三級旋風分離器的研究

王景彬(中國神華煤制油化工有限公司榆林化工分公司)

第三級旋風分離器(簡稱三旋)是反再兩器催化劑回收系統的關鍵設備之一，具有分離效率高、結構簡單、設備緊湊、可在高溫、高壓環境下工作等優點，且操作維修比較方便，可滿足不同生產領域的特殊要求，所以被廣泛應用于化工、能源、煉油等眾多行業，成為最常用的氣固分離設備之一。設置三旋就是把從二級旋風分離器出來的高溫氣體中的催化劑濃度降到200 mg/Nm3以下，并且將大于10微米的顆粒基本除凈[1]。

一、旋風分離器及旋風管的研究現狀

旋風分離器自1886年O.Morse投入使用到今天，已有百余年的歷史。1963年，西德研制出DEL旋風分離器，可捕集0.4微米的顆粒。七十年代以后，各種利用強制渦和源流疊加的流場為除塵空間的旋風分離器研制出來[2,3]。我國開發了從80年代EPVC旋風管到現在的PDC、PSC、PST、VAS、PT等各種類型的單管，且具有自主知識產權的多管三旋技術[4]，幾種單管結構示意圖和優缺點見圖1.1和表1.1。

圖1.1 幾種型式單管結構示意圖[5]

表1.1 新型旋風管的結構特性和優缺點[5]

型號 VAS PSC PDC PST排塵結構內徑及處理量為止旋收縮結構250和280 mm；2500和3100 m3/h在排塵錐下端增加了一個排塵穩定扇250 mm，處理氣量為2200 m3/h優點具有一定的抗返混能力對7～10微米之間的細粉有較高的回收率；制造難度較小。缺點制造難度較大；易引起排塵堵塞和效率下降為單錐體加反射錐結構，無泄料盤型250和280 mm；2200和3200 m3/h結構比PDC簡單；制造難度較小；性能與PDC型相當。多管組和后返混嚴重、效率下降的問題。為雙錐體結構，無泄料盤型250 mm，處理氣量為2200 m3/h除塵效率較高；不易堵塞；單管壓降小；制造難度小。多管組合后抗返混能力一般；單管的壽命較短

PSC-250型旋風管組成的多管三旋，可將大于7微米的顆粒基本除凈[6]。PSC-300型三旋總分離效率大于90%，5.3微米以上粉塵量不大于1%[7]。由PDC型高效旋風管組成的三旋，即使在一級、二級旋風分離器工作波動的情況下.也能保持在150 mg/Nm3以下[1]。王立新等[8]發明的多效旋風分離器可有效去除微米及亞微米級顆粒。當進口風速由6 m/s增加到21 m/s時，總分離效率由94%增加至97.5%。

許多國家采用濕氣洗滌或電除塵除塵，以去除更微小顆粒。但因成本與技術，大多數國家還是采用結構簡單免維護的旋風分離技術[9]。

最近二十年，高效旋風分離器技術進步較大，可以對小到5微米粒徑的、比重小于1.0的粒子達到超過99%的分離效率[2]。石油大學與中國石化工程建設公司(SEI)合作在20世紀90年代中期開發了PIM型臥管三旋，并成功應用在工業裝置上。90年代末又開發了PHM型臥管三旋，多管組合后具備良好的抗竄流防返混能力。目前，PIM和PHM型臥管三旋已在20余套FCC裝置上應用[10,11]。Shell將改進的三旋與高溫過濾器(FSS)結合，可處理超過700 mg/Nm3的粉塵，切割點小于2微米[12]。SEI開發BSX型旋分式三旋，大大降低了制造和安裝的難度，便于維修和更換，解決了強度和熱膨脹變形問題，目前正有數套裝置準備投入工業化應用[13,14,15]。UOP發明一種新型直流式旋風管，克服了粉塵返混夾帶，分離效率明顯提高，壓降顯著下降，且出口粉塵濃度小于50 mg/m3[9]。

二、三級旋風分離器分類

目前國內三級旋風分離器主要有以下四種[16]：

1.布埃爾式(Buell)。結構簡單，管道配置復雜，目前國內應用不多。

2.旋流式(龍卷風)。利于氣固兩相的分離，微粒的返混較少。

3.立管式。卸料孔易堵塞高溫能力差、隔板變形嚴重。

4.臥管式。改善了結構力學性能，維護、檢修以及更換比較困難。

三、分離效率的影響因素

研究表明返混是影響三旋分離效率的主要因素之一。適度提高集塵室出口的泄氣率有利于各旋風管排塵通暢，抑制竄流返混，提高三旋的總分離效率[5,17]。王立新等[8]指出分離器頂部因二次流形成的“上灰環”和排氣管下口附近的“短路流”的影響。傳統的各種旋風分離器普遍存在上述問題，對微米及亞微米級顆粒的分離效果不理想。

圖3.1 各種型式的排塵口[5]

為防止返混，研究出了一些防返混排塵口，見圖3.1。早期防返混措施 (圖3.1，a)，往往存在泄料口堵塞的問題。美國M殼(圖3.1，b)，在排塵口產生旋流屏蔽來阻止灰斗內細粉的夾帶返混；雙錐結構(圖3.1，c)，防返混效果較好，但由于沒有完全消除排塵口的旋渦，防返混效果有限[5]。

在正常生產中，分離單管燒結堵塞也是影響旋風效果的重要因素。另外催化劑在一、二級旋風分離器中發生了嚴重的磨損和粉碎，也是導致分離效率降低的原因，實測的三旋入口粉塵濃度曾經達到800～900mg/m3[18]。此外旋風管的排布及制造精度、安裝質量和操作的平穩性等均會影響三旋的分離效率。

四、MTO反再三旋運行狀況

1.FCC和MTO催化劑顆粒對比

表4.1 FCC和MTO催化劑顆粒粒度分布對比

表4.1是FCC和MTO催化劑顆粒粒度分布對比，從表中我們可以看出MTO催化劑與FCC催化劑顆粒的粒度分布是非常接近的，因此進行循環流化也就基本沒有問題。

2.MTO反應三旋分離效率分析

表4.2 MTO裝置反應三旋出入口催化劑顆粒的濃度及粒度分布

反應三旋入口72.0反應三旋出口0～10 μm 23 0～5 μm 93%10～30μm 75 5～10 μm 6.5 30～80μm 2 30～50μm 0.5入口濃度820出口濃度230

表4.3 MTO裝置反應一二旋出入口催化劑顆粒的濃度及總的分離效率

從表4.2可以看出，MTO裝置反應三旋入口催化劑顆粒濃度為819 mg/m3，相對于催化裂化裝置，該濃度偏高；在催化劑顆粒流化性能近似情況下（見表4.1），夾帶有催化劑顆粒的產品氣經過一二級旋風分離器分離后的濃度偏高，即一二級旋風分離器的效率還不夠高，雖然一二級旋風分離器總效率已經達到了99.97%（見表4.3）。反應三旋出口催化劑顆粒濃度230 mg/m3，該濃度也偏高，還達不到FCC三旋的一般要求即200 mg/m3以下，且三旋的分離效率僅有72.0%，說明反應三旋的分離效率還有待提高；另一方面反應三旋出口0～5μm催化劑顆粒的含量為93%，說明催化劑經反應三旋分離后，基本都是5μm以下的顆粒，也就是說三旋對于5μm以下的催化劑顆粒的分離效果是不令人滿意的，即反應三旋分離催化劑的顆粒的極限尺寸為5 μm，小于5μm的顆粒不能較好的分離。反應三旋入口催化劑的濃度比再生三旋的高，可能與線速度有關，反應三旋的線速度要高于再生三旋，夾帶的催化劑較多，見表4.3和4.5，在一二旋相同分離效率下，反應三旋入口催化劑的濃度增加。不能分離下來的催化劑，還會影響立式換熱器的換熱效率；當進入急冷塔時間一長，就會在急冷塔內積累大量的催化劑，影響工業生產的正常進行。跑損的催化劑，只能通過添加新鮮催化劑來補充，以維持兩器藏量平衡，增加了經濟成本。

3.MTO再生三旋分離效率分析

表4.4 MTO裝置反應三旋出入口催化劑顆粒的濃度及粒度分布

表4.5 MTO裝置再生一二旋出入口催化劑顆粒的濃度及總的分離效率

從表4.4可以看出，MTO裝置再生三旋入口催化劑顆粒濃度為800 mg/m3，相對于催化裂化再生三旋，該濃度偏高；在催化劑顆粒流化性能近似情況下（見表4.1），夾帶有催化劑顆粒的產品氣經過一二級旋風分離器分離后的濃度偏高，即一二級旋風分離器的效率還不夠高，雖然一二級旋風分離器總效率已經達到了99.97%（見表4.5）。再生三旋出口催化劑顆粒濃度214 mg/m3，該濃度也偏高，還達不到FCC三旋的一般要求即200 mg/m3以下，且三旋的分離效率僅有73.3%，說明再生三旋的分離效率還有待提高；另一方面從再生三旋出口0～5μm催化劑顆粒的含量為99.5%來看，催化劑經再生三旋分離后，絕大部分都是5 μm以下的顆粒，也就是說再生三旋對于5μm以下的分離效果是不令人滿意的，即再生三旋分離催化劑的顆粒的極限尺寸為5 μm，小于5μm的顆粒不能較好的分離。MTO裝置不設煙機，再生三旋出來的煙氣直接進入了CO焚燒爐，這一點可能要優于FCC裝置，但是5μm以下的催化劑基本不能分離，造成了催化劑的較大浪費，且只能通過補充新鮮催化劑來維持兩器藏量平衡，增加了經濟成本。

4.MTO再生三旋分離效率改善

通過反再三旋對比我們可以看出MTO反再三級旋風分離器分離催化劑顆粒極限為5μm，如何改善三旋對5μm以下催化劑顆粒成為制約三旋分離效率的關鍵。圖4.1給出了一些物質的顆粒大小及分離方法，從圖中可以看出分離效果最好的是電濾器或靜電除塵器，可以捕集到0.009μm的粒子，而旋風分離器可以分離2μm以上的顆粒，因此若提高三旋的分離效率，必須改進三旋的結構，已達到可以分離更小的催化劑顆粒，或結合靜電除塵器以除去更小的催化劑顆粒。

圖4.1 一些物質的顆粒大小及分離方法[19]

結論

三級旋風分離器對催化劑回收系統至關重要，對MTO裝置后續系統的正常運轉影響非常大，同時可以節省催化劑成本；由于MTO裝置中微小顆粒比FCC的含量多，總的分離效率沒有FCC三旋的高，因此必須研發設計一種可以提高5μm以下催化劑顆粒的分離的三級旋風分離器，這樣MTO催化劑才能更好的得到回收。

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