江盛陽

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

我國提出了“力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、在2060年前實現(xiàn)碳中和”的重大戰(zhàn)略決策，而石化產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，是關系國計民生的基礎性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，也是高耗能、高排放的產(chǎn)業(yè)，石化行業(yè)節(jié)能降耗是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要方式之一。催化裂化是煉油工業(yè)中最重要的二次加工裝置之一，煙氣輪機又是催化裂化裝置的核心設備和節(jié)能效果最明顯的大型機組，其運行情況不但影響到催化裂化裝置的加工能力和長周期運行，更是直接關系著整個催化裂化裝置的能耗水平，因此，提高煙氣輪機在線率和效率對于降低裝置能耗起著關鍵作用。

煙氣輪機進口煙氣中的催化劑濃度和粒徑分布是影響煙氣輪機在線率的關鍵因素，高溫煙氣中催化劑濃度越高、催化劑顆粒越大，越容易損壞煙氣輪機，進而影響催化裂化裝置的綜合能耗。中華人民共和國化工行業(yè)標準《煙氣輪機技術條件》(HG/T 3650—2012)明確要求，進入煙氣輪機煙氣催化劑的濃度≯200 mg/m3，其中直徑>10 μm的顆粒質量不超過總質量的3%。為滿足此要求，需要在煙氣進入煙氣輪機前設置第三級旋風分離器。

1 三旋研究進展

三旋是催化裂化裝置的關鍵設備之一。我國自上世紀70年代開始開展三旋的研究，經(jīng)歷了引進、消化吸收和自主研發(fā)的過程，先后開發(fā)了EPVC、PDC、PSC、PST、VAS和PT等各種類型的單管，形成了各種具有獨自特點和自主知識產(chǎn)權的多管式三旋技術，對催化裂化裝置長周期安全平穩(wěn)運行和節(jié)能降耗起到了重要作用【1】。目前工業(yè)運行的多管式三旋包括多管立式三旋(見圖1)和多管臥式三旋(見圖2)。從設備制造、現(xiàn)場施工、應用效果和投資概算等因素綜合考慮，多管立式三旋主要適用于處理量較小的催化裂化裝置，而多管臥式三旋主要適用于處理量較大的催化裂化裝置。

圖1 多管立式三旋結構示意

圖2 多管臥式三旋結構示意

經(jīng)過數(shù)10年的發(fā)展，我國多管式三旋的單管分離效率已經(jīng)達到了比較先進的水平，但在三旋整體效率、抗返混能力、抗處理量波動性、使用壽命、長周期平穩(wěn)性、對催化劑粉碎性等方面仍存在問題。從工業(yè)應用情況來看，主要存在如下問題：1)再生煙氣分配不均勻，易竄氣、返混、結垢；2)單管結構復雜，制造安裝較困難，且不易維修；3)排氣管與進氣口在同側，使導向葉片和排氣管的尺寸設計相互限制，不利于三旋整體的均勻布氣【2】。

21世紀以來，我國催化裂化技術蓬勃發(fā)展，催化裂化裝置規(guī)模大型化、超大型化趨勢日益明顯，原料劣質化、重質化程度加劇，再生燒焦溫度也逐步提高，三旋操作變得更加不穩(wěn)定，多管式三旋已無法滿足大型催化裂化裝置長周期安全平穩(wěn)運行和環(huán)保的需求。為適應裝置大型化發(fā)展并解決多管式三旋存在的問題，中國石化工程建設有限公司(SEI)開發(fā)了大單管式(BSX)三旋(結構見圖3)。BSX型三旋屬于國內首創(chuàng)，整體達到了國際先進水平，該技術于2007年6月通過中國石油化工集團有限公司鑒定，并在中國石化海南煉油化工有限公司280萬t/a催化裂化裝置首次成功應用，標定結果表明，三旋出口煙氣中催化劑濃度遠低于120 mg/m3，粒徑>6 μm的細粉基本除凈【3】。BSX型三旋的成功開發(fā)，極大地推動了我國三旋領域技術的新進展，使催化裂化能量回收領域的氣固分離技術邁向了一個新高度。該型三旋目前已在荊門、天津、惠州、大榭、龍油、齊魯、金山等數(shù)10個大型催化裂化(裂解)裝置成功應用，并取得了良好效果，同時還出口到伊朗，應用于ARAK煉油廠493萬t/a催化裂化裝置中。

圖3 大單管式(BSX)三旋結構示意

2 BSX型三旋應用背景

某煉油廠蠟油催化裂化裝置原設計處理量100萬 t/a，于1987年建成投產(chǎn)。原設計三旋為多管立式三旋，設有64根PST-250型分離單管，左、右旋各32根，分3圈布置，其中，最外圈為30根，中圈為20根，最內圈為14根。自2005年5月更換分離單管以來，存在分離單管堵塞、 單管筒錐過渡段磨穿、 單管不同心及導流錐變形等問題， 導致三旋結垢， 分離效率明顯降低， 煙氣輪機進口煙氣中催化劑濃度及粒徑>10 μm催化劑顆粒濃度多次超標(見表1)， 給裝置安全穩(wěn)定長周期運行帶來隱患， 通過提高單管進口線速、 增加三旋下泄煙氣量、 改變催化劑種類等手段仍無法解決此問題。

表1 多管立式三旋運行情況

三旋的不正常運行，容易導致煙氣輪機進口煙氣粉塵含量超標，進而引起煙氣輪機振動超標，為此該煉油廠在2021年蠟油催化裂化裝置檢修期間，將原設計多管立式三旋更換為BSX型三旋(SEI專利)，并更新四旋及細粉收集罐、臨界流速噴嘴。BSX型三旋具有設備結構簡單、便于施工和檢修、設備整體分離效率比多管式三旋高等特點，不僅在大型催化裂化裝置中取得了良好的應用效果，在中小型催化裂化裝置也逐步取代了多管式三旋，可為煙氣輪機的長周期安全運行提供技術保障【4-5】。

3 BSX型三旋設計方案

3.1 基礎數(shù)據(jù)

蠟油催化裂化裝置三旋設計基礎數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 BSX型三旋設計基礎數(shù)據(jù)

3.2 工藝流程

本次改造將原設計多管立式三旋更換為BSX型三旋，同時更換四旋及催化劑細粉收集罐、臨界流速噴嘴和催化劑細粉儲罐，改造部分工藝流程見圖4。

圖4 三旋改造工藝流程

自再生器來的煙氣進入三旋，分離出大部分催化劑細粉，使進入煙氣輪機的煙氣中催化劑濃度降到200 mg/m3以下，>10 μm的催化劑顆?；境?，以保證煙氣輪機長周期運轉。煙氣從三旋出來分為兩路，一路進煙氣輪機膨脹做功，驅動能量回收機組回收煙氣壓力能和部分熱能，另一旁路經(jīng)雙動滑閥放空。三旋底部排出的煙氣夾帶催化劑細粉進入四旋；四旋將煙氣與催化劑細粉進一步分離；分離出的催化劑細粉連續(xù)排入細粉收集罐，然后再排入催化劑細粉儲罐。煙氣從四旋頂排出至放空線，經(jīng)放空線上設置的臨界流速噴嘴接至雙動滑閥，最終與煙氣輪機出口煙氣混合后一起進入余熱鍋爐回收熱量。

3.3 設計參數(shù)

BSX型三旋作為SEI專利設備，目前已有φ1 276、φ1 183和φ986 mm等3個系列的分離單管成功應用于工業(yè)運行。針對該裝置改造，根據(jù)操作條件選擇φ986 mm分離單管。三旋主要設計參數(shù)見表3。

表3 三旋主要設計參數(shù)

4 工業(yè)應用結果與分析

4.1 催化劑濃度分析結果

采用稱重法進行BSX型三旋進、出口煙氣中催化劑濃度進行測定，分析結果見表4。

表4 三旋進、出口催化劑濃度分析結果

4.2 催化劑粒度分析結果

利用Malvern Mastersizer 2000粒度分析儀對煙氣中催化劑粒度分布進行測試，分析結果如表5所示。

表5 三旋進、出口煙氣中催化劑粒度分析結果

4.3 工業(yè)運行結果分析

由表4和表5的分析結果可知：BSX型三旋投用后，三旋進口煙氣中催化劑濃度為321 mg/m3，出口濃度降到了90 mg/m3，遠低于煙氣輪機進口催化劑濃度控制指標(200 mg/m3)，三旋出口煙氣中粒徑>10 μm催化劑濃度為1.52%(w)，低于煙氣輪機進口大粒徑催化劑濃度控制指標[3.0%(w)]，不會對煙氣輪機轉子造成異常磨損，有利于煙氣輪機長周期安全平穩(wěn)運行；BSX型三旋的整體分離效率在72%左右，分離性能優(yōu)異，三旋出口煙氣催化劑濃度和大粒徑催化劑濃度均低于改造前，說明BSX型三旋的分離效果較原設計多管立式三旋有了顯著改善。

5 結論

1) BSX型三旋具有結構簡單、整體分離效率高、操作彈性大、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，適用于不同規(guī)模的催化裂化裝置。

2)某煉油廠蠟油催化裂化裝置采用BSX型三旋替換原設計中的多管立式三旋，取得了良好的效果， 工業(yè)運行結果表明：三旋出口煙氣中催化劑濃度降到了90 mg/m3，粒徑>10 μm催化劑濃度為1.52%(w)，遠低于煙氣輪機的控制指標。

3) 改造后BSX型三旋整體分離效率72%，分離性能優(yōu)異，煙氣輪機進口煙氣催化劑濃度和粒度均處于較低水平，給煙氣輪機長周期安全平穩(wěn)運行提供了較好的保障。