基于顆粒譜的FCC旋風分離器故障診斷技術的初步探索

宋健斐， 王 迪， 孫立強， 嚴超宇， 魏耀東

(1.中國石油大學 重質油國家重點實驗室， 北京 102249； 2.過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室， 北京 102249)

基于顆粒譜的FCC旋風分離器故障診斷技術的初步探索

宋健斐1,2， 王 迪1,2， 孫立強1,2， 嚴超宇1,2， 魏耀東1,2

(1.中國石油大學 重質油國家重點實驗室， 北京 102249； 2.過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室， 北京 102249)

旋風分離器在催化裂化工藝中用于完成催化劑與油氣或煙氣的分離，是保證裝置長周期安全運行的重要設備，因此對其運行狀態進行監測和故障診斷非常必要。當旋風分離器運行出現異常時，跑損催化劑的樣本將發生改變。基于可測信號處理的故障診斷方法，以催化劑作為故障信息的載體，通過提取催化劑的顆粒譜特征信息，如堆積密度、粒度分布、微觀形態等，建立顆粒譜與故障之間的關系模型，提出了基于顆粒譜的旋風分離器故障診斷技術。

FCC； 旋風分離器； 故障； 顆粒診斷技術； 顆粒譜

流化催化裂化(Fluid catalytic cracking，以下簡稱FCC)裝置中催化劑與油氣或煙氣的分離過程通常由多組旋風分離器并聯和(或)串聯完成。旋風分離器在長時間運行過程中承受各種機械載荷、高溫和壓力載荷、介質腐蝕、顆粒的沖蝕和摩擦等作用，隨著操作時間的增長，旋風分離器部分零件功能在苛刻環境下不可避免地將逐漸失效，最后發生故障，從而影響其乃至整個裝置的長周期安全平穩運行。因此，現場需要對旋風分離器運行參數進行監測，出現故障及時診斷、定位和處理，防止問題進一步發展和擴大。在FCC裝置中，催化劑沿一個設定的顆粒循環回路流動，質量流率基本維持恒定；氣體則沿一個單向路線流動，是變質量流的過程。催化劑顆粒在循環回路中經不同的單元操作會發生變化，其在流動中承載了多種信息，這些信息通過兩類參數表征出來，一是在線測量的顆粒流動參數，包括顆粒流量、顆粒濃度、壓力和溫度等；二是離線測量的顆粒譜參數，主要為顆粒堆積密度、顆粒粒度分布(顆粒數分率或質量分率)、微觀形貌、某些化學元素含量等。當旋風分離器出現故障時，催化劑顆粒也是故障信息的載體，無論其宏觀和微觀形貌，還是個體顆粒和整體顆粒群的統計特性，均會發生相應的異常改變，而且對某些故障的反映比顆粒流動參數更為直接靈敏。以往對旋風分離器的故障診斷主要關注顆粒跑損量、流量、壓降和溫度等，忽略了顆粒譜參數在故障診斷中的作用，導致診斷結果有時不準確，催化劑顆粒所蘊含的信息未能充分利用。基于顆粒譜的故障診斷技術就是對新鮮劑、待生劑、平衡劑、三旋收集劑、油漿中催化劑、采樣催化劑等進行對比分析，對故障做出準確診斷，確定產生故障的原因和位置。

1 催化劑在循環回路中的信息變化

從FCC工藝催化劑顆粒的循環回路上看，催化劑從流化床密相料面開始，在稀相向上流動過程中顆粒質量流率逐漸減小，當超過TDH(流化床輸送分離高度，Transport disengagement height)[1-2]顆粒質量濃度維持恒定<(5～10) kg/m3。進入提升管末端分離系統后，經串聯旋風分離器的分離，催化劑質量濃度達到<(1～2) g/m3排出，與此同時，催化劑粒度也隨之逐漸變小。圖1為在某FCC裝置4個采樣點上采集的催化劑樣品的粒度分布曲線，均呈單峰分布，中位粒徑沿流程逐漸減小。催化劑沿流程的信息變化表征了流化床和旋風分離器系統的基本特性，在一次循環和長期循環中，顆粒粒度分布、表觀形態、催化劑比表面積、碳含量和重金屬含量、堆積密度等顆粒譜參數有不同程度的變化，這種變化主要取決于催化劑流動過程單元的操作性能、原料反應歷程等。

圖1 4個采樣點上的催化劑顆粒粒度分布Fig.1 Size distribution of catalyst particles at four sampling positions(a) Size distribution of catalyst particles; (b) Four sampling positions(1) Dilute phase space; (2) Inlet of 1# cyclone; (3) Inlet of 2# cyclone; (4) Flue gas pipe

在旋風分離器分離過程中，排氣管出口和料腿出口排出的催化劑顆粒蘊含了大量與分離過程和運行狀態密切相關的信息，其中排出催化劑的顆粒粒度分布蘊含的信息最為豐富。旋風分離器是利用旋轉氣流產生的離心力和顆粒自身的重力進行氣-固兩相分離的設備。含有催化劑的氣體切向進入分離器后，在器壁約束下形成旋轉流動，大量顆粒聚集在器壁上形成螺旋灰帶下行，催化劑濃度分布邊壁高、中心低，空間各處催化劑粒度分布也不同。旋風分離器的分離過程存在顆粒的總質量平衡和某一粒徑δ的質量平衡，如式(1)～式(2)所示。

Mi=Mo+Mc

(1)

mδi=mδo+mδc

(2)

式中，Mi、Mo和Mc分別為旋風分離器入口、出口和灰斗處顆粒的質量，g；mδi、mδo和mδc分別為某一粒徑δ的旋風分離器入口、出口和灰斗處顆粒的質量，g。當旋風分離器出現故障時，外部表現為催化劑跑損，內部為氣-固分離過程出現問題；催化劑信息如出口顆粒濃度和顆粒粒度分布發生了改變，這就為旋風分離器的狀態監測和故障診斷提供了依據，也就是故障診斷的特征信號。目前在利用催化劑物性分析旋風分離器故障方面，主要是一些來自現場工程技術人員通過催化劑粒度分布分析催化劑跑損原因的分析報告[3-7]，通常是針對一些特定裝置的分析結果，內容較分散，尚未形成系統的診斷和分析方法。在催化劑的微觀結構形貌上，周復昌等[8]建立了催化劑顯微觀測圖像數據庫，通過觀察催化劑微觀形貌進行反應和再生的故障診斷，這種方法是對照正常操作催化劑的圖像判斷故障原因，需要長期的工作經驗和判斷能力[9]。

2 旋風分離器故障與催化劑顆粒譜的關系

FCC旋風分離器的故障來源可劃分為工藝和機械兩方面，如圖2所示。工藝方面主要是催化劑顆粒物性和工藝參數對旋風分離器分離性能的影響，即旋風分離器的進、出口邊界條件；機械方面主要是旋風分離器本身材料問題，包括顆粒對器壁的沖蝕磨損和摩擦磨損，設備金屬的高溫強度、疲勞斷裂和腐蝕、焦塊和襯里的脫落等，進而影響分離性能。

圖2 FCC裝置旋風分離器的故障來源Fig.2 Fault sources of cyclone in FCC unit

2.1 顆粒特性

催化劑自身的故障是顆粒的破碎“細化”問題。催化劑破碎原因除自身機械強度不足外，主要是顆粒之間、顆粒與器壁之間存在磨擦和沖擊造成的[10]。一般認為顆粒磨損在流化床內占60%，在旋風分離器內占16%[11]。催化劑破碎主要有摩擦磨損和高速沖擊磨損2種形式，破碎機理和結果不同[12]。圖3為不同催化劑顆粒的掃描電鏡照片。對比平衡劑(見圖3(a))，正常摩擦顆粒是光滑圓潤球體和細小碎屑(見圖3(b))，沖擊破碎顆粒是非球形碎礫(見圖3(c))。催化劑破碎導致顆粒粒度分布發生異常變化，不再滿足顆粒粒度質量平衡公式(式(2))。圖4為Niccum[4]給出的再生器二級旋風分離器存在沖擊磨損源時催化劑的粒度分布，催化劑破碎導致細粉含量增大，在3 μm處出現1個峰值，顆粒粒度呈雙峰分布，此時三旋細粉(<10 μm)的收集量增大。因此通過顆粒形貌和粒徑分布對確定磨損源和磨損方式是可行的。此外，熱崩是另外一個催化劑破碎因素，這是由于顆粒內-外溫差熱應力產生的破壞，表現為顆粒的剝層和裂紋[13]。

2.2 工藝系統

工藝參數對旋風分離器的影響主要是邊界條件，表現為進口操作參數超標，如溫度和壓力、入口濃度和入口速度等[4-5,14-15]，出口料腿翼閥堵塞和漏風等。某FCC裝置再生器操作壓力升高，煙氣量減小，旋風分離器入口速度降低，分離效率降低，出口20～40 μm顆粒含量及平均粒徑增加[5]。

圖3 不同催化劑顆粒的掃描電鏡照片Fig.3 SEM photos of different catalyst particles(a) Equilibrium catalyst; (b) Particle debris； (c) Rudaceous particle

圖4 存在顆粒磨損源時跑損催化劑粒度分布[4]Fig.4 Size distribution of catalyst particles with wear source[4]

再生器和沉降器底部流化風的非均勻分布直接導致稀相空間的催化劑濃度和粒度分布增大，旋風分離器入口濃度和顆粒粒徑增加。旋風分離器料腿堵塞主要是升氣管外壁結焦焦塊脫落堵塞料腿或翼閥，導致大量催化劑細粉進入分餾塔[16-17]，該故障在國內外重油催化裂化裝置上有一定普遍性[18-21]。圖5為某FCC裝置沉降器頂部2組分離器料腿堵塞后測量的催化劑粒度分布，油漿中催化劑粒度分布與平衡催化劑粒度分布基本一致，說明旋風分離器已失去分離功能。

圖5 不同情況下催化劑粒度分布Fig.5 Size distribution of catalyst particles with different conditions

2.3 機械系統

機械系統問題主要是旋風分離器器壁、翼閥的磨損，殼體、拉桿的斷裂等。磨損是造成旋風分離器系統出現較多故障的原因，也是影響分離器壽命的主要因素和失效的主要形式。對于顆粒的沖蝕磨損，旋風分離器環形空間筒體的磨損量E(mm/h)與入口速度vi(m/s)、入口質量濃度ci(g/m3)和顆粒旋轉軌跡曲率半徑R(m)有如下關系[22]。

(3)

其中f(a)=1+sin(0.8θ)(0<θ<225°)，θ是從入口開始的旋轉角，表明入口速度對沖蝕的影響很大，入口濃度的影響也不容忽視；k為侵蝕常數，與顆粒及器壁材料特性有關。式(3)表明，沖蝕磨損與顆粒的沖擊角a密切相關。旋風分離器沖蝕磨損嚴重的部位是對著入口的蝸殼切線部位的“靶區”，即進入旋風分離器的顆粒直接沖擊到器壁上[22-24]。旋風分離器錐體和料腿入口部位也是磨蝕嚴重的部位[22,25]，其原因是顆粒旋轉速度比較高，顆粒濃度比較高。前者是沖蝕磨損，后者是摩擦磨損。旋風分離器襯里表面經磨損后變成有凹槽的不平滑的表面，使沿器壁向下旋轉的催化劑產生彈濺和渦旋，導致磨損進一步加劇，直至器壁穿孔。旋風分離器器壁磨損后，表面粗糙不平，分離性能下降。圖6為再生器串聯第二級旋風分離器性能下降時跑損催化劑粒度分布[4]。由圖6可見，顆粒粒度呈單峰分布，峰值由30 μm移到45 μm。

圖6 二級旋風分離器性能下降時跑損催化劑粒度分布[4]Fig.6 Particle size distribution with poor cyclone separation performance[4]

當旋風分離器器壁存在磨損穿孔時，未被分離的煙氣或油氣夾帶催化劑直接從穿孔部位竄入旋風分離器，不再滿足顆粒質量平衡公式(式(1))和粒徑質量平衡公式(式(2))。催化劑粒度分布也出現異常，逃逸催化劑的粗顆粒含量增大，顆粒粒度呈雙峰分布(見圖7)，在50 μm處出現1個峰值。

當旋風分離器翼閥閥板被磨損穿孔后，外部的煙氣或油氣會上竄進入料腿，其夾帶懸浮催化劑直接進入旋風分離器，也使得逃逸催化劑的粗顆粒含量增大[26-28]。此外，旋風分離器殼體和拉桿發生疲勞斷裂失效[29-32]，造成器壁穿孔，導致催化劑跑損，其跑損催化劑的顆粒粒度分布也是如此。

圖7 旋風分離器存在磨損穿孔跑損催化劑粒度分布[4]Fig.7 Particle size distribution with wear hole in cyclone[4]

3 基于顆粒譜的故障診斷技術的應用前景

催化劑顆粒譜的獲取是進行旋風分離器故障診斷的前提，顆粒譜參數為可測參數且可離線測量，信息量大且豐富。基于這些信息，把有異常操作、故障狀態等特定工況下的催化劑信息對比正常操作時的催化劑信息，從中提取旋風分離器故障征兆的特征值是故障診斷的必要條件。這就需要一方面對特征值進行數學處理獲取更具有突出性的特征值，如顆粒粒度分布曲線可以用數學連續函數描述，數據處理后可以獲取如均值、方差、偏度、峭度、峰值、單峰、多峰等特征量，另一方面建立顆粒譜與故障之間的關系模型，必要時可以通過實驗建立兩者之間的經驗模型，一些現場的測量數據可作為工程實際故障的驗證。同時配合補充碳含量、失活度、比表面積等熱態數據，以及顆粒流量、壓差、溫度、跑劑量、油漿固含量等其他現場在線參數，可以建立旋風分離器故障的比較識別模式或函數識別模式。

4 結 論

催化裂化反應是一個多相催化快速反應體系，催化劑與油氣的比率比較大，導致催化劑循環量非常大，如一個800 kt/a FCC裝置，藏量約100 t，催化劑循環量約900 t/h，在這樣高負荷的催化劑循環流動中，旋風分離器的分離作用至關重要，任何影響催化劑分離操作的干擾因素均可導致整個循環系統失效。所以旋風分離器的狀態檢測和故障診斷對于保證裝置的正常操作、工作效率非常必要。目前，旋風分離器故障診斷很大程度上依賴于經驗積累，應用中出現的各種問題難以給予合理的解釋，處理方法也具有盲目性，其原因一方面是受早期測量手段的限制，另一方面是尚未形成故障診斷技術的理論體系。為此，筆者提出了通過提取旋風分離器跑損催化劑的顆粒譜特征信息，如顆粒密度、顆粒粒度、顆粒形態等，建立顆粒特征信息與故障之間的關系模型，實驗研究和現場操作表明該技術是可行的，該診斷技術可以逐漸拓展到催化劑的反應、失活、再生方面的故障診斷，也可以逐漸從離線向在線診斷方向發展。

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Preliminary Analysis of FCC Cyclone Fault Diagnosis TechnologyBased on Particles Information

SONG Jianfei1,2, WANG Di1,2, SUN Liqiang1,2, YAN Chaoyu1,2, WEI Yaodong1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China；2.BeijingKeyLaboratoryofProcessFluidFiltrationandSeparation,Beijing102249, China)

Cyclones are key equipment in fluid catalytic cracking unit (FCCU), which are used for separating the catalyst particles from oil gas or flue gas. Hence, it is very necessary to carry out condition monitoring and fault diagnosis for the running cyclone. When the cyclone is in abnormal operation, the run-off catalyst information also shows abnormal changes. Taking the catalyst particles as the carrier of fault information, this paper put forward cyclone fault diagnosis technology by extracting catalyst particle information such as bulk density, size distribution and morphology to build the relationship model between the cyclone fault and catalyst particle information.

FCC; cyclone; fault; particle diagnostic technique; particle information

2016-12-19

國家自然科學基金項目(21566038)和中國石油大學(北京)克拉瑪依校區科研啟動基金項目(RCYJ2016B-02-002)資助

宋健斐，女，副教授，博士，從事氣-固分離方面研究；Tel：010-89739018；E-mail:songjf@cup.edu.cn

1001-8719(2017)03-0588-07

TE624

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.03.026