催化裂化装置烟气轮机结垢物的原因分析及预防措施

催化裂化装置烟气轮机结垢物的原因分析及预防措施

巩杰贤

山东汇丰石化集团有限公司  山东淄博  256400

摘要：某石化公司炼油部催化裂化装置主风机-烟气轮机能量回收机组中烟气轮机（简称烟机）的主要作用就是将高温烟气的压力能和热能转化为机械能对外做功，达到回收能量、降低装置能耗的目的。因此，烟机不仅是整个催化装置的关键设备，同时也是最主要节能设备。多年来该装置烟机运行效率较低导致主电机耗电量偏大、烟机轮盘蒸汽消耗大等问题给装置综合能耗达标带来巨大压力。

关键词：催化裂化装置；烟气轮机；结垢物；原因分析；预防措施

引言

催化裂化是原油二次加工的主要装置，特别是在以燃料油为主的炼油厂，对整个工厂的材料平衡和经济利益起着重要作用。烟机是催化裂化装置余热回收系统的关键设备，运行条件的好坏直接影响催化裂化装置的长期稳定运行和装置能耗。

1烟机结垢的危害及原因分析

1.1烟机结垢的危害

(1)烟机长期结垢运行后垢片脱落胡打破动平衡，引起烟机振动变化，损坏烟机叶轮叶片。因此烟机振动上升到一定程度后，必须停止维修，期间装置能耗会增加，甚至会导致装置计划外停车。

(2)烟机结垢后，结垢层缩小叶片栅间流动通道，叶片表面粗糙度增加，工作能力下降，工作效率下降。

1.2烟机结垢的机理

引起烟机结垢的三个因素是催化剂细粉的浓度、催化剂细粉的粘附性、烟机中的高温和高速。催化剂阈值通过离心力、分子间作用力粘合在一起，并附着在烟机叶片或周围金属的粗糙表面上，形成初始污垢。高温和水蒸气条件下烧结比例导致二次结晶，形成固体致密结晶物质，其硬度和密度进一步提高。烟气中催化剂粉尘浓度是烟气污染的主要原因。烟气中的催化剂阈值为烟机中的沉积、粘结创造了条件，催化剂大颗粒离心力大，更容易粘结和折叠。催化剂粉末的粘附性是产生污垢的必要条件。在很大的作用力下，催化剂铝溶胶在烟机中粘合并堆积，催化剂粉末中的Ca、Fe等金属元素和La、Ce等稀土元素在SOx气氛中形成硫酸盐，高温下容易形成低温共晶晶体，促进细粉的粘合。烟雾器的烟雾流速慢、温度高是引起烟雾器结垢的必要因素。如果粒子与器壁的碰撞速度大于阈值速度，那么粒子在碰撞后可以获得新的速度。如果颗粒与器壁的碰撞程度低于临界速度，颗粒就会沉降在器壁上。

2、结垢产生原因分析

2.1催化剂细粉的影响

催化剂在反再系统进行循环时，一部分催化剂经摩擦磨损破碎继而产生高浓度的粉末，有可能发生催化剂的物理、化学沉积和烧结。催化烟气经三旋、四旋分离后，烟气中携带的催化剂细粉颗粒浓度已降至较低水平，但仍有一小部分催化剂细粉随烟气进入烟机，与烟气管道、烟机叶片摩擦过程中会产生静电电荷，催化剂会吸附在烟机叶片上。

2.2催化剂上附吸金属对结垢的影响

催化剂中的Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃａ等金属在催化剂表面沉积后，经高温反应形成凸起，经过不断循环流化，被磨损成细粉。这些金属细粉对二氧化硫和二氧化碳等气体具有很强的吸收能力，能够与其形成低熔点的共熔物，并在静电作用下粘结。有研究表明：Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃａ等金属含量低的催化剂细粉经高温烧结后仍然松散，而金属含量高的催化剂细粉形成的垢块较结实。

2.3原料油影响

部分原料油在反应气化段未完全汽化，而未汽化的原料油具有很强的黏性，会在催化剂细粉表面吸附并缩合成焦炭，和原料油中的微量焦炭一起进入烟道继续燃烧，在局部产生高温。催化剂细粉上杂原子的浓集在一定程度上降低了催化剂的熔点，细粉在高温下熔融，形成液相黏性物质。携带微量高温熔融粉尘的烟气受高速离心作用，黏附在三级旋风分离器（简称三旋）下料口、烟机叶片等低温部位，形成无定形结构的垢物。

三、催化裂化装置烟气轮机结垢物预防措施

3.1更新升级烟机叶片

催化装置利用大检修机会，将烟机叶片更新升级为新型高效的马刀叶型叶片。该新设计的动、静叶型是结合当前装置实际运行工况进行的一对一匹配设计，并通过了计算机CFD技术模拟平台实验。新叶型最大特点在于将原来的变截面扭转叶型变为弯扭复合叶型。该叶型是变截面、扭曲和弯曲三项技术的综合体，能有效调整等压线分布形状，抑制根部和顶部附面层分离，有效减少二次流损失，使低能区流量向主流流动，提高叶片气动效率，增加叶片做功能力，使烟机通流效率得到更大提升；同时马刀叶型叶片还有效降低了催化剂超细粉随着被扰动后的流线在叶片背弧某一部位集中，降低了烟机叶片的结垢倾向，对降低烟机流通部件结垢有利。

3.2在线清垢措施

一套重油催化裂化装置，由于结垢造成烟气轮机振动多年波动多次，烟气轮机位移可达61μm，厂房振动可达11mm/s。根据机组的在线和离线光谱，机器转速增加，转子动平衡被破坏，转子叶片上出现污垢，外壳始终处于停止和检查的危险中，通过车间沟通交流，多套装置烟机通过在线清垢陆续消除了许多蒸汽产生的污垢，取得了非常理想的效果，可将振动值恢复至烟气轮机启动时的振动值，位移在±30μm、壳体水平2.5mm/s，从而避免烟气机产生污垢。该方法主要基于使用不同膨胀系数的烟机叶片除垢。烟机叶片在接触轮盘冷却蒸汽前后，受两种膨胀系数之间的差异，垢片从叶片上脱落，并与烟气一起排出。因此，保证了转子的动态平衡，并延长了烟机的运行。更重要的是，作为一种污物处理方法，在未来类似情况下，已经积累了宝贵的经验，如果没有在线污物处理方法，催化装置烟机长周期运行的工况无法保证，势必对装置综合能耗达标情况带来较大影响。

具体除垢方法:

(1)烟机振动上升到50μm以上后，将烟机入口调节蝶阀逐渐变小，最终关到35%。

(2)检查确认烟机振动、位移参数无大幅波动，现场机体稳定无明显波动，逐步开大轮盘冷却蒸汽控制阀，蒸汽流量提至2.5 t/h，轮盘温度降至290℃，给大流量吹扫5 min，在此过程中密切观察烟机的振动、位移参数和现场的振动检测机械参数没有明显波动(有明显变化时及时关小蒸汽控制阀)，5 min后降低轮盘冷却蒸汽流量至正常流量。

(3)按上述步骤，冷却、清洁和重复这一过程两次(在此期间专人在现场测量壳体振动，如果有异常，立即进行反馈。)，调整完毕后将轮盘冷却蒸汽流量恢复至正常控制。

(4)恢复正常控制后观察烟机振动趋势，确认振动值有无上涨情况，若无明显异常则1小时后烟机入口将蝶阀调节到60%。

(5)继续观察2h，烟机振动、壳体振动无异常，烟机入口将蝶阀调节到100%恢复正常生产运行监控调整。

实际上随着轮盘冷却蒸汽流量的增加，轮盘温度会降低。烟机叶片的工作环境温度发生变化，附着在叶片上的残渣下降，烟机的平衡会向好的方向改善，烟机振动值发生变化，逐渐恢复正常值。该方法为烟机不停机处理提供了实际有效的经验，避免烟机受振动上涨而导致停机检修造成的能耗及成本增加。装置降量调整、切除烟机及烟机检修总共按3 d计算，耗电量为63.2万千瓦时，每千瓦时电价0.7元，电费可节省44.24万元。这其中不包括检修和材料费用、人工成本等，能够避免全厂的公用系统平衡、物料平衡受影响，同时消除了装置降量生产造成的经济损失。

结束语：

通过对烟机结垢物进行剖析可知，催化剂细粉是烟机结垢物形成的主要原因，催化剂种类、操作条件改变以及催化剂的磨损，都会导致催化剂细粉量的增加，原料油中的金属也为结垢提供了条件。因此保证再生器旋风分离器及三旋旋风分离器高效运行、选择合适的催化剂及工艺条件、提高原料油质量是防止烟机结垢的有效手段，此外平稳烟机运行，提高轮盘冷却蒸汽温度也在一定程度上能够减少催化剂细粉在烟机叶片结垢程度。

参考文献：

[1]陈文武,常培廷,屈定荣,黄贤滨,邱志刚,刘曦泽.催化裂化装置烟气轮机结垢及对策[J].石油化工设备技术,2017,38(05):44-47+71.

[2]费达.催化裂化烟气轮机结垢机理分析及流场模拟[D].华东理工大学,2015.