臥式三旋和煙機(jī)結(jié)垢原因分析及對(duì)策

李鳳宇　杜鑫

摘 要：裝置自2005年3月以來(lái)，三旋單管排塵口及煙機(jī)動(dòng)、靜葉片等部位結(jié)垢問(wèn)題突顯。為解決結(jié)垢問(wèn)題對(duì)裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的困擾，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)12年兩個(gè)階段的探索和實(shí)踐。目前通過(guò)不懈努力，煙機(jī)結(jié)垢問(wèn)題得到了有效的扼制。本文主要針對(duì)第二階段2007年至今采取預(yù)防措施進(jìn)行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：三旋單管排塵口;煙機(jī);結(jié)垢;預(yù)防措施

從2007年開(kāi)始至2013年，裝置共停機(jī)檢修煙機(jī)16臺(tái)次，其中有12臺(tái)次是由于煙機(jī)結(jié)垢造成的，煙機(jī)結(jié)垢問(wèn)題突顯。雖然各煉化企業(yè)煙機(jī)結(jié)垢或結(jié)焦的原因各有不同，但這一矛盾的日益突出，嚴(yán)重威脅催化裝置的安全生產(chǎn)、能量回收及長(zhǎng)周期運(yùn)行工作。為此中石油煉油與銷售分公司多次召開(kāi)專門的研討會(huì)進(jìn)行認(rèn)真分析和集思廣益，并下發(fā)了《防止煙氣輪機(jī)結(jié)垢指導(dǎo)意見(jiàn)》和《煙氣輪機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行管理技術(shù)導(dǎo)則》作為指導(dǎo)。通過(guò)2013年公司大檢修的契機(jī)，我公司一套ARGG裝置在防止煙機(jī)結(jié)垢方面已取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，煙機(jī)自2013年9月運(yùn)行至今，煙氣輪機(jī)檢修臺(tái)次為3臺(tái)次，基本時(shí)限了煙機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行。

1 三旋及煙機(jī)結(jié)垢的基本原理

降烯烴催化劑與常規(guī)催化劑的不同主要在于采用稀土和磷調(diào)變活性中心，提高選擇性氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)，高稀土含量使系統(tǒng)催化劑抗磨性有所下降，細(xì)粉量易增加，同時(shí)在正常生產(chǎn)中，催化劑還要保持較高活性，需要經(jīng)常加新鮮劑進(jìn)行補(bǔ)充，這也為細(xì)粉的增加創(chuàng)造了條件。細(xì)粉增多后，易在某些流速高的部位產(chǎn)生靜電吸附作用，為結(jié)垢的形成提供了前提條件。加之硫酸根或磷酸根等陰離子與催化劑中富集的大量Fe、Ca、Ni等金屬離子結(jié)合后，易生成低溫熔融態(tài)的鹽類。這些低熔點(diǎn)的鹽類在特定條件下（500-640℃及蒸汽作用等）可能變成類似于“漿糊狀”的粘結(jié)物質(zhì)，通過(guò)靜電吸附作用，會(huì)在某些部位析出并與催化劑中的細(xì)粉結(jié)合，形成附著和沉積，最后經(jīng)高溫?zé)煔獾臒Y(jié)作用形成硬垢。

在此原理的指導(dǎo)下，單純從催化劑配方改變和復(fù)雜狀態(tài)下的熔融態(tài)研究解決煙機(jī)結(jié)垢問(wèn)題難度極大，收效甚微，雖然退而求其次地進(jìn)行了大量的適應(yīng)性調(diào)整，但引起煙機(jī)結(jié)垢的根本原因并未消除，只是減緩了結(jié)垢堵塞的時(shí)間。因此從設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)另辟蹊徑，如何去適應(yīng)外部條件的變化成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

主要的切入點(diǎn)：

再生器旋分及料腿內(nèi)部無(wú)結(jié)垢;三旋單管排塵口出口結(jié)垢（其余通流部位無(wú)）;

三旋至煙機(jī)管線內(nèi)無(wú)結(jié)垢;煙機(jī)動(dòng)、靜葉及圍帶結(jié)垢。

急需解決的問(wèn)題：

與再生器旋分操作條件類似的三旋反而出現(xiàn)結(jié)垢問(wèn)題？煙機(jī)流場(chǎng)中對(duì)結(jié)垢影響關(guān)鍵因素是什么？

2013年初一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，看到一種新型的三旋單管排塵口結(jié)垢，事情有了轉(zhuǎn)機(jī)：

通過(guò)與WX，XA，YK三家設(shè)備制造商進(jìn)行交流和對(duì)比，最終選擇YK一家公司進(jìn)行技術(shù)合作。

經(jīng)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明排塵雙錐有以下不足之處：

①在上下錐的結(jié)合部和排塵口處都存在著較多的渦流和偏流，易造成雙錐內(nèi)部的返混和排塵口處的返混。這對(duì)外層區(qū)域內(nèi)顆粒的分離和夾帶到中心區(qū)域內(nèi)的細(xì)粉二次再分離是非常不利的;②上下錐體的結(jié)合部形成環(huán)形空間，在向心徑向速度和較高切向速度下，環(huán)形空間形成了旋轉(zhuǎn)氣圈。該氣圈在向心速度作用下形成短路流，夾帶粉塵到中心上升氣流中，從而降低了單管的分離效率，同時(shí)灰環(huán)對(duì)雙錐接合部的沖刷破壞也非常嚴(yán)重;③雙錐結(jié)構(gòu)的兩個(gè)錐體疊套在一起，若上下錐組對(duì)同軸偏差大，上述灰環(huán)形成的磨損和短路流現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重;④PT-II 250型雙錐結(jié)構(gòu)中，下錐直徑小于上錐，不利于粉塵和垢塊的排出。

通過(guò)對(duì)比，最終選擇PHT-III 250型單錐進(jìn)行替代研究工作。

2 三旋及煙機(jī)結(jié)垢特點(diǎn)

①?gòu)娜Y(jié)垢發(fā)生的部位來(lái)看，結(jié)垢總是產(chǎn)生于高流速及大焓降的排塵口出口，煙氣和排塵口附近中過(guò)高的粉塵濃度及單管返混為結(jié)垢提供了物質(zhì)基礎(chǔ);②從三旋單管的結(jié)垢趨勢(shì)來(lái)看，其結(jié)垢順序是自下而上逐漸形成的，尤以下部單管堵塞最為嚴(yán)重，底部下幾排全部堵塞失去作用后，會(huì)造成上部單管負(fù)荷加大，甚至偏離性能曲線，分離效率下降，經(jīng)常出現(xiàn)排塵口錐體磨穿問(wèn)題，這與三旋集塵倉(cāng)底部更高的粉塵濃度和惡劣的工作環(huán)境有直接關(guān)系;③三旋運(yùn)行狀態(tài)的好壞與煙機(jī)結(jié)垢緊密相關(guān);④三旋出口粉塵濃度逐漸增加意味著三旋因單管開(kāi)始嚴(yán)重結(jié)垢或堵塞，也是煙機(jī)動(dòng)、靜葉等通流部位開(kāi)始結(jié)垢的先兆;⑤對(duì)臥式單管及其排塵口結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)勢(shì)在必行。

綜合考慮進(jìn)行如下：

三旋殼體下部?jī)艨粘叽绫容^：

①凈空尺寸：從三旋內(nèi)部分離原理來(lái)看，經(jīng)過(guò)高效分離的氣相煙氣經(jīng)單管上部的出口排出進(jìn)入煙機(jī)做功，固相催化劑細(xì)粉由單管下部排塵口排出后進(jìn)入排塵倉(cāng)回收。因單管為自上而下分層排布，因返混的存在，隨著粉塵的向下排出，越往下單管排塵口周圍粉塵濃度越高，工作狀態(tài)更加惡劣，越不利于底部單管的排塵。這樣設(shè)計(jì)較大的凈空尺寸，最大限度的減少返混、竄流強(qiáng)度及不利影響，有利于減緩三旋單管的堵塞，從而使其始終保持高效運(yùn)行。因受原有框架尺寸和基礎(chǔ)的限制無(wú)法將殼體換大，也受限于主風(fēng)機(jī)的做功能力，無(wú)法更換為旋分式三旋，最終決定對(duì)分離單元進(jìn)行更換，為減少單管排塵口粉料遇排塵倉(cāng)內(nèi)壁反彈造成返混及串流，將單管傾度由20°提高至25°，從而部分抵消因內(nèi)部空間較小，不利于排塵下落的弊病;②PHT-III 250型單錐排塵單管處理量1300 m3/h，原PT-II 250型雙錐排塵單管處理量1000 m3/h。因PHT-III 250單管處理能力高，應(yīng)用后分離單元單管數(shù)量由170根降至140根。按每層單管排布仍為10根分布，單管數(shù)量降低后減少2排單管變成15排。為進(jìn)一步改善單管排塵效果，減少因間距過(guò)小造成的相互返混影響，將單管間距由原來(lái)的600mm提高至650mm，同時(shí)最底層單管入口中心高較原來(lái)提高500mm，更有利于底部單管避開(kāi)高濃度區(qū)。

此次調(diào)整方案得到了洛陽(yáng)設(shè)計(jì)院的大力支持和認(rèn)可。

新三旋分離單元投用后，從2013年9月一直平穩(wěn)運(yùn)行至2015年9月。三旋壓降在9-11 kPa之間波動(dòng)。期間煙機(jī)一直運(yùn)行平穩(wěn)，2015年1月，煙機(jī)運(yùn)行12000小時(shí)后打開(kāi)，動(dòng)靜葉結(jié)垢輕微，只是在停機(jī)時(shí)圍帶脫落的垢片與動(dòng)葉葉頂發(fā)生剮蹭。2015年8月，三旋打開(kāi)后發(fā)現(xiàn)單管排塵口有少量的薄薄的軟垢（可接受，不影響使用），輕輕觸碰即掉。2016年8月三旋打開(kāi)后，情況也是如此，因此解決三旋結(jié)垢取得了成功。

三旋單管結(jié)垢問(wèn)題解決之后，原以為煙機(jī)結(jié)垢能夠順利解決，實(shí)際上從2015年1月煙機(jī)解體時(shí)發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜葉仍然輕微結(jié)垢，而且是硬垢，對(duì)煙機(jī)運(yùn)行安全仍然存在影響，說(shuō)明煙機(jī)結(jié)垢還有其特殊性，對(duì)比三旋及煙機(jī)的運(yùn)行工況，有一個(gè)因素浮出水面，那可能就是輪盤冷卻蒸汽對(duì)煙機(jī)流場(chǎng)的干擾，這一猜測(cè)需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2015年初，通過(guò)與蘭州機(jī)械廠進(jìn)行新技術(shù)應(yīng)用交流，我們決定進(jìn)行煙機(jī)節(jié)能改造的同時(shí)，對(duì)煙機(jī)的抗結(jié)垢能力進(jìn)行改進(jìn)。

3 煙機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 動(dòng)、靜葉圍帶流道內(nèi)表面毫克能光整處理

毫克能金屬表面加工技術(shù)是源自烏克蘭的一項(xiàng)軍工技術(shù)，其利用金屬在常溫狀態(tài)下冷塑性的特點(diǎn)，運(yùn)用毫克能對(duì)金屬零部件進(jìn)行無(wú)研磨劑的研磨、強(qiáng)化和微小形變處理，使金屬零件表面達(dá)到更理想的表面粗糙度要求;提高零件表面顯微硬度的同時(shí)在零件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，增強(qiáng)零件的耐磨性、耐蝕性及疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，表面粗糙度達(dá)到Ra0.02（達(dá)到鏡面水平），硬度提高了20% 以上。

新制過(guò)渡襯環(huán)和襯環(huán)，過(guò)渡襯環(huán)流道表面進(jìn)行毫克能光整處理，以提高表面光潔度，延緩催化劑結(jié)垢。

注：本次新制的襯環(huán)和過(guò)渡襯環(huán)內(nèi)表面均不噴涂耐磨涂層。

3.2 采用輪盤冷卻新結(jié)構(gòu)

采用輪盤冷卻新結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子前側(cè)設(shè)置蜂窩密封，轉(zhuǎn)子輪盤設(shè)導(dǎo)流孔。由于減少冷卻蒸汽，改變了冷卻蒸汽流向，能夠消除冷卻蒸汽引起的動(dòng)葉片等部位催化劑結(jié)垢問(wèn)題，消除動(dòng)葉葉根部位的渦流造成的沖蝕，同時(shí)減少蒸汽對(duì)流場(chǎng)的干擾，提高煙機(jī)的效率。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

進(jìn)入到葉柵流道的冷卻蒸汽量大幅減少，減少了煙機(jī)葉片結(jié)垢的條件，對(duì)煙機(jī)葉片結(jié)垢有緩解作用。

由于改變了蒸汽流向，能夠杜絕蒸汽對(duì)流場(chǎng)的干擾，消除動(dòng)葉葉根部位的渦流造成的沖蝕，同時(shí)能夠提高回收效率。

輪盤冷卻蒸汽用量大幅減少，節(jié)省了蒸汽，節(jié)能效果明顯。

3.3 動(dòng)、靜葉型采用高效彎扭復(fù)合葉型

采用新開(kāi)發(fā)的馬刀葉型，該葉型具有更好的氣動(dòng)效率。 從傳統(tǒng)的直葉型和扭曲葉型發(fā)展到高效的馬刀葉型，馬刀葉形是變截面，扭曲和彎曲三項(xiàng)技術(shù)的綜合體，馬刀型葉片能有效調(diào)整等壓線的分布形狀，控制徑向壓力梯度和橫向壓力梯度，抑制根部附面層分離現(xiàn)象，減少二次流損失。

通過(guò)葉片馬刀式的彎曲，在葉片根部引入了較大的正斜置值，在頂部引入少量的副斜置值，可以使得根部附近的低壓區(qū)位置上移，在根部產(chǎn)生負(fù)壓力梯度，使根部低能區(qū)的流體向中部流動(dòng)，并被主流帶走，從而提高葉片的氣動(dòng)效率，增加葉片的做功能力，使煙機(jī)的通流效率得到較大的提高，同時(shí)由于流線的平行和順滑，對(duì)緩解催化劑的結(jié)垢也起到了一定的作用。

3.4 采用帶有導(dǎo)流板高效排氣機(jī)殼

對(duì)于和煙氣輪機(jī)類似的燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力透平，一般都采用無(wú)導(dǎo)流板的長(zhǎng)擴(kuò)壓段。但是煙機(jī)的懸臂結(jié)構(gòu)限制，在軸向不方便采用長(zhǎng)的軸向擴(kuò)壓段，且煙氣輪機(jī)的級(jí)的焓降一般比燃?xì)廨啓C(jī)大，為了減小排氣機(jī)殼的擴(kuò)壓損失，我們開(kāi)發(fā)了帶有導(dǎo)流板高效排氣機(jī)殼，減小排氣機(jī)殼的擴(kuò)壓損失，用以提高煙機(jī)的效率。

通常擴(kuò)壓板的前緣與動(dòng)葉出口留有一定的軸向距離，防止導(dǎo)流板前緣的氣流對(duì)動(dòng)葉出口產(chǎn)生不必要的擾動(dòng)，抵消了采用導(dǎo)流板帶來(lái)的好處。

重點(diǎn)通過(guò)前兩項(xiàng)措施，解決了催化劑在圍帶結(jié)垢問(wèn)題，及蒸汽對(duì)煙機(jī)流廠的干擾，2016年8月煙機(jī)解體檢查發(fā)現(xiàn)，動(dòng)葉及圍帶處無(wú)結(jié)垢，靜葉處微量垢片，動(dòng)葉葉根榫齒處和輪盤處無(wú)沖蝕，經(jīng)過(guò)一年的調(diào)整解決煙機(jī)結(jié)垢問(wèn)題取得突破，進(jìn)一步印證蒸汽因素是催化劑結(jié)硬垢的主要原因。

4 結(jié)論

通過(guò)三旋及煙氣輪機(jī)結(jié)構(gòu)改造，裝置YL-10000C型煙機(jī)，自2013年9月檢修后投入運(yùn)行一直保持平穩(wěn)狀態(tài)，經(jīng)歷三次檢修為一次裝置大檢修兩次是達(dá)到長(zhǎng)周期運(yùn)行導(dǎo)則時(shí)限強(qiáng)制定期檢修。這樣經(jīng)過(guò)不懈地努力，探索三旋及煙機(jī)的結(jié)垢成因及應(yīng)對(duì)措施取得了突破性進(jìn)展，并認(rèn)清了結(jié)垢的基理，為以后徹底解決煙機(jī)結(jié)垢問(wèn)題邁出了至關(guān)重要的一步。