催化裂化裝置煙氣輪機積垢及其增厚機理

費達，侯峰，陳輝，吳曉磊

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催化裂化裝置煙氣輪機積垢及其增厚機理

費達1，侯峰1，陳輝2，吳曉磊1

（1華東理工大學化學工程聯合國家重點實驗室，上海 200237；2中國石油化工股份有限公司，北京 100728）

針對近年來煉油廠中出現的催化裂化煙氣輪機結垢嚴重問題，采用SEM（掃描電子顯微鏡）對催化劑平衡劑、煙機入口催化劑顆粒和垢樣進行了微觀形貌的分析，結果表明，煙機葉片上的結垢主要是由1～2 μm的催化劑顆粒組成。對催化劑黏附在葉片表面的機理進行研究，分析黏附力對黏附作用的影響，結果表明，催化劑顆粒粒徑越小，越容易被黏附，與SEM的結果吻合。通過CFD模擬煙機流道內速度場的分布，驗證了黏附力對結垢的影響。

催化裂化；煙氣輪機；黏附；結垢；CFD

引 言

近年來，隨著我國原油加工原料的不斷變重、加工深度的加大，同時在催化劑中引入了稀土元素，煙氣輪機（下文簡稱煙機）作為催化裂化能量回收核心裝置[1-2]的負荷不斷加大，煙機內部結垢特別是煙機動葉表面結垢問題越來越嚴重，嚴重破壞轉子的動平衡，輕則造成煙機振動超標停機，重則造成動葉與外緣碰撞，折斷葉片[3-7]。某些煉油廠的煙機往往運行了幾個月就要停機除垢，無法與整個設備的大修同步，因故障頻繁停機減少了對高溫煙氣的回收利用效率，能耗上升，有時甚至造成整個裝置的非計劃停工，這嚴重影響了企業的經濟效益，造成了巨大的經濟損失，因此對煙氣輪機結垢原因的研究和阻止結垢方法的開發具有重要意義[8]。

催化劑顆粒是煙機結垢的基礎，然而在第三級旋風分離器(下文簡稱三旋)正常工作情況下，其只能分離直徑大于10 μm的顆粒，而直徑在1～10 μm之間的顆粒必然會被煙氣一起帶入煙機。催化劑顆粒被表面吸附是表面結垢的必要條件；如果能阻止催化劑顆粒被表面黏附及沉積，那樣垢就不會生成。所以為了研究如何阻止煙機結垢或抑制其增厚，從而達到控制煙機振動的目的，必須先從顆粒吸附和沉積在煙機及葉片表面的過程出發，然而催化劑顆粒表面與葉片表面（金屬表面涂層與金屬氧化物表面）及催化劑顆粒表面與催化劑顆粒表面之間，它們的浸潤和黏附能力是顯著不同的。顆粒的黏附過程主要分為兩個階段：催化劑在葉片表面的“首層黏附”；催化劑顆粒在首層黏附上的繼續黏附及生長。葉片上的首層黏附往往出現得較早，這是一個普遍的現象，在葉片表面形成了一層較薄的垢層（1～10 μm）。但是后續的垢層增厚則存在顯著的差異，有些區域垢層沒有明顯增厚；而有些區域垢層則快速增厚，達到1～2 mm，影響煙機的正常運行。本文著重分析了催化劑顆粒黏附的第二階段，即垢層快速增厚的階段。本分先對催化劑平衡劑、煙機入口（即三旋出口）的催化劑顆粒和垢樣進行掃描電鏡（SEM），分析其顆粒的粒徑及垢樣特點，然后再分析顆粒在表面的受力情況和CFD模擬的內部流場分布的方面進行分析、探討并提出改進和優化的意見，從而抑制垢層的增厚。

1 催化劑及垢樣的物性分析

為了更直觀地觀察催化劑顆粒在催化裂化整個過程中的狀態，取3個最有參考價值的狀態，分別為催化劑平衡劑、煙機入口催化劑顆粒、葉片垢樣，采用掃描電子顯微鏡（SEM）進行分析比較，觀察其隨著催化裂化過程進行的變化。

通過對圖1的分析比較可以看到，起先催化劑平衡劑的顆粒較為完整，基本呈球形，表面較為光整，其平均粒徑在50 μm左右，但由于平衡劑在整個反應過程中以較高的線速度運行，顆粒之間相互碰撞或在高溫下發生熱崩，導致部分催化劑平衡劑顆粒的破碎，從而形成較小的催化劑細粉；這些催化劑細粉繼續被高溫煙氣帶入下游的三旋中，再經過三旋的有效分離，三旋出口處直徑大于10 μm顆粒基本被分離，仍夾雜在煙氣中的催化劑顆粒的粒徑主要集中在1～10 μm，達到了三旋的工藝要求。且剩余催化劑顆粒形狀不規整，是由催化劑平衡劑破碎形成的。這些三旋未能完全分離的催化劑細粉最后跟隨高溫煙氣一起進入煙機中，最后只有粒徑為1～2 μm的催化劑細粉在葉片和圍帶表面沉積形成垢，且這些垢的表面較為粗糙，顆粒之間排列的并不規則，有許多孔隙。

對比煙機入口和動葉垢樣的顆粒直徑，煙氣帶入煙機的顆粒粒徑均勻分布于1～10 μm之間，偶爾有少數大于10μm的顆粒。然而其中只有粒徑在1～2 μm之間的催化劑顆粒能被動葉表面吸附，并沉積在其表面，最后形成垢。

2 催化劑顆粒受力分析

掃描電子顯微鏡的結果表明，煙機垢樣的表面并不光滑，是由許多粒徑在1～2 μm之間的催化劑顆粒組成的，同時本文研究的是催化劑顆粒在首層黏附的催化劑顆粒上的繼續黏附，所以催化劑顆粒繼續在表面的黏附即可以近似地認為是兩個催化劑顆粒間的黏附過程。但為何在進入煙機的粒徑為1～10 μm的催化劑顆粒中只有較小粒徑的1～2 μm催化劑顆粒被葉片表面吸附，本文從兩催化劑顆粒間作用力的角度進行分析，研究催化劑顆粒繼續吸附、沉積在首黏附表面的機理。催化劑顆粒間的作用力如圖2所示[9]。

2.1 范德華黏附力

原子間存在的范德華力同樣也存在于微觀物體中，它可由物體的單個原子或分子間力的總和得到[10]。當兩球形顆粒相互靠近時，顆粒間便產生了范德華力[11]。

圖2 催化劑顆粒所受的力

圖3 兩球形顆粒間的范德華力

對于半徑分別為1和2的兩同類顆粒，其顆粒間的范德華力的公式為

范德華力屬于近程力，大小與顆粒之間距離的平方呈反比。在兩者距離小于0.1 μm時，范德華力能使細小顆粒與其基質產生黏附作用。所以范德華力對細小顆粒黏附具有很大的影響。

2.2 靜電吸附力

靜電吸附力是由于兩個相對表面間帶有靜電荷而形成的引力，它是存在于帶電分子或粒子之間的作用力。對于半徑分別為1和2的兩同類顆粒，其靜電相互作用能為[12-13]

通過式(2)可以發現，靜電力的大小與顆粒之間距離的平方呈反比。對于細小顆粒而言，當兩者間距很小時，兩表面間的靜電力小于范德華力[14-15]。

在催化裂化裝置中，催化劑顆粒在噴嘴中以較高速度噴出，以10～20 m·s-1的線速度高速運行，顆粒之間或顆粒與管壁之間產生劇烈摩擦，從而產生靜電電荷，導致催化劑顆粒以靜電黏附的形式被吸附到煙機表面，這些細粉多數是粒徑小于10 μm的固體顆粒(屬于C類粒子)[16]。并且近幾年來由于引入和使用降烯烴催化劑，平衡劑上稀土元素含量普遍較高（大于3%甚至更高），而稀土元素又恰恰最容易產生靜電，從而強化了小顆粒的靜電吸附作用[17-18]。

2.3 彈性力

考慮兩個相同球形顆粒A和B對心碰撞時，顆粒在軸線方向發生形變。顆粒的形變過程可以大致分為兩個階段：壓縮階段和反彈階段。當顆粒的形

圖4 顆粒碰撞時所受的彈性力

變位移達到最大值max時，由于顆粒材料的彈性阻抗作用，壓縮階段結束，開始反彈階段。

利用牛頓定律，并假設對比彈性力其他力都可以省略，可得

對于彈性碰撞，彈性力c和形變間的關系為

利用方程進行求解可得彈性力的最大值為

通過式(5)可以得到，對于高速碰撞的球體，彈性力遠大于以較低速度碰撞的球體。

2.4 顆粒的受力分析

當顆粒黏附于固體表面時，其受到的作用力除了上文介紹的幾種黏附力及彈性碰撞作用力之外，還有重力、浮力、磁力和萬有引力。一般情況下，微顆粒受到的作用力主要是由其中一種力或幾種力同時作用的結果。

煙機內的流體流動屬于氣固兩相流動，催化劑顆粒跟隨煙氣一起運動，但是在葉片的彎曲處，其渦量較大，由于慣性的作用，催化劑顆粒與氣體的流動軌跡發生分離，對葉片表面造成慣性沖擊，與葉片表面發生接觸。在此過程中，顆粒的受力情況如圖5所示，范德華力和靜電力作為黏附力使顆粒不斷與表面接近，直到顆粒與表面發生彈性碰撞時，其彈性力使得顆粒遠離表面。當范德華力和靜電力對顆粒做的總功大于彈性力、慣性力等其他力對顆粒做的功時，顆粒無法離開表面，被表面所吸附；反之，當范德華力和靜電力對顆粒做的總功小于彈性力、慣性力等其他力對顆粒做的功時，催化劑顆粒能擺脫葉片表面，繼續隨著氣體往下游流動。

圖5 顆粒的受力分析

圖6 顆粒黏性力的量級分析

在此過程中，雖然還有化學吸附的作用，但是由于碰撞的時間過短，化學鍵難以形成，難以形成有效的化學吸附力，所以暫不考慮化學吸附對顆粒的影響。

當顆粒的粒徑減小到一定程度后，顆粒逐漸表現出越來越強的黏性，顆粒間的黏附力是導致顆粒相互吸附并沉積在葉片表面的直接原因，通過顆粒的黏性力的量級分析[19]表明，當顆粒的尺寸小于1000 μm時，黏性力超過重力成為主導顆粒運動的最主要的作用力，而其中范德華力和靜電力是最顯著的黏附力。式(1)、式(2)表明，黏附力主要是由顆粒間的距離決定的，即在顆粒間距離一定的情況下，其黏附力是一定的；而彈性力則與顆粒粒度有關，顆粒的直徑越小，彈性力越小；隨著顆粒粒徑的不斷變小，范德華力和靜電力相對于彈性力的比值不斷增大，其黏性力作用效果越來越明顯，這與掃描電鏡得到的結果，只有小顆粒的催化劑被吸附相吻合。假設：2 μm,0.01 μm,8.86×10-20J，1×10-19C。計算得范德華力：w≈2×10-10N。靜電力：e≈1×10-12N。上面計算結果與顆粒黏性力的量級分析基本吻合：范德華力＞靜電力。

3 模擬驗證

3.1 模擬對象

本文以YL12000C煙氣輪機為模擬對象。煙機的三維幾何形體根據工程圖紙建立，相關參數如表1所示，由于葉輪機械葉片周向的周期性分布特性，所以只對一片葉片及其所在的流道進行網格劃分，采用周期性的邊界條件。取Y+為20，計算得葉片近壁面首層網格尺寸Y+Wall為1×10-3m。同時為了提高網格的質量，采用HOH及六面體網格劃分方法，使網格具有較高的正交性、增長率和和長寬比以滿足模擬的精度要求，網格總數為56萬個。

本文采用NUMECA計算平臺進行旋轉機械的模擬。流體介質采用實際空氣，催化劑顆粒作為離

表1 運行參數

圖7 煙機流道設計圖

散相，使用穩態計算，流體Reynolds數為1114455，屬于高Reynolds數范圍，故使用-（extended wall function）湍流模型；進口采用壓力進口，值為56.8，值為9306；出口為壓力出口。采用3重計算，加快收斂速度。由于轉子結垢是造成煙機振動、失效的主要危害，所以下文的模擬結果主要圍繞煙機轉子動葉進行分析。

3.2 煙機中流動速度對結垢的影響

通過分析圖9和圖10可以得出，在動葉的壓力面，葉根處的相對速度明顯低于葉尖處的速度，且相對速度基本隨著葉高的增大而增大；尤其在葉根區域，其相對速度急劇下降，在葉根處基本接近于零；通過分析表2的數據可知，20%葉高處的速度只有167 m·s-1，遠小于80%葉高的241 m·s-1，同樣表明了葉根處平均相對速度較小，而葉尖處的平均相對速度較大。

根據煙機大修時，拆機發現葉根處結垢情況較煙機其他部分更為嚴重，這是由于在煙機內部流場

圖8 動葉壓力面近壁面的相對速度分布

圖9 動葉20%、50%、80%葉高的相對速度分布

表2 動葉20%、50%、80%葉高處速度的周向平均值

圖10 動葉壓力面近壁面處葉高對速度的影響

中，速度較小的地方，由于流動相對較為緩慢，使得催化劑顆粒受到壁面的力（如范德華力、靜電力）的作用時間延長，催化劑顆粒更易發生向壁面的遷移；同時在與表面接觸時，由于速度較低，彈性力較小，無法使顆粒離開表面，進而引起顆粒的吸附而沉積在葉片表面的首層黏附上，并在適當的環境下結垢。

4 靜電分散

通過分析顆粒的受力情況，改變范德華力和彈性力的方向和大小較為難以實現。但是可以通過改變顆粒的帶電極性和大小，從而達到改變靜電力的方向和大小的目的。可以把靜電力從表面黏附力變為靜電斥力，使得顆粒遠離表面，從而達到阻止顆粒黏附于表面的效果。

靜電分散就是給顆粒荷上同極性的電荷，利用荷電顆粒之間的靜電斥力使顆粒遠離表面，阻止催化劑顆粒在表面的吸附[20]。讓顆粒最大程度地荷電是靜電分散法的關鍵，通常使顆粒荷電的方法是接觸帶電、感應帶電和電暈帶電，但最有效的方法是電暈帶電，其靜電分散的能力與電場強度大小密切相關，最終荷電量可以通過式(6)計算

(6)

假設：電壓為380 V，兩荷電平板間距為0.1 m，則電場強度V·m-1，，2 μm。最終荷電量：max3.62×1018C。相應的靜電力：e≈1×10-9N。通過計算可以看到，通過電暈荷電，可以使兩顆粒間的靜電斥力大于范德華力，由于顆粒的速度較高，通過荷電區域的時間較短，荷電量小于理論值，但靜電斥力與范德華力也在同一數量級上。

圖11 電暈荷電后顆粒的受力分析

通過電暈荷電使顆粒帶上相同極性的電荷，使得靜電力由吸附力變為斥力，顆粒的受力情況如圖11所示，使顆粒遠離表面的力大大增加，使得顆粒被首層黏附后的表面吸附的可能性大大降低，從而達到抑制垢增厚的目的。

5 結 論

（1）通過SEM分析表明，進入煙機的催化劑顆粒直徑均勻分布在1～10 μm之間，這些顆粒都是由于催化劑平衡劑熱崩和碰撞，而破碎形成的，然而其中只有粒徑在1～2 μm的催化劑細粉被表面吸附從而結垢。

（2）通過機理分析，分析了范德華力和靜電力作為黏附力和彈性力對顆粒的影響，顆粒的直徑越小，黏附力相對于彈性力的比值越大，其黏附力作用效果越來越明顯，所以越容易被表面吸附，很好地解釋了SEM的結果。

（3）通過CFD模擬分析了煙機內部速度場分布。葉片根部煙氣的相對速度明顯小于頂部的速度，并且基本隨著葉高的增加而變大，從而使得葉根處催化劑顆粒與表面接觸時的彈性力和慣性力較小，容易被表面吸附。這與煙機檢修時葉片根部結垢更嚴重相符。

（4）提出了靜電分散的解決方法，通過對催化劑顆粒荷上相同的電荷，使得靜電力從黏附力變為斥力，使得催化劑顆粒遠離表面，從而起到抑制垢層增厚的目的。然而這種方法還有待實驗的驗證。

符 號 說 明

A——Hamaker常數 D——兩球形顆粒表面間的間距，m Fc——彈性力，N Fe——靜電力，N Fw——范德華力，N k——彈性變形系數，N·m-1 Q1，Q2——兩顆粒所帶電量，C r1，r2——分別為兩球形顆粒的半徑，m S——形變，m V——顆粒速度，m·s-1 ε0——真空中絕對介電常數，8.854×10-12 F·m-1

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Analysis of mechanism of fouling increase on blades of FCCU power recovery expander

FEI Da1, HOU Feng1, CHEN Hui2, WU Xiaolei1

(1State Key Laboratory of Chemical Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China;
2China Petroleum & Chemical Corporation, Beijing 100728, China)

Addressing the problem of serious fouling on the blades of FCCU (fluid catalytic cracking unit) power recovery expanders in refinery, micro-morphologies of fouling and catalyst particle at inlet of power recovery expander were analyzed with scanning electron microscopy (SEM). The fouling on the blades consisted of catalyst particle with diameter mainly between 1 μm and 2 μm. Then the adhesion mechanism of the catalyst particle and the effect of various adhesive forces on the adhesion phenomenon were studied. The smaller the diameter of the particle, the easier the particle was adhered, which agreed with the result of SEM. The inner distribution of the velocity field simulated by CFD demonstrated the effect of adhesive force on the fouling.

FCCU; power recovery expander; adhesion; fouling; CFD

date: 2014-07-01.

10.11949/j.issn.0438-1157.20140994

TK 268.+2

A

0438—1157（2015）01—0079—07

中國石油化工股份有限公司科技開發項目（312016）。

2014-07-01收到初稿，2014-10-15收到修改稿。

聯系人：侯峰。第一作者：費達（1989—），男，碩士研究生。

HOU Feng, hou@ecust.edu.cn