基于顆粒物性的CFB循環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)

循環流化床(Circulating fluidized bed，以下簡稱CFB)的一個重要特征是固體顆粒沿著設定的循環回路流動，而氣體則沿單向路線流動，通常也是顆粒循環路線的一部分。任何導致顆粒循環的故障均有可能造成整個裝置非計劃停工，因此對顆粒循環過程進行狀態監測和故障診斷對于保證裝置長周期運行非常必要。根據工藝要求，顆粒在流經各個單元時完成輸送、流化、反應、分離、再生等操作，涉及到的單元主要有流化床、分離器和輸送立管，顆粒物性隨操作不同發生變化，這種變化通過粒徑分布、顆粒形貌、元素組成等表現出來。但除去跑損少部分顆粒，回路中顆粒質量流率基本維持不變。同樣沿氣體流動路線，顆粒物性也發生變化。在CFB正常操作情況下，顆粒在顆粒循環回路和氣體流動路線上其物性參數是穩定的，維持在設計范圍內，并且隨操作參數的波動發生相應變化，因此，顆粒在循環流動中承載著有關操作的各種信息。當顆粒循環發生故障時，顆粒物性將發生異常變化，例如常見的旋風分離器性能下降，外部表現是顆粒跑損、出口顆粒濃度異常增大，其實質是分離故障使顆粒分離過程發生了改變。因此，顆粒循環故障與顆粒物性之間存在一定的對應關系，顆粒是各種故障信息的載體。以往顆粒循環故障的診斷方法主要關注顆粒跑損量、壓力和壓降、溫度和溫變、氣-固兩相流流量等，缺失了顆粒物性參數的信息，忽略了顆粒物性在故障診斷中的作用，顆粒物性蘊含的豐富信息資源未能獲得應有的利用。顆粒診斷技術就是當CFB裝置發生顆粒循環故障時，根據顆粒物性的對比分析，基于顆粒物性特征值的變化，對故障做出準確的診斷，確定故障的原因和位置，進行及時的處理和消除。

1 顆粒在循環回路中的物性變化

循環流化床2個典型應用實例是流化催化裂化工藝(Fluid catalytic cracking，以下簡稱FCC)[1]和CFB鍋爐[2]。FCC的顆粒循環系統是一個倒8字形回路，催化劑反應和再生同時進行，一般循環使用不外排；而CFB鍋爐與FCC有所區別，顆粒循環系統為1個O形回路，煤粉因參加反應，需要不斷的加入和外排，見圖1。

圖1 工業應用循環流化床顆粒循環回路示意圖Fig.1 Schematic draws of an industrial circulating fluidized bed (a) FCC; (b) CFB

在FCC工藝中，提升管內再生催化劑與油氣發生反應，催化劑碳含量增加，活性降低；在汽提器內蒸汽汽提使催化劑含油量降低；再生器內空氣燒焦使催化劑碳含量減小，活性恢復。同時，循環回路中催化劑的濃度和粒徑分布也發生變化。圖2為在某FCC裝置再生器5個采樣點上采集的催化劑樣品的粒徑分布曲線。沿煙氣流動路線催化劑粒徑分布的峰值逐漸減小，但粒徑分布呈單峰分布。

催化劑沿顆粒循環回路和氣體流動路線的物性變化是其基本特性，在一次循環和長期循環中粒徑分布、表觀形態、碳含量等物性參數發生不同程度的變化，該變化主要取決于催化劑流動過程中單元的操作性能、結構參數和工藝參數、原料反應歷程等。圖3為Redemann等[3]給出的燃煤CFB中煤粉的粒徑分布曲線。進料口處煤粉顆粒中位粒徑最大，旋風分離器返料灰斗內顆粒中位粒徑相對入口有所減小，這是煤粉燃燒的結果，旋風分離器排氣管出口的顆粒中位粒徑最小。Pallarès等[4]給出了工業CFB裝置各部分顆粒平均粒徑的測量結果，進料顆粒平均粒徑是238 μm，流化床底部密相顆粒平均粒徑308 μm，密封返料灰斗顆粒平均粒徑226 μm。

圖2 不同位置催化劑顆粒粒徑分布Fig.2 Size distribution of catalyst particles at different sampling positions

沿顆粒循環回路，根據顆粒質量流率和顆粒粒徑的變化可以劃分為流化段、分離段和輸送段。流化段主要是流化床，是CFB的主體，顆粒在流化風的作用下形成不同流態，沿流化床向上顆粒濃度和顆粒粒徑分布有變化，但質量流率是平衡的。分離段主要是分離器，顆粒在分離器內或是分離或是逃逸，分別從排氣口排出或是進入灰斗被捕集。由于沿分離器的流程出現了氣-固分離和分流，顆粒質量流率和顆粒粒徑均發生突變，排出顆粒和捕集顆粒的濃度和粒徑分布主要由分離器性能決定。輸送段是顆粒的輸送部分，雖然各處存在濃度變化，主要取決于輸送流態形式，但顆粒質量流率和顆粒粒徑分布不變。

圖3 循環流化床鍋爐內煤粉的顆粒粒徑分布[3]Fig.3 Size distribution of coal powder in CFB[3]

CFB顆粒循環回路的顆粒質量流率和粒徑分布在開工階段隨進料增加存在很大變化[5]。但進入正常操作階段后顆粒循環回路的顆粒質量流量是平衡的[6]。如在流化床操作中，對整個顆粒循環回路內顆粒質量速率和粒徑分布影響的主要參數是流化速度，它決定了流化床的操作流態和流化床內軸向顆粒濃度分布，同時也確定了顆粒的揚析量[7-10]。當流化速度處于鼓泡床操作范圍，存在明顯的密相和稀相分界，顆粒沿床層向上流動，顆粒濃度和粒徑逐漸減小，稀相部分的顆粒濃度和粒徑分布沿軸向有很大變化，也決定了旋風分離器的入口速度和入口濃度。一般處于正常操作狀態下的CFB循環回路上的顆粒質量流率和粒徑分布是穩定的，或是在一定設計范圍內波動。但當顆粒循環回路發生故障導致某些操作參數發生改變后，這種穩定性就會被打破，顆粒質量流率和粒徑分布就會出現異常，尤其是流化段和分離段部分的顆粒物性變化比較明顯。

2 顆粒循環故障與催化劑顆粒物性的關系

2.1 顆粒物性

顆粒是CFB顆粒循環的主體，顆粒本身的故障主要是破碎“細化”問題。顆粒破碎原因除本身機械強度不足外，主要是顆粒與顆粒、顆粒與器壁之間存在摩擦磨損和高速沖擊破碎造成，兩者的破碎機制和結果不同。但這種磨損導致顆粒粒徑分布向減小的方向發展，同時也造成細顆粒的揚析量增大。摩擦磨損是粒徑不同的顆粒經表面研磨后主體尺寸逐級遞減，同時生成較小一級尺寸的顆粒；沖擊破碎是一個大顆粒崩碎為幾個級別低的小顆粒，見圖4[11]。在CFB操作過程中，2種機制共存。但各個單元磨損破碎所占份額因設備結構和操作條件以及催化劑機械性質不同而異，Andreas等[12]認為,顆粒磨損在流化床內占60%，在旋風分離器內占16%。

圖4 顆粒摩擦磨損和沖擊破碎示意圖[11]Fig.4 A schematic draw of friction wear and impact crush[11]

圖5是FCC裝置催化劑顆粒的掃描電鏡照片。對比平衡劑(見圖5(a))，正常摩擦顆粒是光滑圓潤球體和細小碎屑(見圖5(b))，沖擊破碎顆粒是非球形碎礫(見圖5(c))。對現場跑損催化劑的粒徑測量[13-14]和SEM分析[15-16]表明，因摩擦導致生成的小顆粒大量增加，小于10 μm的顆粒明顯增加，在顆粒粒徑分布上2～3 μm小顆粒區域出現1個小峰，呈雙峰分布，原峰值略有減小。沖擊破碎通常發生在氣流速度較高的區域，如進料噴嘴、分布器噴嘴、汽提蒸汽噴嘴、旋風分離器的入口速度超高等，因此通過顆粒形貌和粒徑分布可以確定顆粒的磨損源和磨損方式。此外，熱崩是另外一個催化劑破碎因素，高溫催化劑與低溫水蒸氣接觸后，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[17]。

圖5 催化劑微觀形貌對比Fig.5 Comparison of morphology of catalyst particles (a) Equilibrium catalyst; (b) Particle debris; (c) Rudaceous particle

2.2 顆粒流化

顆粒流化以進行工藝反應為目的，是CFB的核心。顆粒的流化質量主要取決于流化速度和氣體分布器的性能，進而確定了流化床稀相空間的顆粒濃度和顆粒粒徑分布、顆粒的揚析量(見圖6)[18]，同時流化速度也決定了密相床層料面高度[19]。圖7(a)為FCC裝置再生器鼓泡床的示意圖。沿軸向向上，催化劑在流化床內從密相料面向上通常經歷氣泡彈濺區、顆粒沉降區和飽和夾帶區流出。上部飽和夾帶區的催化劑質量流率不變，其余2個區沿流動方向存在較大的催化劑返混，濃度連續減小。當流化速度增大后，氣泡上行速度、氣泡的頻率和施加給催化劑上行的曳力均增加，導致密相床層高度上升，氣體攜帶的催化劑量急劇增加；同時，旋風分離器入口濃度和料腿內料柱高度也上升，見圖7(b)。崔剛等[20]的實驗表明，流化速度從0.4 m/s增至1.4 m/s，出口顆粒的平均粒徑由40 μm上升至60 μm。雖然有文獻[7-8,21-23]分析了鼓泡床稀相空間顆粒揚析和夾帶特性，建立了軸向顆粒濃度的分布模型，但缺少顆粒粒徑分布的數據，而且這些模型多是建立在冷態上是依靠測量數據進行計算[24-25]。氣體分布器的噴嘴布氣性能對流化床操作有直接影響。現場流化床直徑比較大，各噴嘴出口流量難以一致，流化風沿徑向分布不均勻，尤其是部分噴嘴發生磨損情況時，破損區域噴嘴壓降消失形成氣體短路流，產生很大的偏流，形成顆粒騰涌現象，見圖7(c)。FCC裝置再生器床層存在嚴重偏流后，噴濺使稀相空間的催化劑濃度增大，進入部分旋風分離器的濃度和粒徑增大，催化劑跑損量和粒徑增大，同時也造成了床層各處反應深度不均，徑向溫差變大。

圖6 流化速度與顆粒的揚析量[18]Fig.6 Fluidizing velocity and elutriation of particles[18]

模型實驗數據上的，未考慮介質性質(油氣，煙氣)、介質黏度、溫度和壓力等的影響，與現場數據對比尚存在一定誤差，現場基本

圖7 再生器催化劑的揚析與夾帶示意圖Fig.7 A schematic draw of elutriation and entrainment of catalyst particles in the regenerator (a) Elutriation and entrainment； (b) With fluidized velocity increasing； (c) Bias flow and entrainment

氣體分布器的噴嘴噴出氣體的速度與催化劑顆粒的磨損量成正比。如鼓泡流化床催化劑顆粒的磨損主要是上行氣泡和分布器噴嘴噴出氣流(>30 m/s時)產生的[26]。Saidulu等[25]通過對FCC裝置再生器的氣體分布器進行改造，用變徑噴嘴替代單徑噴嘴，出口速度由55 m/s降至18.5 m/s，避免了催化劑的高速沖擊破碎，0～40 μm顆粒的質量分數由5%減至2%，平均粒徑從85 μm增至100 μm，說明氣體分布器改造后催化劑的破碎磨損減小了。

此外，CFB顆粒回路上顆粒粒徑分布隨操作時間延續是逐漸變化的。在裝置開工階段，隨操作時間延長，細顆粒不斷跑損，粗顆粒分量逐漸增加。圖8為某FCC裝置再生器開工后<40 μm催化劑顆粒質量分數(w1)變化的監測曲線。開工階段新鮮催化劑的細粉含量較多，受旋風分離器分離能力的限制，細粉跑損量比較大，粗顆粒分量增加，顆粒平均粒徑逐漸增大，240 min后細粉跑損量減小，<40 μm 顆粒質量分數趨于穩定，在20%左右。一般細顆粒催化劑的損失，尤其是0～40 μm細粉的損失對顆粒的流化性能是不利的，故需要及時補充細顆粒，以彌補細顆粒的損失量。所以細粉的損失也是監視流化平穩操作的一個重要指標。

圖8 催化劑細粉含量的變化Fig.8 Content of fines in catalyst particles

因此，CFB的流化速度和氣體分布器的性能因各種故障發生變化后，導致了流化運行狀態的改變，進而使顆粒濃度和粒徑也隨之變化，兩者存在一定的因果關系。這樣當流化床流化出現故障后就可以通過顆粒的物性變化對故障進行診斷和分析。

2.3 顆粒分離

顆粒分離是CFB顆粒循環的必要條件。顆粒分離借助于分離器實現，也是氣-固兩相分流的開始，顆粒進行循環，氣體流出系統。顆粒分離系統的故障主要表現為顆粒跑損。一般受分離器分離能力的限制，顆粒跑損不可避免，這屬于自然跑損。但跑損量超出允許范圍后，屬于故障跑損，或非自然跑損。原料性質變化、設備故障、工藝參數調整及顆粒的理化性質變化等都有可能引起顆粒大量跑損。跑損發生的位置及時效性也不盡相同。一般分離器出現顆粒分離故障時，顆粒物性變化對故障的反映非常敏感，尤其是出口顆粒粒徑的分布特征所蘊含的信息最為豐富。分離器采用旋風分離器時，這些物性變化不僅可以反映旋風分離器本身的故障，而且對旋風分離器工藝參數的超標、灰斗排料故障、串并聯配置方面的故障也能從顆粒物性上及時反映出來。如FCC裝置一般跑損催化劑控制在<0.1 kg/t原料以內，若短期內催化劑跑損嚴重，很可能就是旋風分離器工作失效的反映，像旋風分離器開裂、穿孔和料腿堵塞、翼閥磨穿等導致分離效率下降，表現為中位粒徑有明顯增大。一般旋風分離器分離性能惡化，跑損催化劑的中位粒徑比正常跑損的有所增大；料腿堵塞無法排料，流化床稀相部分的催化劑大量從排氣管跑損，跑損催化劑的中位粒徑更大；更嚴重的是當料腿翼閥部分磨損，造成流化風的二次夾帶，將流化床密相床層中較粗的顆粒直接帶出系統，跑損催化劑的中位粒徑就與平衡劑一致了。Niccum[14]在FCC裝置現場測量結果表明，再生器內第二級旋風分離器性能下降時，跑損催化劑粒徑呈單峰分布，峰值由30 μm移到45 μm；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倒竄進旋風分離器，跑損催化劑粒徑呈雙峰分布，在50 μm處出現1個峰值。圖9 是對某0.8 Mt/a FCC裝置油漿中催化劑粒徑分布的監測曲線。沉降器6組旋風分離器中4個翼閥閥板磨損穿孔后，油氣夾帶懸浮催化劑直接上竄進入料腿，逃逸催化劑的粗顆粒含量增大，油漿中>60 μm 顆粒質量分數超過10%，油漿中催化劑固含量已達到200 g/L。而正常工況下油漿中幾乎看不到大于40 μm的催化劑顆粒，被迫停工。當頂部3組旋風分離器料腿堵塞后，油漿中催化劑粒徑分布與平衡催化劑的粒徑分布基本一致，旋風分離器已經失去分離功能。

圖9 旋風分離器不同故障時催化劑粒徑分布Fig.9 Size distribution of catalyst particles in cyclones with different faults

3 顆粒診斷技術的方法和應用前景

顆粒診斷技術在CFB顆粒循環故障上應用，首先要獲取顆粒物性的特征值，該特征值選擇可測參數，包括顆粒粒徑分布、中位粒徑、堆積密度、比表面積、碳含量、重金屬含量、化學活性等，微觀上有顆粒形態和破碎形態等，通過這些可測信息提取故障征兆是故障診斷的必要條件。在此基礎上，一方面對特征值進行數學處理，如顆粒粒徑分布曲線可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；另一方面建立顆粒物性特征信息與故障之間的關系模型，形成比較識別模式或函數識別模式進行故障診斷。如前所述，顆粒循環故障與顆粒物性特征值的變化存在對應關系，這種關系可以從流化和分離機理上分析顆粒物性的變化規律，必要時可以通過實驗建立兩者之間的經驗模型，同時配合補充碳含量、失活度、比表面積等熱態數據，以及壓差、溫度、顆粒流量等其他現場在線參數，建立顆粒物性特征信息與故障之間的關系模型，進行故障的診斷和分析。

CFB顆粒循環是高負荷的氣-固流動系統。任何影響顆粒循環的干擾因素均可導致整個系統失效，造成巨大的經濟損失。所以顆粒循環的狀態檢測和故障診斷對于保證裝置的正常操作、工作效率是必要的。目前顆粒循環故障診斷技術的研究工作比較少，其原因一方面是受早期測量手段的限制，另一方面還沒有形成一個故障診斷技術的理論體系，很大程度上依賴于以往的經驗積累，應用中出現的各種問題很難給予合理的解釋，處理方法有一定的盲目性。為此，開創面向顆粒循環故障的顆粒診斷技術研究有很好的應用背景。

4 結 論

循環流化床的顆粒循環是高負荷的氣-固兩相流動系統，其穩定運行是保證CFB正常操作的前提條件。實驗研究和現場數據均表明，CFB顆粒循環發生流化故障和分離故障與顆粒物性之間存在著因果關系，通過提取顆粒循環路線上顆粒物性的特征信息，建立該信息與故障之間的關系模型，對故障做出準確的診斷，確定故障原因和位置是可行的。目前顆粒循環故障診斷技術的研究工作較少，尚未形成理論體系，因此開展面向顆粒循環故障的診斷技術研究是非常必要的，也有很好的應用前景。

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