催化煙氣粉塵含量濃度監(jiān)測方法的研究

高連君，高宏全，李大鵬

（1.克拉瑪依市科比技術(shù)有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834003；2.中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834003）

0 引言

催化裝置是克石化公司的關(guān)鍵裝置，利用再生器出來的煙氣帶動(dòng)煙氣輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，煙氣輪機(jī)是流化催化裝置能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，能把熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，很大程度上節(jié)約能源，但對進(jìn)入煙機(jī)的煙氣粉塵濃度及粒度有嚴(yán)格的要求。中國石油天然氣股份有限公司煉油與銷售分公司文件（油煉銷字［2006］219號(hào)）規(guī)定：進(jìn)入煙氣輪機(jī)的煙氣粉塵濃度應(yīng)＜100 mg/Nm3，粉塵濃度過高會(huì)造成葉片上粘附較多的粉塵導(dǎo)致轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡；另外還對粒度有要求，要求粉塵顆粒尺寸＞10 μm 的不超過8%。

通過三級(jí)旋風(fēng)分離后的煙氣中所含的催化劑粉塵顆粒的濃度、粒度有較大幅度減少、減小，基本可以滿足煙機(jī)的正常使用，但是也不排除分離器分離效果差和其他一些工藝原因?qū)е路蹓m的濃度增加、粉塵粒度增大的情況。所以對進(jìn)入煙機(jī)的煙氣粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測很有必要性，但目前國家對于催化煙氣粉塵濃度的取樣方法、取樣裝置及計(jì)算公式?jīng)]有相應(yīng)的規(guī)定。在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，即使計(jì)算公式相同，但不同的取樣方法和取樣裝置得出的結(jié)論卻相差很大，很難保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過長期的現(xiàn)場實(shí)踐和不斷的改進(jìn)，目前公司形成了現(xiàn)有的一套取樣裝置和方法，監(jiān)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況基本吻合。

1 煙氣粉塵監(jiān)測的重要性

煙氣輪機(jī)是以煙氣為工質(zhì)，將工質(zhì)的熱能和壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的原動(dòng)機(jī)，在石油煉廠流化催化裂化裝置再生煙氣能量回收系統(tǒng)中已得到廣泛的應(yīng)用。催化裂化裝置是把重質(zhì)油轉(zhuǎn)化為高辛烷值汽油、石油化工原料和其他輕質(zhì)油的工藝裝置，其能耗約占整個(gè)石油煉油廠能耗的25%左右，居廠內(nèi)各裝置的首位，是全廠節(jié)能的主攻方向。在催化裂化反應(yīng)過程中，由于縮合反應(yīng)和氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)要生成高度縮合的產(chǎn)物——焦炭，焦炭沉積在催化劑表面上使催化劑的活性和選擇性降低，因此必須輸送具有一定風(fēng)壓、風(fēng)量的空氣到再生器中，將待生催化劑表面上的焦炭燒去，使催化劑再生。催化劑再生后，由再生器排出的具有一定壓力的高溫?zé)煔鈳ё呖苫厥盏哪芰考s為800 MJ/t 原料油，占全裝置能耗的26%左右。為了回收煙帶走的能量，目前普遍采用的措施是利用高溫?zé)煔?，通過三旋風(fēng)分離器將其中的絕大部分催化劑顆粒除去后，進(jìn)入煙氣輪機(jī)膨脹做功，將其熱能與壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，驅(qū)動(dòng)供風(fēng)用的主風(fēng)機(jī)或發(fā)電機(jī)發(fā)電。

因?yàn)闊煔廨啓C(jī)的工質(zhì)中含有催化劑固體微粒，這種氣—固兩相流對煙氣輪機(jī)的氣動(dòng)熱力性能和葉片的磨損要產(chǎn)生影響。帶有固體顆粒的氣流進(jìn)入煙氣輪機(jī)時(shí)，在靜葉和動(dòng)葉流道內(nèi)除極細(xì)小微粒（一般指＜5 μm 的顆粒）基本上隨氣流一起運(yùn)動(dòng)，造成比單純氣流有較大的粘性作用和粘性損失外，一些較大的顆粒由于慣性較大，速度滯后于氣體速度，微粒進(jìn)入動(dòng)葉片的相對速度的大小和方向與氣體的相對運(yùn)動(dòng)速度的大小與方向是不相同的。顆粒尺寸愈大，這種差異愈大。當(dāng)微粒以較大的沖角進(jìn)入動(dòng)葉片時(shí)，必然對動(dòng)葉片頭部產(chǎn)生較大的磨損，顆粒愈大磨損也就愈大。微粒離開動(dòng)葉片的絕對速度方向與氣體的絕對速度的方向不同，因此較大微粒在離開動(dòng)葉片時(shí)，必然產(chǎn)生旋渦，而造成氣邊的磨損，大尺寸的微粒愈多，動(dòng)葉片的出氣邊磨損就愈嚴(yán)重。此外微粒還會(huì)對流道進(jìn)行沖蝕磨損。

催化劑微粒的濃度對葉片的磨損影響是很大的，國內(nèi)外大量實(shí)踐表明，含粉塵濃度是造成葉片磨損的主要原因之一。過高的濃度粉塵顆粒和尺寸較大的粉塵顆粒會(huì)對煙機(jī)的靜葉和動(dòng)葉片造成沖刷，降低煙機(jī)的效率、破壞煙機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡，輕則造成煙機(jī)較大的振動(dòng)，重則可以把煙機(jī)動(dòng)葉片沖刷脫落，脫落的動(dòng)葉片將造成煙機(jī)停機(jī)，后果非常嚴(yán)重。國家和中石油對粉塵的濃度和粒度提出的要求，目前采取的措施是利用三旋分離器以降低粉塵的濃度的減小進(jìn)入煙機(jī)葉片的粉塵粒度，但至于三旋分離的效果還需要進(jìn)行監(jiān)測，所以對煙氣粉塵的濃度進(jìn)行監(jiān)測是非常有必要的，意義非常重大。

2 煙氣粉塵濃度計(jì)算公式介紹

把煙道內(nèi)的氣體取出，通過氣體狀態(tài)方程，導(dǎo)出計(jì)算公式。把煙氣當(dāng)作理想氣體，推出的計(jì)算公式能大大減小由于其他原因?qū)е碌谋O(jiān)測結(jié)果的偏差。計(jì)算公式如下所示：

3 煙氣取樣裝置（圖1）

圖1 煙氣取樣裝置

4 煙氣取樣點(diǎn)數(shù)與取樣位置確定

取樣點(diǎn)的選取，由于煙氣在煙道中呈紊流狀態(tài)，在煙道中的任何一點(diǎn)所取的煙氣均不能準(zhǔn)確反映進(jìn)入煙氣的煙氣粉塵含量。參考GB 9078—1988《工業(yè)爐窯煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)》中的測試要求，根據(jù)煙道的內(nèi)徑計(jì)算出測點(diǎn)的數(shù)量和在煙道內(nèi)的位置，選取取樣點(diǎn)（表1）。經(jīng)過煙道的直徑計(jì)算出的取樣點(diǎn)數(shù)及取樣位置如下（圖2、圖3）：

圖2 現(xiàn)場采樣口位置

圖3 現(xiàn)場采樣點(diǎn)位置

表1 圓形斷面分環(huán)及采樣點(diǎn)數(shù)

（1）三旋入口煙道，設(shè)計(jì)直徑為1400 mm，內(nèi)部絕熱層為140 mm，實(shí)際煙道的直徑為1400－（140×2）＝1120 mm。三分環(huán)，各測點(diǎn)距煙道內(nèi)壁的距離：L1=49 mm，L2=164 mm，L3=329 mm，L4=791 mm，L5=955 mm，L6=1071 mm。

（2）煙機(jī)入口煙道，設(shè)計(jì)直徑為1100 mm，內(nèi)部絕熱層為100 mm，實(shí)際煙道的直徑為1100－（100×2）＝900 mm。三分環(huán)，各測點(diǎn)距煙道內(nèi)壁的距離：L1=40 mm，L2=131 mm，L3=265 mm，L4=635 mm，L5=768 mm，L6=860 mm。

5 現(xiàn)場取樣方法

把取樣用的玻璃纖維濾筒寫上編號(hào)，放入烘箱在105 ℃溫度下烘2.5 h，冷卻30 min 后用天秤稱記錄下每個(gè)玻璃纖維濾筒的重量，待用。根據(jù)煙道的內(nèi)徑計(jì)算出測點(diǎn)的數(shù)量和在煙道內(nèi)的位置（計(jì)算方法參照GB 9078—1988《工業(yè)爐窯煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)》）。根據(jù)每個(gè)測點(diǎn)在煙道內(nèi)的位置、煙道的壁厚和煙道外閥門的尺寸，計(jì)算出取樣管伸入到該測點(diǎn)時(shí)，取樣管在煙道外所對應(yīng)的位置，在此位置處做一個(gè)數(shù)字標(biāo)記，分別用鋼印標(biāo)注上1、2、3、4……。把稱重后玻璃纖維濾筒放入取樣筒中，記下玻璃纖維濾筒的編號(hào)，取樣筒壓蓋把濾筒壓蓋壓入玻璃纖維濾筒內(nèi)，旋轉(zhuǎn)取樣筒壓蓋與取樣筒通過螺紋連接，直到把濾筒壓蓋上緊。氣體流量計(jì)內(nèi)裝滿水。把第二連接管分別與取樣筒和氣體流量計(jì)相連，盡量保證過盈配合。打開煙道閥門進(jìn)行放空2 min，排出積存在閥門處的粉塵。把取樣管插入煙道內(nèi)，坡口向上同，先測離煙道取樣口最遠(yuǎn)的測點(diǎn)，打開控制閥，觀察氣體流量計(jì)的流量，當(dāng)流量顯示氣體體積為200 L 左右時(shí)，關(guān)閉控制閥，讀取流量和氣體的溫度（溫度計(jì)插在氣體流量計(jì)上）。擰開濾筒壓蓋，取出玻璃纖維濾筒，把濾筒口封好防止粉塵泄漏。把取樣管從煙道向外抽，移動(dòng)到下一個(gè)取樣點(diǎn)位置，重復(fù)以上過程。

把取樣后的玻璃纖維濾筒再放入烘箱中，在105 ℃溫度下烘2.5 h，冷卻30 min 后用天秤稱記錄下每個(gè)玻璃纖維濾筒的重量，分別計(jì)算出采樣前后每個(gè)玻璃纖維濾筒的重量差。按計(jì)算公式分別計(jì)算出每個(gè)取樣點(diǎn)的煙氣粉塵含量，取平均值作為最后的計(jì)算結(jié)果。

6 監(jiān)測效果

經(jīng)過多年的現(xiàn)場監(jiān)測，以上監(jiān)測方法得出的結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際基本吻合，能夠滿足生產(chǎn)需要。2020 年12 月22 日，煙機(jī)前后端軸承外殼振動(dòng)量值分別由11 月的3.66 mm/s 和2.53 mm/s升至4.44 mm/s 和3.56 mm/s，經(jīng)過分析，煙機(jī)轉(zhuǎn)子存在不平衡現(xiàn)象。查看12 月25 日采的煙氣粉塵濃度明顯高于上月，煙氣粉塵濃度與振動(dòng)量值能對應(yīng)起來，車間及時(shí)采取措施，查找粉塵濃度偏高的原因，粉塵濃度下降后，煙機(jī)的振動(dòng)量值也恢復(fù)至平常的振動(dòng)水平。