催化裂化裝置操作溫度高于700℃,普遍采用三級串聯多管旋風器(以下簡稱三旋分離器)作為催化劑顆粒的分離設備。三旋分離器存在體積大,系統阻力大(約 5kPa)、能耗高,易磨損,高溫下分隔板易變形而造成漏風等缺陷。另外,三旋分離器對直徑小于10μm,尤其是5μm以下的催化劑顆粒很難分離,使大量細小催化劑顆粒流失,并危及后續汽輪機的運行。長期大量的相關研究和試驗都證明,僅對旋風器進行改良是不可能從根本上解決催化裂化分離效率低的問題,關鍵是在高溫分離技術上必須有新的突破。

1.針輪轉子離心機簡介

1.1 結構針輪轉子離心機基于超強離心耦合氣動力分離機理,其結構如圖1所示。它采取分步分倉落料的方式,上部懸掛有針輪轉子,可產生旋流;在進口段,設有一個開孔的筒,借助切向蝸旋進氣來向主腔體環周進風、布料,力求顆粒從針輪轉子外周進入離心腔;主離心腔為錐形,通過錐面上分解的斜向下的離心力,加速顆粒使其到達落料分界面。在落料斗和主離心腔之間,采取加筋條及導向葉片等措施,使顆粒減速和屏蔽落入的顆粒;在出口處設置開孔錐筒,來削弱出口彎頭邊界對主腔氣流的影響。

1.2 技術特點

1.2.1離心場啟動方法

針輪是由U字形線材以環上掛苗的形式在環周均勻密集排列,再串聯在輪轂上組成的[1]。針苗在輪轂的一端被鉸支座約束,末端自由,故而其受力后能夠發生環向擺動和變形。此排列方式有利于降低針輪的啟動阻力和運行阻力,使針輪在轉動中具有自我調整動平衡的特點。針輪在徑向無阻擋,延伸半徑可以達到工業化應用尺寸。另外,針苗以微分壓縮方式向氣流傳遞機械能,能量傳遞效率高。

1.2.2離心與氣動力作用耦合分離機理針輪轉子離心機以超強離心為基本機理[2],它具有統一的旋轉角速度,最大線速度可以達到旋風器進口速度的3倍以上。其結構的軸對稱性好,湍流小而少。此外,該技術還耦合了以下3個層面上的氣動力分離機理[3]:(1)在進氣段顆粒切向進入,其動量方向與進入主離心腔前氣流所穿過孔的方向大角度相交,迫使大部分大顆粒物預先分離和沉降。(2)針輪轉子雖只在局部安裝,但其上部是重要的旋流影響區,有強烈的自由渦旋, 這對進氣氣流所攜帶顆粒的大小和總量有重要影響。(3)對于針輪轉子啟動的渦旋來講,進氣段的孔筒是一個依照流體力學狹縫效應構建的速度阻擋器。顆粒從慣性減速區透過速度過濾器進入高旋轉速度主旋流場,瞬時間接受強大離心力的作用,離心力屏障就會起到顯著的分離作用。

1.2.3磨損動量磨損與顆粒的質量和速度的積正有關。顆粒質量再大,但若其運行速度小,形成的磨損就小。因此,只要實施對粗、細顆粒分別予以不加速和加速的措施,磨損狀況就會大為改善。旋風器的嚴重磨損問題正是由于對大顆粒進行不必要的加速而造成的。針輪轉子離心機設計進口速度僅為10～14m/s。氣流進入初級卸料區后呈環周分布,形成顆粒減速沉降,大顆粒優先分離。由于從邊緣進入主離心腔,顆粒不是都能得到轉子最大線速度的加速。顆粒從轉子外圍的自由渦旋場區向轉子移動,質量大的顆粒,在獲得一個小的加速后,就得到足夠的離心力而優先向邊壁移動。能夠達到轉子而被最大加速的大部分是微塵。

1.2.4其他特點針輪轉子離心機的運行阻力約為500Pa,能耗低。另外,針輪轉子離心機每千立方米處理量的設備耗鋼量為50～70kg,重量輕,體積也小。

2.針輪轉子離心機的實際應用效果


將針輪轉子離心機應用于某手燒燃煤鍋爐煙氣除塵,在2000m3/h的處理能力下,二級落料中顆粒粒徑及其分布情況列于表1。

在離心力屏障下,能夠進入主離心腔的幾乎都是粒徑小于50μm的顆粒,其中粒徑小于2μm的顆粒達12.9%,分離效率高。另外運行中發現,盡管利用了氣動力分離器,但出口氣流仍然有較強的旋轉,這樣就可以采用增加導流葉片的方法,把這部分旋轉動量轉化為軸向氣流速度,從而可以進一步削減系統阻力。

3.用針輪轉子離心機代替三旋分離器的可行性

針輪轉子離心機在分離性能上已經遠遠超越了旋風器技術,其單級處理量可以達到10000m3/h,通過多級并聯可以達到任意大的處理量,用一級針輪轉子離心機組代替三級旋風器組就可以滿足催化劑分離的要求。將針輪轉子離心機代替三旋分離器應用于催化裂化裝置,亟需解決的應是設備耐高溫問題。針輪轉子離心機是輕型轉子的定軸轉動,主要承載軸承幾乎外置,深入主腔體的軸承只是在啟動時起輔助作用,只要安裝情況良好,正常工況下可以不受力,對潤滑的要求就大大降低,這樣就可選擇陶瓷軸承。另外,還可采取隔熱、風冷卻、水冷卻等措施,傳動裝置的耐高溫問題就得以解決。針苗采用耐高溫不銹鋼材料制備,就可解決針輪的耐高溫問題。