BSX型第三级旋风分离器在催化裂化装置改造中的应用

江盛阳

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

我国提出了“力争2030年前实现碳达峰、在2060年前实现碳中和”的重大战略决策，而石化产业作为国民经济的支柱产业，是关系国计民生的基础性、战略性产业，也是高耗能、高排放的产业，石化行业节能降耗是实现“双碳”目标的重要方式之一。催化裂化是炼油工业中最重要的二次加工装置之一，烟气轮机又是催化裂化装置的核心设备和节能效果最明显的大型机组，其运行情况不但影响到催化裂化装置的加工能力和长周期运行，更是直接关系着整个催化裂化装置的能耗水平，因此，提高烟气轮机在线率和效率对于降低装置能耗起着关键作用。

烟气轮机进口烟气中的催化剂浓度和粒径分布是影响烟气轮机在线率的关键因素，高温烟气中催化剂浓度越高、催化剂颗粒越大，越容易损坏烟气轮机，进而影响催化裂化装置的综合能耗。中华人民共和国化工行业标准《烟气轮机技术条件》(HG/T 3650—2012)明确要求，进入烟气轮机烟气催化剂的浓度≯200 mg/m3，其中直径>10 μm的颗粒质量不超过总质量的3%。为满足此要求，需要在烟气进入烟气轮机前设置第三级旋风分离器。

1 三旋研究进展

三旋是催化裂化装置的关键设备之一。我国自上世纪70年代开始开展三旋的研究，经历了引进、消化吸收和自主研发的过程，先后开发了EPVC、PDC、PSC、PST、VAS和PT等各种类型的单管，形成了各种具有独自特点和自主知识产权的多管式三旋技术，对催化裂化装置长周期安全平稳运行和节能降耗起到了重要作用【1】。目前工业运行的多管式三旋包括多管立式三旋(见图1)和多管卧式三旋(见图2)。从设备制造、现场施工、应用效果和投资概算等因素综合考虑，多管立式三旋主要适用于处理量较小的催化裂化装置，而多管卧式三旋主要适用于处理量较大的催化裂化装置。

图1 多管立式三旋结构示意

图2 多管卧式三旋结构示意

经过数10年的发展，我国多管式三旋的单管分离效率已经达到了比较先进的水平，但在三旋整体效率、抗返混能力、抗处理量波动性、使用寿命、长周期平稳性、对催化剂粉碎性等方面仍存在问题。从工业应用情况来看，主要存在如下问题：1)再生烟气分配不均匀，易窜气、返混、结垢；2)单管结构复杂，制造安装较困难，且不易维修；3)排气管与进气口在同侧，使导向叶片和排气管的尺寸设计相互限制，不利于三旋整体的均匀布气【2】。

21世纪以来，我国催化裂化技术蓬勃发展，催化裂化装置规模大型化、超大型化趋势日益明显，原料劣质化、重质化程度加剧，再生烧焦温度也逐步提高，三旋操作变得更加不稳定，多管式三旋已无法满足大型催化裂化装置长周期安全平稳运行和环保的需求。为适应装置大型化发展并解决多管式三旋存在的问题，中国石化工程建设有限公司(SEI)开发了大单管式(BSX)三旋(结构见图3)。BSX型三旋属于国内首创，整体达到了国际先进水平，该技术于2007年6月通过中国石油化工集团有限公司鉴定，并在中国石化海南炼油化工有限公司280万t/a催化裂化装置首次成功应用，标定结果表明，三旋出口烟气中催化剂浓度远低于120 mg/m3，粒径>6 μm的细粉基本除净【3】。BSX型三旋的成功开发，极大地推动了我国三旋领域技术的新进展，使催化裂化能量回收领域的气固分离技术迈向了一个新高度。该型三旋目前已在荆门、天津、惠州、大榭、龙油、齐鲁、金山等数10个大型催化裂化(裂解)装置成功应用，并取得了良好效果，同时还出口到伊朗，应用于ARAK炼油厂493万t/a催化裂化装置中。

图3 大单管式(BSX)三旋结构示意

2 BSX型三旋应用背景

某炼油厂蜡油催化裂化装置原设计处理量100万 t/a，于1987年建成投产。原设计三旋为多管立式三旋，设有64根PST-250型分离单管，左、右旋各32根，分3圈布置，其中，最外圈为30根，中圈为20根，最内圈为14根。自2005年5月更换分离单管以来，存在分离单管堵塞、 单管筒锥过渡段磨穿、 单管不同心及导流锥变形等问题， 导致三旋结垢， 分离效率明显降低， 烟气轮机进口烟气中催化剂浓度及粒径>10 μm催化剂颗粒浓度多次超标(见表1)， 给装置安全稳定长周期运行带来隐患， 通过提高单管进口线速、 增加三旋下泄烟气量、 改变催化剂种类等手段仍无法解决此问题。

表1 多管立式三旋运行情况

三旋的不正常运行，容易导致烟气轮机进口烟气粉尘含量超标，进而引起烟气轮机振动超标，为此该炼油厂在2021年蜡油催化裂化装置检修期间，将原设计多管立式三旋更换为BSX型三旋(SEI专利)，并更新四旋及细粉收集罐、临界流速喷嘴。BSX型三旋具有设备结构简单、便于施工和检修、设备整体分离效率比多管式三旋高等特点，不仅在大型催化裂化装置中取得了良好的应用效果，在中小型催化裂化装置也逐步取代了多管式三旋，可为烟气轮机的长周期安全运行提供技术保障【4-5】。

3 BSX型三旋设计方案

3.1 基础数据

蜡油催化裂化装置三旋设计基础数据如表2所示。

表2 BSX型三旋设计基础数据

3.2 工艺流程

本次改造将原设计多管立式三旋更换为BSX型三旋，同时更换四旋及催化剂细粉收集罐、临界流速喷嘴和催化剂细粉储罐，改造部分工艺流程见图4。

图4 三旋改造工艺流程

自再生器来的烟气进入三旋，分离出大部分催化剂细粉，使进入烟气轮机的烟气中催化剂浓度降到200 mg/m3以下，>10 μm的催化剂颗粒基本除去，以保证烟气轮机长周期运转。烟气从三旋出来分为两路，一路进烟气轮机膨胀做功，驱动能量回收机组回收烟气压力能和部分热能，另一旁路经双动滑阀放空。三旋底部排出的烟气夹带催化剂细粉进入四旋；四旋将烟气与催化剂细粉进一步分离；分离出的催化剂细粉连续排入细粉收集罐，然后再排入催化剂细粉储罐。烟气从四旋顶排出至放空线，经放空线上设置的临界流速喷嘴接至双动滑阀，最终与烟气轮机出口烟气混合后一起进入余热锅炉回收热量。

3.3 设计参数

BSX型三旋作为SEI专利设备，目前已有φ1 276、φ1 183和φ986 mm等3个系列的分离单管成功应用于工业运行。针对该装置改造，根据操作条件选择φ986 mm分离单管。三旋主要设计参数见表3。

表3 三旋主要设计参数

4 工业应用结果与分析

4.1 催化剂浓度分析结果

采用称重法进行BSX型三旋进、出口烟气中催化剂浓度进行测定，分析结果见表4。

表4 三旋进、出口催化剂浓度分析结果

4.2 催化剂粒度分析结果

利用Malvern Mastersizer 2000粒度分析仪对烟气中催化剂粒度分布进行测试，分析结果如表5所示。

表5 三旋进、出口烟气中催化剂粒度分析结果

4.3 工业运行结果分析

由表4和表5的分析结果可知：BSX型三旋投用后，三旋进口烟气中催化剂浓度为321 mg/m3，出口浓度降到了90 mg/m3，远低于烟气轮机进口催化剂浓度控制指标(200 mg/m3)，三旋出口烟气中粒径>10 μm催化剂浓度为1.52%(w)，低于烟气轮机进口大粒径催化剂浓度控制指标[3.0%(w)]，不会对烟气轮机转子造成异常磨损，有利于烟气轮机长周期安全平稳运行；BSX型三旋的整体分离效率在72%左右，分离性能优异，三旋出口烟气催化剂浓度和大粒径催化剂浓度均低于改造前，说明BSX型三旋的分离效果较原设计多管立式三旋有了显著改善。

5 结论

1) BSX型三旋具有结构简单、整体分离效率高、操作弹性大、稳定性强等优点，适用于不同规模的催化裂化装置。

2)某炼油厂蜡油催化裂化装置采用BSX型三旋替换原设计中的多管立式三旋，取得了良好的效果， 工业运行结果表明：三旋出口烟气中催化剂浓度降到了90 mg/m3，粒径>10 μm催化剂浓度为1.52%(w)，远低于烟气轮机的控制指标。

3) 改造后BSX型三旋整体分离效率72%，分离性能优异，烟气轮机进口烟气催化剂浓度和粒度均处于较低水平，给烟气轮机长周期安全平稳运行提供了较好的保障。