煙機結垢預判及應對措施

摘 要 以某重油催化裂化裝置煙氣輪機為例，論述結垢對催化裂化裝置煙機運行情況的影響，通過匯總分析過去一段時間煙機運行的數據和資料，對造成其結垢的原因做出分析和討論。結合該煙機一個檢修周期內運轉和維護的實際情況，提出預判煙機結垢的措施，并就煙機出現結垢后的應對方法進行探討。

關鍵詞 催化裂化裝置 煙氣輪機 結垢 預判 應對措施

中圖分類號 TQ050.9 " 文獻標志碼 B " 文章編號 0254?6094（2024）04?0639?08

能量回收機組是催化裂化裝置的關鍵設備，機組能否高水平的運轉直接影響到裝置能否安、穩、長、滿、優的運行，是保證裝置經濟效益的重要環節。大機組運行故障（尤其是煙機故障）在重催裝置的各類非計劃停工因素中占比較高，這類故障大多是由汽輪機結構引起的，引起了同行業的高度重視。

筆者以某重油催化裂化裝置煙氣輪機（后簡稱煙機）為研究對象，對煙機結垢原因及其預判等做了一些分析和探討。

1 煙氣輪機設備簡介

本裝置風機采用四機組配置，其中煙機型號為YL?33000A，是單級懸臂式結構。其性能參數如下：

介質 催化高溫煙氣

級數 一級

最大回收功率 32 675 kW

總效率 不小于78%

額定轉速 3 722 r/min

2 煙機結垢的原因分析

煙機運行時，催化煙氣中不可避免地會含有一定數量的粉塵顆粒和焦炭。尤其是當旋風分離系統損壞或旋風分離系統線速度不正常等情況出現時，煙氣中的催化劑粉塵濃度會顯著增大。煙氣粉塵主要包含破損的催化劑細粉和原料油中攜帶的重金屬粒子等。煙氣所含的部分重金屬氧化物在溫度達到650～690 ℃時易形成低熔點化合物和共晶體。這部分共晶體與催化劑表面的一些焦炭殘余物在高溫狀態下會在葉片表面結垢。這些結垢物的存在又會進一步使更多顆粒物在葉片附面層吸附，并最終形成垢層，其形成速度會逐漸加快。而催化劑細粉中含有較多稀土元素，稀土元素極易產生靜電，在很大程度上加強了小顆粒在煙機流道上的吸附作用。

2.1 煙機結垢的原因

通過了解國內外對煙機結垢情況的研究成果，結合裝置垢樣成分分析，本裝置出現結垢的原因主要是：

a. 催化劑細粉含量。催化劑在催化裂化生產的終結形式包括進入催化油漿中、三旋回收的細粉、隨煙氣進入煙機做功后排入大氣等。細粉顆粒是結垢發生的來源，煙氣攜帶的細粉越多，則越可能形成垢層［1］。

b. 催化劑粒徑大小。細小的粒子易于靜電吸附造成結垢。一般認為小于10 μm的細顆粒是煙機結垢的主要來源，而且粒度越小，靜電吸附能力越強。

c. 煙氣溫度。細粉表面本來存在的易黏結物質在高溫（600～690 ℃）時黏結性極強，而催化裂化裝置煙機正常工作溫度正好在此區間內，高溫為細粉顆粒提供了能量，也增加了結垢發生的幾率。

d. 隨著原料油性質變差，原料油內攜帶的大量重金屬元素或物質會在催化劑中累積。重金屬（鈉、鈣、鐵、鎳、鈰等）在正常催化裂化生產工況下可與硫、磷等元素形成低熔點熔融物，使得分散于煙道內的細粉顆粒更容易黏連，增大了催化劑結垢傾向。

e. 煙氣流速和方向。對煙氣夾帶的細粉顆粒，較高的撞擊速度意味著較大的動能和更大的接觸變形［2］，而合適的碰撞角度則使催化劑顆粒更容易在葉片部分位置咬合結垢。

f. 稀土元素影響。生產中為適應原料變重、變差，保證產品質量、提高效益使用了大量的新型助劑，使得催化劑平衡劑中稀土含量顯著增加。稀土元素易產生靜電，在很大程度上加強了小顆粒催化劑在煙機流道上的吸附作用。

2.2 煙機垢樣的分析

由于原料油重金屬含量大幅提升，煙機葉片表面存在不完全燃燒的焦炭；多種催化劑混合使用后磨損細粒的增加對煙機結垢產生影響，尤其是煙氣中鈣離子、鐵離子、鎳離子和SOx含量的增加均是煙機結垢的重要誘因。

2.2.1 外觀分析

觀察煙機葉片垢樣（圖1）可以看到，垢樣外側呈現灰色，為帶狀橫向分布，結垢為明顯的逐層堆積，幾乎觀察不到催化劑微球結構。說明煙氣顆粒吸附在煙機葉片表面，會形成成核點，并以此為基礎使得細小顆粒更容易吸附，呈現首尾相連的帶狀結構。相對而言，垢樣靠近葉片的部分與外側不同，呈黑色（即含碳量較高），說明重質烴類首先吸附到了葉片表面，在高溫狀態下逐漸碳化，造成煙機表面的摩擦力增大，增加了催化劑細粉顆粒的附著幾率。

2.2.2 微觀分析

通過SEM法對垢樣做微觀分析，結果如圖2所示。垢樣表面有熔融結構，細小顆粒首尾相連形成呈帶狀紋理的逐層堆積結構。部分松散結構可

以看到尚未形成致密熔融態直徑200～1 000 nm的小粒子，這些粒子的粒徑遠小于催化劑中高嶺土、分子篩、擬薄水鋁石等組分的粒徑。說明催化劑受到破壞，形成了納米粒子，這些粒子在催化劑破碎增加、裹挾重質烴類、葉片摩擦增大及靜電作用增強等情況發生時，極易附著在葉片表面使結垢加重。

2.2.3 原料性質變化

根據研究中心對煙機結垢前后原料油性質的分析，發現結垢與50%標定點接近（表1）。50%標定時Ca、Fe、Ni、V、S等元素含量有較大提升，如Ca含量從2.26 μg/g增加到4.53 μg/g，增幅約100%，Fe含量從2.67 μg/g增加到9.06 μg/g，增幅約239%。一般認為煙氣中富集的Ca、Fe、Ni與酸性離子結合形成的低溫熔融物是結垢的重要組成。

2.2.4 金屬含量增加

對平衡劑、三旋細粉和垢樣進行對比可知：三者粒度逐漸減小，主要差異表現在重金屬含量上（表2）。與平衡劑相比，垢樣中CaO含量從0.306 8%增加到0.789 9%，增幅157%；Fe2O3含量從0.560 9%增加到1.659 9%，增幅196%；NiO含量從0.648 9%增加到0.831 3%，增幅28%；CeO2含量從1.530 0%增加到3.253 0%，增幅113%。

這種情況說明催化劑外表面有金屬元素富集，當外表面在反應、再生過程中因相互碰撞、磨損會脫落形成小顆粒，這些小顆粒隨煙氣進入煙機，在煙機表面發生吸附、熔融、凝結，最終導致煙機垢樣中的重金屬含量大幅高于平衡劑樣品。

3 煙機結垢的危害

3.1 效率下降、振動值上升

生產中靜葉、圍帶、動葉處逐漸有細粉顆粒附著和沉積并在高溫下黏結成垢。結垢一般發生在進氣側層流邊界層，相對在壓力面紊流區內分布較少。

結垢會嚴重影響設備運轉，動、靜葉結垢會減少葉片流通面積，使設備效率下降；另外局部垢片脫落會在一定程度上影響其轉子動平衡，使設備振動值上升［3］。

3.2 故障停車、檢修

結垢嚴重會危害設備安全，需要停工處理。若未能及時發現異常并做出處置，可能產生嚴重后果，對設備造成不可估量的損害。近幾年，各煉廠催化裝置由于煙機振動超標導致的故障停車次數約占總故障停車次數的一半，而結垢則是振動超標停車的一個重要原因［4］。

煙機停工搶修任務是更換并清掃煙機轉子及更換軸承和密封部件。以2021年5月此機組煙機大修為例，含主機、備機切換時間，單次拆修共17天。產生的費用列于表3，共計191.7萬元，另外還會根據施工情況產生一定的人工成本。

備機或三機組運轉，每小時少發電量約7 000～10 000 kW，同時備機運行耗電量18 000 kW。按17天計算，共損失約（8500+18000）×24×17=10812000 kW·h，按工業用電每度電0.59元計算，共產生費用10812000×0.59=637.908萬元。

如果可以預判煙機結垢情況，并提前制定維修計劃，可有效降低對生產的影響，節約大量資金。但在生產中為確保設備安全，根據煙機運行導則定期對煙機進行拆修檢查是必須的。

4 煙機結垢的預判

4.1 本周期煙機運行情況

煙機本周期運行基本平穩，累計運行740天（17 760 h）。2021年5月煙機運行達到導則推薦檢修時間，打開煙機檢查，結果顯示該煙機葉片、導流錐、轉子均運行良好，煙機內部存在輕微結垢現象。

4.2 煙機結垢的判斷方法

煙機發生結垢主要分為動葉結垢和靜葉結垢兩類。動葉片結垢會導致煙機振動顯著上升。從日常記錄中可看出，機組工況沒有出現異常改變，振動在40 μm左右，位移、溫度正常，屬于煙機運行中的正常情況［5］。說明催化劑更多的堆積在了靜葉片上，這種堆積不僅減小了煙氣流通面積，而且對靜葉片角度也造成了一定改變，導致煙機做功效率下降［6］。

對煙機垢樣做成分分析，發現含有大量Ca、Fe、Ni、V元素，可見形成了低熔點共晶體。這些共晶體和降溫蒸汽作用使催化劑顆粒變得黏稠，容易在葉片上形成附面層，隨時間累積越來越多的顆粒物持續吸附最終堆積成垢。

根據經驗，當四機組正常運行，加工量、發電量基本不變時，在不調節高蝶的情況下，若雙動滑閥緩慢開大，說明煙機存在結垢現象，煙氣走雙滑跨過煙機。另外，裝置會定期試驗高蝶開度，在保證其他參數基本不變的情況下通過機組發電量、雙動滑閥聯動情況、煙機入口壓力、煙機出入口溫差及四機組整體的振動位移判斷煙氣流通面積是否有較大變化，進而判斷煙機結垢程度。

在雙動滑閥還有余地的情況下，逐步提高入口高蝶開度，若機組發電量正常增大，煙機入口壓力緩慢上升，雙動滑閥開度變小，聯動良好，則煙機結垢輕微，可繼續觀察運行。

若隨著高蝶逐步開大，機組發電量基本不變，雙滑開度不變、聯動效果不好，煙機入口壓力呈明顯上升趨勢，則說明煙機結垢明顯，煙道流通面積減小。在開大入口高蝶的過程中，煙氣沒有按預期更多地進入煙機做功，而是繼續走雙動滑閥跨過煙機，這時需盡快停機檢查并清垢。

4.3 四機組相關運行參數監控

2022年3月至2022年12月煙機相關運行參數如圖3、4所示，催化劑細粉粒度變化情況如圖5所示，2022年6月至2022年12月平衡催化劑粒度變化情況如圖6所示。

2022年6月至2022年12月，平衡催化劑及催化劑細粉粒度無大的波動，粉塵含量保持在120～140 mg/Nm3。2022年8月后裝置加工量持續上升，10月后穩定在380 t/h以上。在此過程中，煙機高蝶開度從25%上升至35.5%，煙機入口壓力自152.6 kPa上升至228.4 kPa。為判斷煙機是否結垢，進行了相同工況對比，對比結果見表4。

由表4中數據可知，在再生壓力相同、主風量相近、高蝶開度基本一致的情況下，煙機入口壓力升高約4 kPa，因此判斷煙機存在結垢。

為判斷結垢嚴重程度，2023年1～3月，分別對高蝶與雙滑的聯動情況進行了測試。3月測試結果見表5。

為減小再生壓力對雙滑的影響，以上測試在3 min內完成?？梢钥吹?，雙滑與高蝶聯動良好。同時當月內煙機振動趨勢平穩，保持在38～43 μm無異常波動。

根據對過去一年煙機運行參數的統計比較，結合煙機制造單位定期對本煙機監測診斷報告，認為在2023年6月停機大修前，煙機前后軸瓦振動幅值正常，沒有明顯反進動現象，煙機入口壓力存在持續緩慢上漲趨勢。因此判斷煙機存在均勻結垢現象并伴有輕微掉垢，結垢情形不太嚴重，但有加重趨勢。

4.4 結垢預判的驗證

根據《煙氣輪機長周期運行指導意見》，在連續運行12 000～17 000 h時，應主動停機，更換備用轉子，并對葉片、輪盤及主軸例行全面檢查一次［7］。

本煙機于2021年6月檢修開工，截至2023年6月中旬檢修，已累計運行17 760 h。根據檢修計劃，裝置組織人員對該煙機進行停機處理，檢修內容主要為清理煙機轉子動、靜葉片，清掃并檢查煙機其他相關部件。

在此次拆解中可以看到，煙機導流錐、靜葉片和動葉片上均出現一定厚度的呈帶狀紋理、首尾相連的結垢物，最厚處約4～5 mm。動、靜葉片無明顯損傷，相關部件也基本完好。結垢物主要集中在葉片進氣側層流區，結垢呈均勻分布狀，除因拆卸過程導致的結垢掉落外，煙機內存在少量掉垢現象。基本符合拆修前對煙機結垢情況的預測。

5 煙機結垢處理的探討

5.1 做好運行監控

煙機在長期運轉過程中出現結垢是不可避免的。減緩煙機結垢的首要任務是做好煙機運行情況的監控。以本煙機為例，要繼續加強內操監盤尤其是對敏感數據的監控［8］。如：煙機整體位移應控制在120～240 μm間，若有變化也應是緩慢的均勻變化。煙機正常結垢應呈現均勻結垢，在未出現結垢物異常脫落破壞轉子動平衡情況下不應出現大的異常振動。在結垢不嚴重時，煙氣可在煙機內正常流通，煙機入口溫度不大于700 ℃、出口溫度不大于540 ℃，煙機輪盤溫度在300～340 ℃之間，雙滑開度在2%～6%，高蝶開度控制在25%～34%。在機組正常運行時如遇到以上數據出現異常變化，應引起重視，及時上報并處理。

另外，還應該使用好在線狀態監測入口粉塵儀和離線采樣分析相結合的方式，保證煙氣顆粒物指標合格，根據波型圖、軸心軌跡等特征圖譜分析機組運行情況，及時調整機組操作參數，減緩煙機工況的變壞趨勢。保證旋風分離設備效果良好，注意催化劑細粉顆粒粒徑變化情況，尤其是小于3 μm的超細粉濃度，減少結垢物來源。

5.2 優化操作

生產中要注意優化操作，避免大幅度的波動。入口壓力、溫度、流量和催化劑粉塵濃度是煙機操作中的重要參數，要保證這些參數相對穩定，對指標更加精確化，避免波動對煙機造成沖擊。優化氣固分離效果，維持再生器壓力穩定，尤其在開停工和調整參數時保證再生器壓力緩慢變化，確保旋風分離效果良好［9］。

根據《煙氣輪機長周期運行指導意見》，運行中煙機入口催化劑濃度不大于200 mg/Nm3，其中直徑大于10 μm的細粉顆粒不超過3%［10］，本周期已將入口催化劑濃度控制在120～140 mg/Nm3，之后的生產中要努力控制這一參數，并在此基礎上將細粉顆粒的粒徑控制好。要注意軸振動及振動變化趨勢的監測，保證振動應低于報警設定值，達到報警值時，要及時分析原因并采取措施降低振動。加強巡回檢查注意監聽機組聲音，看是否有動靜部位磨擦和葉片的斷裂，檢查軸承及軸瓦溫度在正常范圍內，確認設備潤滑良好。觀察密封泄漏指示管的泄漏情況和蜂窩密封的使用效果，根據泄漏指示管調整密封蒸汽流量，嚴禁出現煙氣超溫。在煙機連續運行12 000～17 000 h后，及時停機返廠全面拆檢，檢查煙機主體結構及配套設施是否完好，更換損壞部件。

此外，在裝置加工原料較差、進行生產試驗、調整生產操作等可能加劇煙機結垢情況出現時也要有針對性地加強監控，調整參數。

5.3 非拆修條件下除垢

除優化操作和做好監盤外，有使用條件的生產單位還可以采用一些非拆修情況下除垢的方法，改善煙機工況。如：

a. 熱循環法。垢片與其吸附的金屬部件膨脹情況不同，通過調節高蝶開度，控制煙氣流量對設備反復降溫升溫，可在一定范圍內使咬合在煙機葉片等處的結垢物脫落。

b. 打磨清除法。可在煙機前向煙氣中加入一定體積的胡桃殼，通過胡桃核碰撞垢片祛除結垢物。

c. 化學清除法。在煙機上游注入化學清洗劑，對煙機進行清洗，可較有效減少煙機圍帶上的細粉沉積［11］。

d. 超聲波除垢法。該方法主要利用超聲波裝置將電能轉換為聲能，通過聲波對沉積物進行振動祛除［12］。

不拆修的情況下進行除垢在一定程度上可以改善煙機工況，但使用時會對煙機本身動平衡和日常生產造成不利影響，具體使用時要充分考慮經濟效益、設備結構以及操作條件慎重使用。

6 結論

6.1 結垢是危害煙機安全運行的主要因素。由于煙氣中含有一定數量的細粉顆粒，煙機在長期運轉中靜葉、圍帶以及動葉處出現結垢是不可避免的。日常生產中，要高度關注煙機振動值、頻譜分析及高蝶開度變化、煙機入口壓力變化、雙滑聯動情況等關鍵參數，做好煙機的觀察運行。維護好裝置的正常生產。

6.2 數據分析時，應盡可能使四機組除煙機外的運行工況保持一致，保證判斷結論的準確性和可靠性。在出現逐步開大高蝶，而發電量基本不變，雙滑聯動效果不好，煙機入口壓力上升等情況時，說明煙機可能出現較嚴重的結垢情況，應引起重視，盡快計劃停機檢查并進行清垢工作。

6.3 在之后的生產中，要控制煙機結垢速度與煙機檢修周期同步，努力實現煙機的長周期平穩運行。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-12-08，修回日期：2024-07-17）

作者簡介：章新陽（1998-），助理工程師，從事重催裝置動、靜設備管理和重催裝置、加氫裝置、兩酸環保裝置設備防腐蝕管理工作，2608759243@qq.com。

引用本文：章新陽，童飛，高萬山.煙機結垢預判及應對措施［J］.化工機械，2024，51（4）：639-646.