòu)簡單，管道配置復(fù)雜，目前國內(nèi)應(yīng)用不多。

2.旋流式(龍卷風(fēng))。利于氣固兩相的分離，微粒的返混較少。

3.立管式。卸料孔易堵塞高溫能力差、隔板變形嚴(yán)重。

4.臥管式。改善了結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，維護、檢修以及更換比較困難。

三、分離效率的影響因素

研究表明返混是影響三旋分離效率的主要因素之一。適度提高集塵室出口的泄氣率有利于各旋風(fēng)管排塵通暢，抑制竄流返混，提高三旋的總分離效率[5,17]。王立新等[8]指出分離器頂部因二次流形成的“上灰環(huán)”和排氣管下口附近的“短路流”的影響。傳統(tǒng)的各種旋風(fēng)分離器普遍存在上述問題，對微米及亞微米級顆粒的分離效果不理想。

圖3.1 各種型式的排塵口[5]

為防止返混，研究出了一些防返混排塵口，見圖3.1。早期防返混措施 (圖3.1，a)，往往存在泄料口堵塞的問題。美國M殼(圖3.1，b)，在排塵口產(chǎn)生旋流屏蔽來阻止灰斗內(nèi)細粉的夾帶返混；雙錐結(jié)構(gòu)(圖3.1，c)，防返混效果較好，但由于沒有完全消除排塵口的旋渦，防返混效果有限[5]。

在正常生產(chǎn)中，分離單管燒結(jié)堵塞也是影響旋風(fēng)效果的重要因素。另外催化劑在一、二級旋風(fēng)分離器中發(fā)生了嚴(yán)重的磨損和粉碎，也是導(dǎo)致分離效率降低的原因，實測的三旋入口粉塵濃度曾經(jīng)達到800～900mg/m3[18]。此外旋風(fēng)管的排布及制造精度、安裝質(zhì)量和操作的平穩(wěn)性等均會影響三旋的分離效率。

四、MTO反再三旋運行狀況

1.FCC和MTO催化劑顆粒對比

表4.1 FCC和MTO催化劑顆粒粒度分布對比

表4.1是FCC和MTO催化劑顆粒粒度分布對比，從表中我們可以看出MTO催化劑與FCC催化劑顆粒的粒度分布是非常接近的，因此進行循環(huán)流化也就基本沒有問題。

2.MTO反應(yīng)三旋分離效率分析

表4.2 MTO裝置反應(yīng)三旋出入口催化劑顆粒的濃度及粒度分布

反應(yīng)三旋入口72.0反應(yīng)三旋出口0～10 μm 23 0～5 μm 93%10～30μm 75 5～10 μm 6.5 30～80μm 2 30～50μm 0.5入口濃度820出口濃度230

表4.3 MTO裝置反應(yīng)一二旋出入口催化劑顆粒的濃度及總的分離效率

從表4.2可以看出，MTO裝置反應(yīng)三旋入口催化劑顆粒濃度為819 mg/m3，相對于催化裂化裝置，該濃度偏高；在催化劑顆粒流化性能近似情況下（見表4.1），夾帶有催化劑顆粒的產(chǎn)品氣經(jīng)過一二級旋風(fēng)分離器分離后的濃度偏高，即一二級旋風(fēng)分離器的效率還不夠高，雖然一二級旋風(fēng)分離器總效率已經(jīng)達到了99.97%（見表4.3）。反應(yīng)三旋出口催化劑顆粒濃度230 mg/m3，該濃度也偏高，還達不到FCC三旋的一般要求即200 mg/m3以下，且三旋的分離效率僅有72.0%，說明反應(yīng)三旋的分離效率還有待提高；另一方面反應(yīng)三旋出口0～5μm催化劑顆粒的含量為93%，說明催化劑經(jīng)反應(yīng)三旋分離后，基本都是5μm以下的顆粒，也就是說三旋對于5μm以下的催化劑顆粒的分離效果是不令人滿意的，即反應(yīng)三旋分離催化劑的顆粒的極限尺寸為5 μm，小于5μm的顆粒不能較好的分離。反應(yīng)三旋入口催化劑的濃度比再生三旋的高，可能與線速度有關(guān)，反應(yīng)三旋的線速度要高于再生三旋，夾帶的催化劑較多，見表4.3和4.5，在一二旋相同分離效率下，反應(yīng)三旋入口催化劑的濃度增加。不能分離下來的催化劑，還會影響立式換熱器的換熱效率；當(dāng)進入急冷塔時間一長，就會在急冷塔內(nèi)積累大量的催化劑，影響工業(yè)生產(chǎn)的正常進行。跑損的催化劑，只能通過添加新鮮催化劑來補充，以維持兩器藏量平衡，增加了經(jīng)濟成本。

3.MTO再生三旋分離效率分析

表4.4 MTO裝置反應(yīng)三旋出入口催化劑顆粒的濃度及粒度分布

表4.5 MTO裝置再生一二旋出入口催化劑顆粒的濃度及總的分離效率

從表4.4可以看出，MTO裝置再生三旋入口催化劑顆粒濃度為800 mg/m3，相對于催化裂化再生三旋，該濃度偏高；在催化劑顆粒流化性能近似情況下（見表4.1），夾帶有催化劑顆粒的產(chǎn)品氣經(jīng)過一二級旋風(fēng)分離器分離后的濃度偏高，即一二級旋風(fēng)分離器的效率還不夠高，雖然一二級旋風(fēng)分離器總效率已經(jīng)達到了99.97%（見表4.5）。再生三旋出口催化劑顆粒濃度214 mg/m3，該濃度也偏高，還達不到FCC三旋的一般要求即200 mg/m3以下，且三旋的分離效率僅有73.3%，說明再生三旋的分離效率還有待提高；另一方面從再生三旋出口0～5μm催化劑顆粒的含量為99.5%來看，催化劑經(jīng)再生三旋分離后，絕大部分都是5 μm以下的顆粒，也就是說再生三旋對于5μm以下的分離效果是不令人滿意的，即再生三旋分離催化劑的顆粒的極限尺寸為5 μm，小于5μm的顆粒不能較好的分離。MTO裝置不設(shè)煙機，再生三旋出來的煙氣直接進入了CO焚燒爐，這一點可能要優(yōu)于FCC裝置，但是5μm以下的催化劑基本不能分離，造成了催化劑的較大浪費，且只能通過補充新鮮催化劑來維持兩器藏量平衡，增加了經(jīng)濟成本。

4.MTO再生三旋分離效率改善

通過反再三旋對比我們可以看出MTO反再三級旋風(fēng)分離器分離催化劑顆粒極限為5μm，如何改善三旋對5μm以下催化劑顆粒成為制約三旋分離效率的關(guān)鍵。圖4.1給出了一些物質(zhì)的顆粒大小及分離方法，從圖中可以看出分離效果最好的是電濾器或靜電除塵器，可以捕集到0.009μm的粒子，而旋風(fēng)分離器可以分離2μm以上的顆粒，因此若提高三旋的分離效率，必須改進三旋的結(jié)構(gòu)，已達到可以分離更小的催化劑顆粒，或結(jié)合靜電除塵器以除去更小的催化劑顆粒。

圖4.1 一些物質(zhì)的顆粒大小及分離方法[19]

結(jié)論

三級旋風(fēng)分離器對催化劑回收系統(tǒng)至關(guān)重要，對MTO裝置后續(xù)系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)影響非常大，同時可以節(jié)省催化劑成本；由于MTO裝置中微小顆粒比FCC的含量多，總的分離效率沒有FCC三旋的高，因此必須研發(fā)設(shè)計一種可以提高5μm以下催化劑顆粒的分離的三級旋風(fēng)分離器，這樣MTO催化劑才能更好的得到回收。

[1]曹云波.催化裂化裝置第三級旋風(fēng)分離器的技術(shù)改造[J].河北化工.2002(4):1196-1199.

[2]劉金紅.旋風(fēng)分離器的發(fā)展與理論研究現(xiàn)狀[J].化工裝備技術(shù),1998,19(5):49-50.

[3]潘元青.催化裂化設(shè)備技術(shù)的新進展.石油化工技術(shù)經(jīng)濟[J].2007,23(3):45.

[4]黃滎臻,閆濤,房家貴.催化裂化第三級旋風(fēng)分離器的現(xiàn)狀和發(fā)展方向.石油化工設(shè)備技術(shù).2005,26(1):29.

[5]居穎.國產(chǎn)立管式多管三旋發(fā)展?fàn)顩r述評[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2006,27(4):56-59.

[6]金有海,王建軍,毛羽,等.新型高效PSC-250型導(dǎo)葉式旋風(fēng)管組合多管的試驗研究[J].化工機械.2002,29(5):253-257.

[7]黃梓友,肖佐華,袁黎明.PSC-300型旋分單管在催化裂化裝置的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備技術(shù).2004,25(2):12-14.

[8]王立新,戚貴強.多效旋風(fēng)分離器性能的實驗研究[J].化學(xué)工程.2010,38(2):40-42

[9]李乃生.催化裂化裝置中三級旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計進展[J].煉油與化工.2009,20:34-36

[10]郭琚,魏壽祥,郭天齡.催化裂化再生煙氣粉塵排放控制技術(shù)進展[J].石油化工技術(shù)與經(jīng)濟.2008,24(1):56.

[11]王俊彪.PHM型臥管式多管三旋在催化裂化裝置的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備.2004,33(6):56-57.

[12]C.JFarley.Controlling FCC Particulate Emissions:Low Mi?crofines Applications Can Offer Refines Control on Capital Expendi?ture and Maintain Superior Yields[C].NPRA Annual Meeting.AM-07-19.

[13]房家貴.新設(shè)備技術(shù)在催化裂化裝置上的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備技術(shù).2006,27(1):1-5

[14]盧永,孫湘磊.BSX型三旋在催化裂化裝置的應(yīng)用[J].中外能源.2008,13:138-140.

[15]謝凱云,閻濤.BSX新型三級旋風(fēng)分離器在催化裂化裝置上的應(yīng)用[J].煉油技術(shù)與應(yīng)用.2010,40(4):30-32.

[16]王禹.三級旋風(fēng)分離器的應(yīng)用分析[J].高橋石化.2005(3):17-19.

[17]王江云,毛羽,王娟.臥式三旋內(nèi)多管間竄流返混的數(shù)值模擬[J].煉油技術(shù)與工程.2008,38(8):39-41.

[18]寧德君.催化裂化裝置立管式三級旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)改進[J].石油化工設(shè)備.2010,39(1):94-96.

[19]郭瑤慶,朱玉霞,宿艷芳,等.激光散射法測定催化裂化催化劑粒度分布的影響因素[J].石油煉制與化工.2005,36(3):58.

[20]A.C.霍夫曼,L.E.斯坦因(著),彭偉明,姬忠禮(譯).旋風(fēng)分離器-原理、設(shè)計和工程應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:3.