2.6 Mt/a 催化裂化煙機(jī)運(yùn)行效率影響因素及優(yōu)化措施

孫博文，陳銀平，王立娟，馬 超

（中國(guó)石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

某公司2.6 Mt/a 催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)組由主風(fēng)機(jī)、煙氣輪機(jī)、電機(jī)組成，其中煙氣輪機(jī)的主要作用是將高溫?zé)煔獾膲毫δ芘c熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)主風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)主風(fēng)機(jī)向再生系統(tǒng)供風(fēng)燒焦的目的。在實(shí)際運(yùn)行過程中，煙氣輪機(jī)運(yùn)行效率受多種因素影響，導(dǎo)致煙機(jī)運(yùn)行效率下降，電機(jī)電流進(jìn)一步增大，這極大的增加了裝置電耗。

1 工藝流程簡(jiǎn)述

能量回收系統(tǒng)見圖1，再生器頂?shù)母邷責(zé)煔饨?jīng)煙道首先進(jìn)入三級(jí)旋風(fēng)分離器，從中分離出大部分細(xì)粉催化劑，使進(jìn)入煙氣輪機(jī)的煙氣中催化劑含量降到0.15 g/m3以下，大于10 μm 的催化劑顆?；境ィ员ＷC煙氣輪機(jī)葉片長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。凈化的煙氣從三級(jí)旋風(fēng)分離器出來分為兩路：一路經(jīng)切斷蝶閥和調(diào)節(jié)蝶閥軸向進(jìn)入煙氣輪機(jī)膨脹做功，驅(qū)動(dòng)主風(fēng)機(jī)回收煙氣中的壓力能，與另一路經(jīng)雙動(dòng)滑閥調(diào)節(jié)放空的煙氣匯合后進(jìn)入CO 焚燒爐進(jìn)一步回收煙氣的燃燒熱和顯熱。在煙氣輪機(jī)前的水平管道上裝有高溫切斷蝶閥及高溫調(diào)節(jié)蝶閥，高溫切斷蝶閥是在事故狀態(tài)下緊急切斷煙氣之用。在正常運(yùn)行時(shí)，再生器頂壓力由雙動(dòng)滑閥控制，在保證雙動(dòng)滑閥小開度平穩(wěn)再生壓力的前提下，盡量開大煙機(jī)入口蝶閥，使煙氣進(jìn)煙機(jī)做功，實(shí)現(xiàn)煙氣能量最大化回收利用。

圖1 煙氣能量回收流程圖

2 煙機(jī)運(yùn)行效率影響因素

2.1 煙機(jī)結(jié)垢

2.1.1 原料的金屬含量 原料中的重金屬有Na、Ca、V、Fe 等，在催化裂化反應(yīng)過程中，重金屬會(huì)黏附在催化劑上帶至再生系統(tǒng)，在高溫?zé)购?，煙氣通過旋風(fēng)分離器分離催化劑后進(jìn)入煙機(jī)做功，但旋風(fēng)分離器對(duì)小顆粒催化劑分離效率不高，這部分催化劑會(huì)攜帶重金屬進(jìn)入煙機(jī)，當(dāng)催化劑上攜帶重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到一定程度，在高溫作用下會(huì)在煙機(jī)葉片形成低熔點(diǎn)共晶體，加速葉片結(jié)垢[1]。

2.1.2 催化劑細(xì)粉量 催化劑細(xì)粉高溫靜電作用下會(huì)黏附在煙機(jī)葉片上，在三級(jí)旋風(fēng)分離器出口設(shè)置催化劑粉塵監(jiān)控，控制煙氣中細(xì)粉指標(biāo)不大于0.15 g/m3，10 μm以上顆粒含量不大于3%，以此來延緩煙機(jī)結(jié)垢問題。但催化劑在高溫?zé)惯^程中受高溫?zé)崤鲎埠透邷厮魵庾饔?，?huì)在再生器內(nèi)發(fā)生熱崩破裂，催化劑細(xì)粉含量增多，同時(shí)，為保證催化劑活性，再生器定期補(bǔ)充新催化劑，新催化劑存在大量棱角和尖角[2]，在再生器內(nèi)會(huì)碰撞磨損為細(xì)粉，再生器頂旋風(fēng)分離器對(duì)細(xì)粉回收效率低，從而造成大量細(xì)粉進(jìn)入煙機(jī)，加速煙機(jī)結(jié)垢。

2.2 低負(fù)荷運(yùn)行

受裝置加工負(fù)荷降低和汽油產(chǎn)品升級(jí)影響，再生器生焦量下降，再生煙氣量降低，煙機(jī)入口蝶閥開度過小，煙機(jī)運(yùn)行效率降低，主風(fēng)機(jī)電耗增加，經(jīng)濟(jì)性下降。

表1 能量回收系統(tǒng)煙機(jī)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

對(duì)煙機(jī)設(shè)計(jì)工況與實(shí)際工況進(jìn)行對(duì)比，在低負(fù)荷下煙機(jī)進(jìn)出口溫差變小，煙機(jī)實(shí)際功率與設(shè)計(jì)工況輸出功率偏差過大，主風(fēng)機(jī)電耗增加。

2.3 煙機(jī)背壓升高

在2.6 Mt/a 催化裂化裝置原始設(shè)計(jì)中，再生煙氣經(jīng)過能量回收系統(tǒng)與CO 焚燒爐回收余熱后直接排大氣，但在隨后的生產(chǎn)運(yùn)行中，為降低催化裂化再生煙氣中二氧化硫及顆粒物的含量，滿足GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》排放要求新建煙氣脫硫裝置。為降低催化裂化再生煙氣中氮氧化物的含量，滿足GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)催化裝置增設(shè)煙氣脫硝設(shè)施，同時(shí)對(duì)CO 焚燒爐進(jìn)行相應(yīng)配套改造，以達(dá)環(huán)保要求。但在實(shí)際生產(chǎn)中，采用SCR 脫硝模塊控制煙氣中的NOx時(shí)，SCR 模塊噴氨后產(chǎn)生的副反應(yīng)易導(dǎo)致鍋爐銨鹽結(jié)晶，黏附在噴氨模塊和省煤器上使煙氣流通通道減少，煙氣流速進(jìn)一步降低，CO 焚燒爐爐膛壓力上漲，煙機(jī)出口背壓進(jìn)一步上漲，煙機(jī)做功效率明顯下降。

3 煙機(jī)運(yùn)行效率優(yōu)化分析

3.1 煙機(jī)結(jié)垢[3]

3.1.1 催化劑攜帶重金屬量 在原料與催化劑接觸反應(yīng)時(shí)，原料中的重金屬會(huì)黏附在催化劑表面，從而造成催化劑中毒失活，影響產(chǎn)品分布及產(chǎn)品質(zhì)量，在日常生產(chǎn)中，對(duì)原料重金屬污染指數(shù)與催化劑污染指數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

從圖2 可以看出，催化原料中重金屬含量相對(duì)穩(wěn)定，基本保持在30～40，這也表明原料中攜帶的重金屬在現(xiàn)有工藝條件下基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，若出現(xiàn)煙機(jī)結(jié)垢加速問題，應(yīng)排除原料中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升的影響因素，對(duì)再生催化劑上重金屬含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖2 催化原料重金屬污染指數(shù)

從圖3 可以看出，催化劑污染指數(shù)呈上升趨勢(shì)，這表明原料中的重金屬在催化劑表面黏附時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增大，為防止重金屬引起催化劑失活，在操作上通過增加鈍化劑來減輕重金屬對(duì)產(chǎn)品分布及產(chǎn)品質(zhì)量的影響。但催化劑上重金屬含量的增多，也會(huì)導(dǎo)致攜帶進(jìn)入煙機(jī)的重金屬含量增加，通過增加催化劑置換率，將重金屬含量高的催化劑卸出系統(tǒng)，補(bǔ)充新鮮催化劑來降低系統(tǒng)中催化劑重金屬含量，從而減輕催化劑上重金屬對(duì)煙機(jī)效率的影響。

圖3 催化劑污染指數(shù)

3.1.2 細(xì)粉產(chǎn)生及催化劑跑損 反再系統(tǒng)操作條件發(fā)生大幅度變化，極易出現(xiàn)煙氣尾燃超溫現(xiàn)象，為防止煙氣管道超溫，煙氣管線上設(shè)有噴水或噴蒸汽設(shè)施用于在特殊情況下通過噴入水或蒸汽降溫，這勢(shì)必會(huì)使催化劑熱崩產(chǎn)生大量細(xì)粉，在粉塵含量超標(biāo)的情況下煙機(jī)結(jié)垢加速，在三級(jí)旋風(fēng)分離器入口設(shè)置煙氣顆粒物監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)生催化劑突發(fā)性跑損或三級(jí)旋風(fēng)分離器出口煙氣粉塵超標(biāo)時(shí)，要及時(shí)調(diào)整操作，關(guān)小煙機(jī)入口蝶閥開度，減小煙機(jī)做功，必要時(shí)切除煙氣輪機(jī)，避免煙機(jī)結(jié)垢。從表2 觀察，催化劑粒度分布無明顯變化，20 μm以下含量保持在2.0%以下，40 μm 以下細(xì)粉保持在20.0%以下，反再系統(tǒng)操作平穩(wěn)，再生器頂旋風(fēng)分離器與三級(jí)旋風(fēng)分離器運(yùn)行正常。

表2 催化劑粒度分布

3.2 低負(fù)荷運(yùn)行

裝置在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，為保證再生壓力可控，勢(shì)必要保證雙動(dòng)滑閥留有一定的開度，在此前提下，開大煙機(jī)入口蝶閥以提高煙機(jī)運(yùn)行效率。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，可以考慮降低再生壓力，提高煙機(jī)入口壓力來提升煙機(jī)效率。由于再生壓力由煙機(jī)入口蝶閥控制，提高再生壓力后，煙機(jī)入口蝶閥開度關(guān)小，蝶閥壓降上升，煙機(jī)入口壓力反而下降，從而導(dǎo)致主風(fēng)機(jī)組電耗上升。而在一定操作范圍內(nèi)降低再生壓力，煙機(jī)入口蝶閥開大，蝶閥壓力降下降，反而可以提高煙機(jī)入口壓力[4]。將再生壓力進(jìn)行多次調(diào)整，在將再生壓力降低12 kPa時(shí)，對(duì)調(diào)整前后的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

從表3 可以看出，煙機(jī)入口蝶閥開度增加5.5%閥位，煙機(jī)入口壓力增加18 kPa。

表3 反再系統(tǒng)壓力優(yōu)化對(duì)比

3.3 煙機(jī)背壓

煙機(jī)背壓升高主要受SCR 脫硝模塊影響，在控制煙氣中NOx含量時(shí)，噴氨易產(chǎn)生副反應(yīng)生成銨鹽結(jié)晶，黏附在噴氨模塊或省煤器管線上降低煙氣流速，在低流速下煙氣中攜帶的細(xì)粉會(huì)在噴氨模塊及省煤段沉積，進(jìn)一步減少煙氣流通通道，造成CO 焚燒爐爐膛壓力升高。

通過對(duì)CO 焚燒爐爐膛壓力監(jiān)控，爐膛壓力在運(yùn)行過程中逐漸升高，爐膛壓力的升高勢(shì)必會(huì)造成煙機(jī)出口背壓增加，煙機(jī)做功效率降低，主風(fēng)機(jī)耗電增加。為減緩銨鹽結(jié)晶及爐膛積灰，在操作上增加爐膛擊波吹灰頻次，盡可能將催化劑細(xì)粉帶出鍋爐，同時(shí)，控制噴氨量，減少過量氨進(jìn)入系統(tǒng)形成銨鹽結(jié)晶。但銨鹽結(jié)晶是不可逆的，采用在線水洗將黏附在模塊和翅片管上的銨鹽用水溶解帶出鍋爐可有效降低鍋爐爐膛壓力。

4 煙機(jī)運(yùn)行措施效果評(píng)價(jià)

4.1 煙機(jī)結(jié)垢措施評(píng)價(jià)

催化劑上重金屬含量增多，導(dǎo)致攜帶進(jìn)入煙機(jī)的重金屬含量增加，通過增加催化劑置換率，控制再生系統(tǒng)催化劑上重金屬含量。同時(shí)，在日常操作中，平穩(wěn)再生壓力，避免再生器超溫、大量蒸汽進(jìn)入再生器引起的催化劑水熱失活產(chǎn)生細(xì)粉，監(jiān)控三級(jí)旋風(fēng)分離器出口顆粒物濃度使其保持穩(wěn)定，出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)及時(shí)關(guān)小煙機(jī)入口蝶閥。

通過對(duì)催化劑重金屬含量、再生操作的優(yōu)化控制，煙機(jī)進(jìn)氣側(cè)軸振動(dòng)穩(wěn)定在35～42 μm，煙機(jī)振值無大波動(dòng)和上漲趨勢(shì)，有效延長(zhǎng)了煙機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。

4.2 低負(fù)荷優(yōu)化措施評(píng)價(jià)

在低負(fù)荷下，適當(dāng)降低再生壓力，可以開大煙機(jī)入口蝶閥開度，提高煙機(jī)入口壓力。

從表4 可知，在低負(fù)荷下對(duì)再生系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，煙機(jī)實(shí)際功率提升了904 kW，主風(fēng)機(jī)電流下降11 A。

表4 優(yōu)化前后煙機(jī)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

4.3 煙機(jī)降背壓措施評(píng)價(jià)

因SCR 脫硝模塊的存在，噴氨后銨鹽結(jié)晶在省煤段翅片管黏附，導(dǎo)致煙氣流通通道變窄，煙氣流速降低，煙機(jī)背壓升高。因銨鹽極易溶于水，通過在線水洗將黏附在省煤段翅片管上的銨鹽帶出爐膛，降低爐膛壓力，降低煙機(jī)出口背壓。

爐膛壓力在運(yùn)行兩周后達(dá)到5 000 Pa 以上，此時(shí)爐膛壓力達(dá)到極限值，煙機(jī)背壓增加，及時(shí)采用在線水洗將鍋爐省煤段黏附銨鹽溶解于水并帶出鍋爐，爐膛壓力再次下降至4 100 Pa，觀察主風(fēng)機(jī)電流從342 A逐步下降至297 A，主風(fēng)機(jī)功耗明顯下降，煙機(jī)功率相應(yīng)提升。

5 總結(jié)

從以上的分析及措施可以看出，提高煙機(jī)運(yùn)行效率必須做好以下工作：

（1）煙機(jī)結(jié)垢不僅會(huì)使煙機(jī)振動(dòng)增加，降低煙機(jī)運(yùn)行效率，同時(shí)，會(huì)影響煙機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行，增加煙機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)煙機(jī)結(jié)垢因素分析，在日常操作中，平穩(wěn)再生壓力，防止再生器超溫，關(guān)注催化劑重金屬含量與催化劑水熱失活，避免大量細(xì)粉攜帶重金屬進(jìn)入煙機(jī)可有效緩解煙機(jī)結(jié)垢問題。

（2）在裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，考慮適當(dāng)降低再生壓力，提高煙機(jī)入口壓力，開大煙機(jī)入口蝶閥開度，可有效提升煙機(jī)運(yùn)行效率。

（3）因鍋爐SCR 脫硝模塊銨鹽結(jié)晶問題，煙機(jī)背壓逐步升高，這也導(dǎo)致煙機(jī)運(yùn)行效率降低，在現(xiàn)有條件下，通過擊波吹灰、蒸汽吹灰、在線水洗等手段及時(shí)將積灰與銨鹽帶出爐膛，保證煙機(jī)背壓平穩(wěn)，可有效提升煙機(jī)運(yùn)行效率，降低主風(fēng)機(jī)功耗。