催化裂化裝置操作溫度高于700℃,普遍采用三級串聯(lián)多管旋風(fēng)器(以下簡稱三旋分離器)作為催化劑顆粒的分離設(shè)備。三旋分離器存在體積大,系統(tǒng)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(fēng)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(xì)小催化劑顆粒流失,并危及后續(xù)汽輪機(jī)的運(yùn)行。長期大量的相關(guān)研究和試驗(yàn)都證明,僅對旋風(fēng)器進(jìn)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(guān)鍵是在高溫分離技術(shù)上必須有新的突破。

1.針輪轉(zhuǎn)子離心機(jī)簡介

1.1 結(jié)構(gòu)針輪轉(zhuǎn)子離心機(jī)基于超強(qiáng)離心耦合氣動(dòng)力分離機(jī)理,其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子,可產(chǎn)生旋流;在進(jìn)口段,設(shè)有一個(gè)開孔的筒,借助切向蝸旋進(jìn)氣來向主腔體環(huán)周進(jìn)風(fēng)、布料,力求顆粒從針輪轉(zhuǎn)子外周進(jìn)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(dá)落料分界面。在落料斗和主離心腔之間,采取加筋條及導(dǎo)向葉片等措施,使顆粒減速和屏蔽落入的顆粒;在出口處設(shè)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(shù)特點(diǎn)

1.2.1離心場啟動(dòng)方法

針輪是由U字形線材以環(huán)上掛苗的形式在環(huán)周均勻密集排列,再串聯(lián)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(fā)生環(huán)向擺動(dòng)和變形。此排列方式有利于降低針輪的啟動(dòng)阻力和運(yùn)行阻力,使針輪在轉(zhuǎn)動(dòng)中具有自我調(diào)整動(dòng)平衡的特點(diǎn)。針輪在徑向無阻擋,延伸半徑可以達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用尺寸。另外,針苗以微分壓縮方式向氣流傳遞機(jī)械能,能量傳遞效率高。

1.2.2離心與氣動(dòng)力作用耦合分離機(jī)理針輪轉(zhuǎn)子離心機(jī)以超強(qiáng)離心為基本機(jī)理[2],它具有統(tǒng)一的旋轉(zhuǎn)角速度,最大線速度可以達(dá)到旋風(fēng)器進(jìn)口速度的3倍以上。其結(jié)構(gòu)的軸對稱性好,湍流小而少。此外,該技術(shù)還耦合了以下3個(gè)層面上的氣動(dòng)力分離機(jī)理[3]:(1)在進(jìn)氣段顆粒切向進(jìn)入,其動(dòng)量方向與進(jìn)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(yù)先分離和沉降。(2)針輪轉(zhuǎn)子雖只在局部安裝,但其上部是重要的旋流影響區(qū),有強(qiáng)烈的自由渦旋, 這對進(jìn)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(zhuǎn)子啟動(dòng)的渦旋來講,進(jìn)氣段的孔筒是一個(gè)依照流體力學(xué)狹縫效應(yīng)構(gòu)建的速度阻擋器。顆粒從慣性減速區(qū)透過速度過濾器進(jìn)入高旋轉(zhuǎn)速度主旋流場,瞬時(shí)間接受強(qiáng)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(dòng)量磨損與顆粒的質(zhì)量和速度的積正有關(guān)。顆粒質(zhì)量再大,但若其運(yùn)行速度小,形成的磨損就小。因此,只要實(shí)施對粗、細(xì)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(fēng)器的嚴(yán)重磨損問題正是由于對大顆粒進(jìn)行不必要的加速而造成的。針輪轉(zhuǎn)子離心機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)口速度僅為10～14m/s。氣流進(jìn)入初級卸料區(qū)后呈環(huán)周分布,形成顆粒減速沉降,大顆粒優(yōu)先分離。由于從邊緣進(jìn)入主離心腔,顆粒不是都能得到轉(zhuǎn)子最大線速度的加速。顆粒從轉(zhuǎn)子外圍的自由渦旋場區(qū)向轉(zhuǎn)子移動(dòng),質(zhì)量大的顆粒,在獲得一個(gè)小的加速后,就得到足夠的離心力而優(yōu)先向邊壁移動(dòng)。能夠達(dá)到轉(zhuǎn)子而被最大加速的大部分是微塵。

1.2.4其他特點(diǎn)針輪轉(zhuǎn)子離心機(jī)的運(yùn)行阻力約為500Pa,能耗低。另外,針輪轉(zhuǎn)子離心機(jī)每千立方米處理量的設(shè)備耗鋼量為50～70kg,重量輕,體積也小。

2.針輪轉(zhuǎn)子離心機(jī)的實(shí)際應(yīng)用效果


將針輪轉(zhuǎn)子離心機(jī)應(yīng)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(jìn)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(dá)12.9%,分離效率高。另外運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),盡管利用了氣動(dòng)力分離器,但出口氣流仍然有較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn),這樣就可以采用增加導(dǎo)流葉片的方法,把這部分旋轉(zhuǎn)動(dòng)量轉(zhuǎn)化為軸向氣流速度,從而可以進(jìn)一步削減系統(tǒng)阻力。

3.用針輪轉(zhuǎn)子離心機(jī)代替三旋分離器的可行性

針輪轉(zhuǎn)子離心機(jī)在分離性能上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了旋風(fēng)器技術(shù),其單級處理量可以達(dá)到10000m3/h,通過多級并聯(lián)可以達(dá)到任意大的處理量,用一級針輪轉(zhuǎn)子離心機(jī)組代替三級旋風(fēng)器組就可以滿足催化劑分離的要求。將針輪轉(zhuǎn)子離心機(jī)代替三旋分離器應(yīng)用于催化裂化裝置,亟需解決的應(yīng)是設(shè)備耐高溫問題。針輪轉(zhuǎn)子離心機(jī)是輕型轉(zhuǎn)子的定軸轉(zhuǎn)動(dòng),主要承載軸承幾乎外置,深入主腔體的軸承只是在啟動(dòng)時(shí)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(fēng)冷卻、水冷卻等措施,傳動(dòng)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。