新型旋流除塵器在100萬噸/年乙烯裝置尾氣除塵中的應用

陳燕斌

（中國石化鎮海煉化分公司，浙江 寧波 315000）

烴類在管式爐中的熱裂解是乙烯生產的主要方式［1］。中石化鎮海煉化分公司乙烯裝置的規模在中國居于首位，產量高達100萬噸/年［2］。在裂解爐連續運轉過程中，烴類的二次裂解反應易生成焦炭，出現爐管結焦的現象，從而導致爐管管壁熱阻增大、壁溫升高、能耗增加，縮短爐管壽命。另一方面，焦垢會使爐管內徑變小，物料流動過程壓降增大，甚至堵塞管道，縮短運行周期，減少烴類處理量，嚴重影響乙烯裝置正常生產［3］。因此，為了去除裂解爐及急冷鍋爐中的焦垢，每隔一定運行時間需要進行停爐燒焦操作。然而，在清焦過程中會伴隨大量燒焦尾氣的產生，其中除蒸汽之外，還含有小粒徑焦粒、CO、CO2等污染物［4］。

目前，我國工業排放氣的除塵方式主要有：旋風除塵器［5］、文丘里水膜除塵器［6］、靜電除塵器［7］和布袋除塵器［8］等。對于乙烯裝置，主要采用的是重力沉降罐或傳統旋風分離器來控制外排顆粒污染物。有研究結果表明，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及以下的微細顆粒污染物［9］。國內也有采用優化后的大管徑旋風分離器的先例，且在大型乙烯工業生產中已經進行了商業投放［10］。但從工業應用結果角度分析，該類裝置的分離效率還無法達到理想效果，若采用多次分離，經濟效益也將大幅下降［11］。因此，亟需設計一種新型的旋流除塵分離裝置來解決目前所面臨的分離效率低下的問題。

本工作設計了一種新型旋流除塵器，設備內部旋流管并聯集成式的設計使分離效率得以強化，能夠高效去除煙氣中的微細顆粒污染物，并已在乙烯裝置裂解爐清焦過程尾氣處理中得到應用，可以有效避免乙烯裝置界區中的粉塵污染。

1 結構參數和工作原理

新型旋流除塵器現場實物照片見圖1，內部結構示意見圖2。

圖1 新型旋流除塵器現場實物照片

圖2 新型旋流除塵器結構示意

由圖2可見：新型旋流除塵器由上腔體和下腔體兩部分構成，兩腔體之間經焊接平板（2）連接，平板上部設加強工字鋼（3）和加強圈（4）進行固定。上腔體用于收集經小型旋流器（1）流出的凈化煙氣，并經出氣口外排至大氣。下腔體亦分為兩部分，即上柱體和下椎體。上柱體內置60個規律排列的小型旋流器，上開口位于平板（2）上，用于脫除焦粉顆粒；為強化去除效果，在徑向進氣口處設置一段向下傾斜5°的弧形導流筒（5），可促使徑向氣流轉變成為環向氣流，以產生更大的離心力，同時增加焦粉顆粒向下的慣性力、穩定設備內部氣流場，亦能避免氣流的沖擊。在上柱體下部連續注入流動水，清洗所分離的焦粉顆粒，收集于下椎體中，并經底流口定期外排。

新型旋流除塵器的型號為HL/G300-60，結構及工作參數見表1。

表1 新型旋流除塵器的結構及工作參數

在旋流除塵器的進氣口、出氣口增設采樣閥，采用LD-5型高溫激光煙道粉塵儀（珠海天創儀器有限公司）檢測氣體中焦粉顆粒的質量濃度。該儀器具有強力抽氣泵，通過采樣桿對焦粉顆粒進行測量時不受環境壓力的影響；同時，采樣桿為耐高溫材料，長度為3 m，可適應300 ℃的工作環境；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（上海倍藍光電科技有限公司）對焦粉顆粒進行粒徑分析。

新型旋流除塵器的工作原理示意見圖3。含焦粉顆粒煙氣進入新型旋流除塵器后，在氣體旋流場中焦粉顆粒會產生20 000～60 000 r/min的高速自轉速率［12］。在自轉與公轉的強力耦合作用下，實現焦粉顆粒與氣體的分離。如圖3所示，進氣口特定的導流筒使得不同粒徑的焦粉顆粒在三維旋轉湍流場中存在動力學差異。通過湍流流動調控焦粉顆粒運動，使焦粉顆粒由進入旋流器時的均勻混合態轉變為有序排列態，解決了現有焦粉顆粒分級技術難以進行多產品分級、分級精度低、產品分散性差的問題，使焦粉顆粒分級效率得以提高，排出口焦粉顆粒濃度降低。在進口焦粉顆粒排序強化旋流分離的基礎上，新型旋流除塵器中下部引入的水流先捕集到焦粉顆粒，然后在液體旋流場的作用下焦粉顆粒之間碰撞、聚集形成更大的結合體，從而更易實現焦粉顆粒的高效分離。同時，通過調控進口焦粉顆粒排序使注入的水流在旋流分離過程中形成移動攔截膜，加強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 工業應用效果

2.1 旋流除塵效率

乙烯裂解爐連續運行2個月便需要進行停運清焦處理，清焦時間一般持續36 h。新型旋流除塵器每4 h進行一次進、出氣口焦粉顆粒濃度檢測，共得到10組數據。新型旋流除塵器進氣口及出氣口的焦粉顆粒質量濃度及旋流除塵效率見圖4。由圖4可見：由于焦粉顆粒脫落難度隨著燒焦時間而不斷增加以及燒焦過程中焦粉顆粒脫落的偶然性，致使旋流除塵器進氣口焦粉顆粒質量濃度整體呈現隨時間逐漸減小的趨勢，進氣口氣體中焦粉顆粒質量濃度為112.0～315.0 mg/m3，出氣口氣體中焦粉顆粒質量濃度為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到92.8%；出氣口氣體中焦粉顆粒質量濃度多數處于15 mg/m3以下，符合GB 31570—2016《石油煉制工業污染物排放標準》中大氣污染物粉塵顆粒物含量不超過20 mg/m3的排放要求［13］。

圖4 新型旋流除塵器進氣口及出氣口的焦粉顆粒質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氣口、出氣口和底流口設置采樣點，對試樣進行粒徑分析。 進氣口和底流口試樣的粒徑分布分別見圖5～6。

圖5 進氣口試樣的粒徑分布

由圖5、圖6可見：進氣口和底流口試樣的粒徑分布曲線的特點都是粒徑分布范圍廣、分散程度高；兩圖15 μm到40 μm粒徑區間段的曲線形狀較為相似，可認為進氣口焦粉顆粒粒徑組成與底流口基本一致；在大于40 μm以上粒徑區間段曲線形狀有較大偏差，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15 μm以上粒徑焦粉顆粒的強分離作用以及對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圖7。由圖7可見：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照片見圖8。由圖8可見：焦粉顆粒呈均勻密集分布，且未出現超出數量級大小的焦粉顆粒；隨機取部分區域放大，可觀察到焦粉顆粒均為不規則多面體，粒徑為100 μm級別以下的焦粉顆粒居多，與Malvern-2000粒徑分析儀獲得的數據（見圖6）相近。

圖8 底流口焦粉顆粒的SEM照片

3 結論

a）采用新型旋流除塵器凈化乙烯裂解爐清焦尾氣。進口焦粉顆粒質量濃度接近于200 mg/m3的清焦尾氣經過旋流除塵后，出口煙氣焦粉顆粒質量濃度基本控制在15 mg/m3以下，符合GB 31570—2016《石油煉制工業污染物排放標準》中大氣污染物粉塵顆粒物含量不超過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。