激光颗粒分析仪在催化裂解（DCC）中的应用和维护

李传真 邹丽

摘 要：使用激光颗粒分析仪在线测量三旋入口、烟机入口管道中催化剂颗粒粒度、浓度的分布及变化趋势，能够准确地测定出三旋的分离效率，有效地保证烟气轮机在合适的工况下运行，延长烟气轮机的使用寿命。从激光颗粒分析仪的原理入手，阐述了其在催化裂解（DCC）装置中的系统组成、日常维护和常见故障排除。

关 键 词：激光颗粒分析仪；梅氏散射；在线监测；烟气

中图分类号：O 657 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）04-0816-03

Abstract： The laser particle analyzer is used to measure catalyst particle concentration， particle size and change trend at the inlet of three-stage cyclone separator and flue gas turbine， the separation efficiency of cyclone separator is accurately determined to effectively ensure the flue gas turbine running under normal operating conditions， extending the life of the turbine. In this paper， the principle of laser particle analyzer was introduced； system components， routine maintenance and common troubleshooting in the catalytic cracking were discussed.

Key words： Laser particle analyzer；Mie scattering；Online monitoring；Flue gas

引言：烟气轮机是催化裂解装置的关键设备，烟气轮机能否在正常工况下运行，直接关系到催化和下游装置的能耗和效益。而烟气轮机的运行寿命与高温烟气中所含催化剂的粒度和浓度有直接关系。进入烟气轮机的烟气，其催化剂粉尘浓度应降至200 mg/Nm3以下（其中大于10μm的颗粒应小于3%）。[1]在线监测烟气管道中催化剂的粒度和浓度，对保证烟气轮机的正常运转将起到重要作用。在重油制取低碳烯烃的深度催化裂解（DCC）中，再生烟气温度常年高达680 ℃以上，过高的烟气温度更应对烟机叶片的保护予以足够重视。良好的烟气监测效果能够有效地判定三旋的工况是否正常，催化剂投放是否均匀，优化操作工艺，并保证烟机在正常工况下运行，延长烟机的使用寿命。

目前国内外对催化剂颗粒进行监测的手段分为离线监测和在线监测两种形式。离线监测就是采样工在现场进行动态多点间歇性采样，然后取到化验室在分析仪上进行分析，由于采样环境温度高，样品到化验室过程时间较长，不能适应现代技术发展与生产的要求。在线监测为现场管线连续性监测，直接测出高温烟气中催化剂的浓度和粒度，采用通讯方式在中控室内任意查阅、调用当前或历史粒度和浓度的变化趋势和分布状态。无预处理系统、无尾气排放、无需采样、测量精度高、响应速度快、可靠性高，即为再生烟气分析提供了最佳解决方案，也为催化单元关键设备的安全、平稳、长周期、满负荷生产提供夯实保障。

1 测量原理

当光束照到被认为是球型物体的颗粒上时，会产生光的散射及光的吸收。对于某个颗粒体来说，如不存在多次散射，则散射光与颗粒大小和颗粒浓度有关，这就是著名的梅氏散射理论（Mie，1908）。随着激光光谱吸收技术和计算机应用技术的发展，符合梅氏散射理论条件的烟气管线中的催化剂颗粒场，即可通过基于梅氏理论设计开发的激光监测系统实时在线监测。当一束平行光打在一个颗粒上时，一部分光被散射，一部分光被吸收。因此颗粒与两个测量截面——吸收截面和散射截面有关。每一个理论上的截面将从原光束中分出一部分光。通过计算散射光与吸收光的比例，作为与两个截面有关的信号，就能估算出颗粒的体积或平均直径[2]；如同烟气气流中的情形一样，同时包含许多颗粒，颗粒的总体积或平均浓度就可以被确定。

对测量环境无害的激光器，最适用于监测气流中的高温催化剂颗粒。由于激光是相干单色光，所以很低能量也可在相对长距离上集中在狭小的光束中，而氦氖激光器（HN-L）辐射的光波单色性最好，光束直径为0.83 mm，发射功率为4 mW，光束发散角小于1 mrad。

2催化剂颗粒激光在线监测系统的组成

2.1 系统组成

催化激光颗粒分析仪在线监测系统包括发射单元、接受单元、信号处理单元、工控机单元和吹扫系统[3]。工控机放置于现场机柜室内，其余单元置于现场检测平台处。此系统具有完备的检测、信号处理、数据处理、报警、记录及打印等功能，其系统构成如图1所示。

2.2 系统光路、气路组成

在实际应用时，为了保证激光通路的通畅，一般采取的方法是分光镜、滤光片、石英玻璃、透镜组等镀膜。同时，为了尽量减小激光能量的损失，使石英玻璃和烟气接触面不损耗光能量，常采用净化干燥的仪表风作吹扫风。吹扫系统是使系统工作正常状态的保证，但生产波动、温差大、开停工、长周期运行过程中仍会积攒一定量的灰尘或水汽从而影响系统监测精度。所以在维护过程中，应定期检查工控机内接收光能的指标，如发现在接收光能不断下降而测试浓度不变的情况下，通常意味着发生了积灰，应在方便的时候擦去积攒在石英玻璃上的灰尘。

每次进行积灰处理后，应检查仪表风的压力是否偏低，流量是否合适。流量偏低会导致经常性地积灰，流量过大又会影响激光光束的稳定性。吹扫空气中如含有水汽会使石英玻璃表面湿润，从而导致催化剂颗粒易吸附在玻璃表面。所以仪表风对保持石英玻璃窗口和电子组件正常工作起着至关重要的作用（图2）。

3 测量误差分析及常见故障处理

鉴别催化剂颗粒的浓度及粒度，是因为激光具有单色性，相干性的优越性能，同时它仍具有光的一般特性，利用激光通过烟气是能量的衰减及能量的发射，通过定量计算而定性及定量给出期望的结果。一般来说，误差产生的原因主要有以下两种[4]：

其中之一便是石英玻璃及吹扫风，吹扫风要求是净化干燥的仪表风，风压在保证流量的前提下一般是0.3～0.4 MPa；石英玻璃污染对激光透过光能及散光光能产生很大的影响，从而影响对计算浓度等的精确性.

其二便是对中。由于激光发射装置及接收装置及接收装置处于烟气管道上，长期经受震动，热胀冷缩，天睛下雨许多因素的影响，对中就成了一个比较重要的问题。激光颗粒分析仪的发射端和接收端必须要求在同一水平线上，表1为激光分析仪常见故障、原因及处理方法，仅供参考。

4 结束语

烟气轮机的叶片在受到烟气中催化剂颗粒的磨损时，磨损小则影响烟气轮机运行的平衡性，导致机组振动值增大。磨损大时，将损坏烟机叶片，造成设备损失。烟机一旦出问题，装置能耗将大幅增加造成不必要的经济损失，合理使用在线激光颗粒分析仪，能够有效地保证烟轮机在正常的工况下运行，通过监测烟气管道中颗粒浓度和浓度变化趋势，延长烟机的使用寿命。

此外，激光颗粒分析仪通过比较三旋进、出口烟气管道中的颗粒浓度和粒度大小分布数据及其变化趋势，能够精确地测定三旋的分离效率，并判定三旋设备的运行情况和趋势。如果通过浓度比较、计算出的三旋分离效率出现过大偏离设计值的现象，应及时进行分析或考虑维修和更新设备。

同时，通过分析比较三旋进、出口的颗粒浓度变化趋势，可判断是三旋设备本身的性能故障，还是前道工序设备性能的故障，并由此可实现生产工艺控制和准确的设备故障检测。

参考文献：

[1] 刘英聚，张韩.催化裂化装置操作指南[M]. 中国石化出版社，2005：131.

[2]赵娟竹.激光颗粒分析仪的应用[J]. 石油化工自动化，2012（10）：67.

[3]王晓娟，李宏，李心义，黄元忠. 催化剂颗粒激光在线监测分析系统的研制[J].使用化工自动化，1999（3）：28.

[4]王森，董镇.郭肇新，程立. 在线分析仪器手册[M]. 北京：化学工业出版社，2008：82-90.