浅谈催化裂化装置中烟气水封罐的设置和运行

宋磊磊 汪红（中石化洛阳工程有限公司 471003）

引言

炼油厂中催化裂化装置烟气能量回收系统由烟气轮机系统（简称烟机）和余热锅炉系统（简称余锅）组成。烟气从再生器出来后，进入烟机带动主风机做功，然后进入余锅系统放热发生蒸汽。烟气水封罐作为催化裂化装置中余锅系统的一个辅助设备，一般设置在余锅的进口和旁路烟气烟道（简称烟道）上，相当于一个不漏的阀门，起到隔断烟气的作用。

相比烟道阀门，烟气水封罐一般占地较大，且不易布置，但是从烟机出来的烟气温度一般高达700℃[1]，余锅出口的烟气温度也在180℃-220℃，且烟道直径一般很大，导致大口径耐高温的烟道阀门造价很高，由于阀门巨大不好操作，需要配备电动执行机构，总造价一般在100万左右。烟气水封罐相比烟道阀门具有安全性高、操作方便、结构简单、造价低廉等优点[2]，在催化裂化装置余锅系统中被广泛使用。

一、工作原理

烟气水封罐相当于一个套管，它由一个大水封和侧面的一个小水封组成，常规结构形式见图1。图中H是大水封的水柱高度，E是小水封的水柱高度。水封高度取决于烟机出口烟气的最大操作压力，一般来说大水封和小水封高度取值相同。

图1 常规水封罐结构图

水封罐的总高度与烟道的直径和大水封高度有关，因此水封罐的总高度要大于烟道直径+烟机出口烟气压力/g。

水封罐的直径取决于烟道直径，水封罐内筒直径一般取烟道直径，为了降低水封罐对烟气的阻力，水封罐外筒截圆面积一般取大于2.5倍的烟道截面积。

烟气水封罐和火炬设施内的瓦斯水封罐不同，火炬设施内的瓦斯水封罐起到阻火器的作用，水封高度较低，一般视瓦斯压力取400-600 mm水柱。瓦斯一般冲破水封。烟气水封罐和瓦斯水封罐运行原理不同。烟气水封罐一般成对出现，并设置到并联的两条烟道上，起到切换烟道的作用。

烟气水封罐投用时，大水封不注水，烟气通道通畅，烟气可以正常通过水封罐。为了防止烟气泄漏，投用小水封封住烟气。

烟气水封罐关闭时，大水封里注水，由于水封水柱高度大于烟气静压，烟气无法通过水封罐，相当于一个不漏的阀门。水通过大水封溢流口流入小水封，小水封内水的高度与大水封平齐时，就会从小水封流出，表明大水封水已满。烟气水封溢流线必须长流水才能保证水封有效。用大的溢流口溢流水量大，比较浪费，所以设小水封，封住大溢流口，水封罐内水从大溢流口进入小水封后，从小水封溢流口长流水，保证水封罐满液位。

水封罐水封用水没有什么特殊要求，一般使用循环水或新鲜水均可。

二、水封罐安装形式

水封罐基本分为落地式和悬挂式。不论哪种形式，只有上进侧出、侧进上出两种不同的安装形式。不同的安装形式所起到的作用也是不同的。

余锅前后设水封罐的目的是为了切断烟气进余锅管路，防止烟气窜入余锅。一般在余锅检修阶段。采用侧进上出可以增大烟气进入余锅的阻力。因为烟气要把整个水封罐的水全部由上出口顶出才能进入余锅。一般烟气水封罐外环截面积比内圆面积大，所以一般来说需要很高的烟气压力。但是采用侧进上出方式，高温烟气将会对烟气内筒造成冲刷，在炼油厂使用过程中发现容易造成烟道内筒腐蚀穿孔，造成水封罐损坏。所以目前侧进上出的方式已经不再使用了，而是使用上进侧出的方式。

而旁路水封罐，其作用是在余锅投用时切断烟气至烟囱的通道。在烟道压力突然上升时，例如余锅入口蝶阀突然关闭。此时烟气可以冲破水封释放压力，防止再生器超压引起主风机喘振。此时水封起到的是安全阀的作用。所以采用上进下出的形式。水封罐的水柱高度就是设计的烟道最高压力。

三、水封罐的设置和运行

1.无烟气脱硫设施的余锅系统

水封罐一般设置在余锅进口和旁路烟道。因为烟囱内是负压，一般在余锅尾部无须设水封罐，只设烟道挡板即可实现余锅与旁路的切换。如果催化装置内有2台余锅，分别在两台余锅烟气进口和旁路设置水封罐，可实现余锅间的切换。水封罐设置见图2，

（1）余锅正常运行时，关闭余锅旁路水封罐V-103，切断余锅旁路去烟囱的管路。投用余锅前水封罐V-101和V-102，烟气正常通过余锅。

（2）当余锅故障检修时，投用旁路水封罐V-103，关闭余锅前水封罐V-101和V-102，烟气经过旁路直接送至烟囱。

（3）当余锅B故障检修时，关闭V-102，投用余锅A前水封罐V-101。一般由于单台锅炉设计负荷有限，需要催化装置同时降低负荷，或者打开余锅烟气旁路分担部分烟气，这时需要投用余锅旁路水封罐V-103，并调节旁路前蝶阀以调节烟气流量。

图2 不含烟气脱硫设施的烟气水封罐设置

2.烟气脱硫改造后的余锅系统

随着《石油炼制工业污染物排放标准》的第二次征求意见稿的公布，对石油炼制企业的烟气排放要求日益严格，据标准，各石油炼制企业有望到2017年实行新的烟气排放标准，所以目前各地炼油厂的催化裂化和连续重整装置都在进行烟气脱硫脱硝项目改造。

常规烟气的流程是再生器--烟机--水封罐--余锅--烟囱，增加烟气脱硫设施后，烟气流程变成了再生器--烟机--水封罐--余锅--水封罐--烟气脱硫--烟囱，改造后对水封罐的设置增加了复杂性。烟气脱硫设施和余锅系统在工艺流程上为串联，均需要考虑烟气脱硫和余锅的故障和检修，将其从烟道切除。图3以两台余锅带烟气脱硫为例，单台余锅带烟气脱硫的参考本例。

图3 含烟气脱硫设施的烟气水封罐设置

（1）两台锅炉正常运行时，关闭余锅旁路和余锅尾部去烟囱的水封罐V-102和V-104。其他水封罐投用，烟气正常通过两台余锅。

（2）当烟气脱硫设施故障检修时，投用余锅尾部的水封罐V-104，烟气排向烟囱。关闭余锅尾部的水封罐V-103和V-106，切断去烟气脱硫设施的烟道。

（3）当余锅B检修时，关闭余锅B前后水封罐V-105、V-106和前蝶阀，切断进入余锅B的烟气和防止余锅B尾部烟气反串。投用余锅旁路水封罐V-102，并调节蝶阀分担部分烟气直接进入烟囱。

（4）当余锅和烟气脱硫同时故障检修时，投用烟气旁路水封罐V-102，关闭其他水封罐，再生烟气经过旁路直接送至烟囱。

四、烟气水封罐的失效

烟气水封罐运行稳定，但是也要预防运行过程中水封罐的失效，失效形式就是水封被击穿造成烟气泄漏。正常能发生击穿的只有余锅旁路水封罐。如果余锅旁路蝶阀不关闭的话，此水封能起到安全阀的作用。在余锅入口蝶阀、出口挡板突然出现故障关闭时。烟气可以击穿旁路水封，泄放烟气。避免再生器超压，主风机喘振逆流的发生。在紧急情况下是要求它能够发生击穿的。

余锅入口水封由于有入口蝶阀的作用不会发生击穿现象。它的设置是避免检修时，入口蝶阀不严而泄漏烟气的。余锅尾部去烟气脱硫设施的水封罐的操作压力比余锅前水封罐压力低，更不会被击穿。

余锅出口水封后是烟囱，一般情况下是负压，发生击穿可能很小。

水封罐投用时应撤大水封，建立小水封，此时水封罐只是作为烟气通道，水封罐运行时间长了可能会出现小水封烟气外泄，小水封的内插管被烟气中的二氧化硫腐蚀，导致小水封水柱高度不够，烟气从小水封泄漏。 若小水封故障造成泄漏烟气，可在小水封排地漏出口管加一阀门，关闭阀门即可防止烟气外泄，待停工检修时修复。但水封在压力超出范围后可以击穿的，阀门是无法做到的。从安全角度考虑，水封安全，可以保护设备。

结论

水封罐虽然是催化裂化装置中的一个辅助设备，但是水封罐的正确设置和运行对于催化裂化装置的安全稳定运行起着关键的作用。在催化裂化装置的设计和运行阶段都必须清楚的认识到水封罐的重要性。

[1]杨青祁鲁海催化裂化烟气轮机入口管道的设计化工设计 2004,14（3）.

[2]程高峰，王伟，曹俊，周云博。低压降水封阀的开发和应用石油化工设备技术201132（4）17.