新型旋流除塵器在100萬(wàn)噸/年乙烯裝置尾氣除塵中的應(yīng)用

陳燕斌

（中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315000）

烴類(lèi)在管式爐中的熱裂解是乙烯生產(chǎn)的主要方式［1］。中石化鎮(zhèn)海煉化分公司乙烯裝置的規(guī)模在中國(guó)居于首位，產(chǎn)量高達(dá)100萬(wàn)噸/年［2］。在裂解爐連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，烴類(lèi)的二次裂解反應(yīng)易生成焦炭，出現(xiàn)爐管結(jié)焦的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致?tīng)t管管壁熱阻增大、壁溫升高、能耗增加，縮短爐管壽命。另一方面，焦垢會(huì)使?fàn)t管內(nèi)徑變小，物料流動(dòng)過(guò)程壓降增大，甚至堵塞管道，縮短運(yùn)行周期，減少烴類(lèi)處理量，嚴(yán)重影響乙烯裝置正常生產(chǎn)［3］。因此，為了去除裂解爐及急冷鍋爐中的焦垢，每隔一定運(yùn)行時(shí)間需要進(jìn)行停爐燒焦操作。然而，在清焦過(guò)程中會(huì)伴隨大量燒焦尾氣的產(chǎn)生，其中除蒸汽之外，還含有小粒徑焦粒、CO、CO2等污染物［4］。

目前，我國(guó)工業(yè)排放氣的除塵方式主要有：旋風(fēng)除塵器［5］、文丘里水膜除塵器［6］、靜電除塵器［7］和布袋除塵器［8］等。對(duì)于乙烯裝置，主要采用的是重力沉降罐或傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器來(lái)控制外排顆粒污染物。有研究結(jié)果表明，這兩種裝置的最大弊端是只能捕集粒徑大于100 μm的顆粒物，并不適合捕集粒徑10 μm及以下的微細(xì)顆粒污染物［9］。國(guó)內(nèi)也有采用優(yōu)化后的大管徑旋風(fēng)分離器的先例，且在大型乙烯工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)進(jìn)行了商業(yè)投放［10］。但從工業(yè)應(yīng)用結(jié)果角度分析，該類(lèi)裝置的分離效率還無(wú)法達(dá)到理想效果，若采用多次分離，經(jīng)濟(jì)效益也將大幅下降［11］。因此，亟需設(shè)計(jì)一種新型的旋流除塵分離裝置來(lái)解決目前所面臨的分離效率低下的問(wèn)題。

本工作設(shè)計(jì)了一種新型旋流除塵器，設(shè)備內(nèi)部旋流管并聯(lián)集成式的設(shè)計(jì)使分離效率得以強(qiáng)化，能夠高效去除煙氣中的微細(xì)顆粒污染物，并已在乙烯裝置裂解爐清焦過(guò)程尾氣處理中得到應(yīng)用，可以有效避免乙烯裝置界區(qū)中的粉塵污染。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作原理

新型旋流除塵器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物照片見(jiàn)圖1，內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖1 新型旋流除塵器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物照片

圖2 新型旋流除塵器結(jié)構(gòu)示意

由圖2可見(jiàn)：新型旋流除塵器由上腔體和下腔體兩部分構(gòu)成，兩腔體之間經(jīng)焊接平板（2）連接，平板上部設(shè)加強(qiáng)工字鋼（3）和加強(qiáng)圈（4）進(jìn)行固定。上腔體用于收集經(jīng)小型旋流器（1）流出的凈化煙氣，并經(jīng)出氣口外排至大氣。下腔體亦分為兩部分，即上柱體和下椎體。上柱體內(nèi)置60個(gè)規(guī)律排列的小型旋流器，上開(kāi)口位于平板（2）上，用于脫除焦粉顆粒；為強(qiáng)化去除效果，在徑向進(jìn)氣口處設(shè)置一段向下傾斜5°的弧形導(dǎo)流筒（5），可促使徑向氣流轉(zhuǎn)變成為環(huán)向氣流，以產(chǎn)生更大的離心力，同時(shí)增加焦粉顆粒向下的慣性力、穩(wěn)定設(shè)備內(nèi)部氣流場(chǎng)，亦能避免氣流的沖擊。在上柱體下部連續(xù)注入流動(dòng)水，清洗所分離的焦粉顆粒，收集于下椎體中，并經(jīng)底流口定期外排。

新型旋流除塵器的型號(hào)為HL/G300-60，結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 新型旋流除塵器的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)

在旋流除塵器的進(jìn)氣口、出氣口增設(shè)采樣閥，采用LD-5型高溫激光煙道粉塵儀（珠海天創(chuàng)儀器有限公司）檢測(cè)氣體中焦粉顆粒的質(zhì)量濃度。該儀器具有強(qiáng)力抽氣泵，通過(guò)采樣桿對(duì)焦粉顆粒進(jìn)行測(cè)量時(shí)不受環(huán)境壓力的影響；同時(shí)，采樣桿為耐高溫材料，長(zhǎng)度為3 m，可適應(yīng)300 ℃的工作環(huán)境；采樣器濾膜直徑為40 mm，孔徑為0.22 μm。采用Malvren-2000型激光粒徑分析儀（上海倍藍(lán)光電科技有限公司）對(duì)焦粉顆粒進(jìn)行粒徑分析。

新型旋流除塵器的工作原理示意見(jiàn)圖3。含焦粉顆粒煙氣進(jìn)入新型旋流除塵器后，在氣體旋流場(chǎng)中焦粉顆粒會(huì)產(chǎn)生20 000～60 000 r/min的高速自轉(zhuǎn)速率［12］。在自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的強(qiáng)力耦合作用下，實(shí)現(xiàn)焦粉顆粒與氣體的分離。如圖3所示，進(jìn)氣口特定的導(dǎo)流筒使得不同粒徑的焦粉顆粒在三維旋轉(zhuǎn)湍流場(chǎng)中存在動(dòng)力學(xué)差異。通過(guò)湍流流動(dòng)調(diào)控焦粉顆粒運(yùn)動(dòng)，使焦粉顆粒由進(jìn)入旋流器時(shí)的均勻混合態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚺帕袘B(tài)，解決了現(xiàn)有焦粉顆粒分級(jí)技術(shù)難以進(jìn)行多產(chǎn)品分級(jí)、分級(jí)精度低、產(chǎn)品分散性差的問(wèn)題，使焦粉顆粒分級(jí)效率得以提高，排出口焦粉顆粒濃度降低。在進(jìn)口焦粉顆粒排序強(qiáng)化旋流分離的基礎(chǔ)上，新型旋流除塵器中下部引入的水流先捕集到焦粉顆粒，然后在液體旋流場(chǎng)的作用下焦粉顆粒之間碰撞、聚集形成更大的結(jié)合體，從而更易實(shí)現(xiàn)焦粉顆粒的高效分離。同時(shí)，通過(guò)調(diào)控進(jìn)口焦粉顆粒排序使注入的水流在旋流分離過(guò)程中形成移動(dòng)攔截膜，加強(qiáng)焦粉顆粒在液體中的震蕩，提高焦粉顆粒在液體中的碰撞、聚集概率。

圖3 新型旋流除塵器的工作原理示意

2 工業(yè)應(yīng)用效果

2.1 旋流除塵效率

乙烯裂解爐連續(xù)運(yùn)行2個(gè)月便需要進(jìn)行停運(yùn)清焦處理，清焦時(shí)間一般持續(xù)36 h。新型旋流除塵器每4 h進(jìn)行一次進(jìn)、出氣口焦粉顆粒濃度檢測(cè)，共得到10組數(shù)據(jù)。新型旋流除塵器進(jìn)氣口及出氣口的焦粉顆粒質(zhì)量濃度及旋流除塵效率見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)：由于焦粉顆粒脫落難度隨著燒焦時(shí)間而不斷增加以及燒焦過(guò)程中焦粉顆粒脫落的偶然性，致使旋流除塵器進(jìn)氣口焦粉顆粒質(zhì)量濃度整體呈現(xiàn)隨時(shí)間逐漸減小的趨勢(shì)，進(jìn)氣口氣體中焦粉顆粒質(zhì)量濃度為112.0～315.0 mg/m3，出氣口氣體中焦粉顆粒質(zhì)量濃度為2.7～20.8 mg/m3，旋流除塵效率為89.2%～95.8%，平均旋流除塵效率達(dá)到92.8%；出氣口氣體中焦粉顆粒質(zhì)量濃度多數(shù)處于15 mg/m3以下，符合GB 31570—2016《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中大氣污染物粉塵顆粒物含量不超過(guò)20 mg/m3的排放要求［13］。

圖4 新型旋流除塵器進(jìn)氣口及出氣口的焦粉顆粒質(zhì)量濃度及旋流除塵效率

2.2 焦粉顆粒組分

在新型旋流除塵器進(jìn)氣口、出氣口和底流口設(shè)置采樣點(diǎn)，對(duì)試樣進(jìn)行粒徑分析。 進(jìn)氣口和底流口試樣的粒徑分布分別見(jiàn)圖5～6。

圖5 進(jìn)氣口試樣的粒徑分布

由圖5、圖6可見(jiàn)：進(jìn)氣口和底流口試樣的粒徑分布曲線(xiàn)的特點(diǎn)都是粒徑分布范圍廣、分散程度高；兩圖15 μm到40 μm粒徑區(qū)間段的曲線(xiàn)形狀較為相似，可認(rèn)為進(jìn)氣口焦粉顆粒粒徑組成與底流口基本一致；在大于40 μm以上粒徑區(qū)間段曲線(xiàn)形狀有較大偏差，而粒徑在15 μm以下的顆粒物占比都在5%以下，這是由于新型旋流除塵器對(duì)15 μm以上粒徑焦粉顆粒的強(qiáng)分離作用以及對(duì)大粒徑焦粉顆粒附帶粉碎效果，也證明小粒徑焦粉顆粒得到了有效分離。

圖6 底流口試樣的粒徑分布

出氣口試樣的粒徑分布見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)：出氣口焦粉顆粒的粒徑分布范圍小，主要集中在10 μm以下。

圖7 出氣口試樣的粒徑分布

底流口焦粉顆粒的SEM照片見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)：焦粉顆粒呈均勻密集分布，且未出現(xiàn)超出數(shù)量級(jí)大小的焦粉顆粒；隨機(jī)取部分區(qū)域放大，可觀察到焦粉顆粒均為不規(guī)則多面體，粒徑為100 μm級(jí)別以下的焦粉顆粒居多，與Malvern-2000粒徑分析儀獲得的數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖6）相近。

圖8 底流口焦粉顆粒的SEM照片

3 結(jié)論

a）采用新型旋流除塵器凈化乙烯裂解爐清焦尾氣。進(jìn)口焦粉顆粒質(zhì)量濃度接近于200 mg/m3的清焦尾氣經(jīng)過(guò)旋流除塵后，出口煙氣焦粉顆粒質(zhì)量濃度基本控制在15 mg/m3以下，符合GB 31570—2016《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中大氣污染物粉塵顆粒物含量不超過(guò)20 mg/m3的排放要求。焦粉顆粒分離效率為89.2%～95.8%，平均分離效率達(dá)到92.8%。

b）凈化后乙烯裂解爐清焦尾氣中的焦粉顆粒粒徑絕大部分在10 μm以下。