CN101007297A - 用于能量回收的装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了第三级分离器(50)，其包括两个主清洁气体出口。一个主清洁气体出口(80)与能量回收单元(94)如透平膨胀机连通，而第二主清洁气体出口(82)与旁路通过透平膨胀机的管道(110)连通。本发明避免使用额外的装置、工程和安装劳动，这些额外的装置、工程和安装劳动是防止旁路管道在通向能量回收单元的管线上产生力负荷所需要的。

Description

用于能量回收的装置和方法

发明背景

本发明涉及用于从载有固体的气流中回收能量的新装置。本发明的一个应用涉及用于从流化催化裂化(FCC)单元的热再生器烟气中除去催化剂细粒的第三级分离器(TSS)容器，其后接着能量回收单元。在许多精炼厂中，FCC技术还是汽油生产的主要来源。这种汽油以及更轻的制品，是通过裂化较重(即较高分子量)、价值较低的烃原料如瓦斯油而形成的。

FCC方法包括与再生器密切结合的反应器，其后接着下游烃制品分离。烃进料在所述反应器中与催化剂接触以使所述烃裂化为更小分子量的制品。在此过程中，催化剂往往在其上积累焦炭，所述焦炭在再生器中烧尽。

所述再生器中的燃烧热通常产生温度为718～760℃(1325～1400)的烟气和138～276kPa(20～40psig)的压力。虽然压力相对低，但是来自所述再生器的极高温度的大量烟气包含足够的动能以保证经济的回收。为了从烟气流中回收能量，可将烟气进料和供入能量回收透平膨胀机(expanderturbine)的叶片。所述烟气的动能被传递至转子，该转子或者与再生器鼓风机连接从而为该再生器产生助燃空气，和/或该转子与发电机连接从而产生电能。由于通过透平膨胀机的138～207kPa(20～30psi)的压降，烟气以大约125～167℃(225～300)的温度降排出。所述烟气可以进入蒸汽发生器用于进一步回收。

能量回收系列可包括透平膨胀机、发电机、发生器、齿轮减速机和减速蒸气透平机(let-down steam turbine)。所述透平膨胀机可连接到主鼓风机轴上，从而为FCC再生器的鼓风机提供动力。透平膨胀机是单级机器。透平膨胀机的叶片以非常高的速度旋转，该速度使得必须采取措施以防止叶片受到物理损坏。

FCC方法的一个主要区别特征是连续流化和平均粒径为50～100微米的大量催化剂的循环，所述催化剂与非常细的砂砾的尺寸和外观相当。对于所制备的每吨裂化制品，需要大约5吨催化剂，因此需要大量循环。持续的挑战之处是循环这种大催化剂藏量并同时防止其从所述反应器/再生器系统排出进入流出料流中。

催化剂颗粒会引起透平膨胀机叶片的腐蚀，从而导致能量回收效率的损失。此外，尽管催化剂细粒，即尺寸小于10μm的颗粒，不会显著地腐蚀透平膨胀机叶片，但是它们仍然积累在叶片和壳体上。叶片积累会导致叶尖腐蚀，壳体积累会增加叶尖摩擦透平膨胀机壳体的可能性，这会导致膨胀机轴的高度振动。

在所述反应器和再生器内部使用旋风分离器可提供99％以上的固体催化剂的分离效率。通常，所述再生器包括第一级和第二级(或初级和次级)分离器用于防止再生器烟气的催化剂污染，这种催化剂污染是由催化剂焦炭在空气中燃烧引起的。虽然一般尺寸的催化剂颗粒可在内部再生器旋风分离器中被有效地除去，但是微粒物质(通常是小于50微米的催化剂碎片，其是由于反应器/再生器中的磨损和腐蚀导致的)实质上更难分离。因此，FCC烟气通常包含200～1000mg/Nm³的颗粒浓度。所述固体含量可能会损害能量回收透平膨胀机。

寻求FCC烟气细粒负载的进一步降低，这种降低可以由TSS获得。TSS中的术语“第三”是由于在TSS入口的上游通常存在第一级旋风分离器和第二级旋风分离器，但实际上并不限制在TSS容器上游所使用的分离器装置的数量。TSS引起载有颗粒的气流的向心加速以迫使较高密度的固体到达旋转涡流的外边缘。为了有效操作，用于FCC烟气流出物的旋风分离器通常包含许多(可能是100个)小的、单独的、安装在单个容器中的圆柱形旋风分离器机体充当歧管。固定在旋风分离器的上端和/或下端的至少一个管板用于将被污染的气体分配到旋风分离器入口，还用于将容器中的区域分割成收集被分离的气体相和固体相的部分。

气体传输装置的适当设计对于保护所述能量回收系统、尤其是膨胀机的叶片非常重要。冷壁管包括在金属管道内侧的耐火衬里，以使管道与其中携带的热气体隔离，从而最大限度地减少热膨胀。由于考虑到进入透平膨胀机并损害叶片的耐火衬里散裂，在TSS容器和透平膨胀机入口之间通常不规定冷壁管。可由不锈钢制成的热壁管在没有耐火衬里的情况下膨胀度超过冷壁管5倍。与热壁管系统相关的大的热膨胀会导致显著更高的管负荷，所述管负荷必须适应管组件和装备的设计。这总是会导致增加的用于支撑和安装的成本。此外，可能不允许透平膨胀机的转子超过最大速度，否则叶片会与转子分离。

TSS容器通常仅具有一个主清洁气体出口，其与TSS容器中相应的旋风分离器的多个主清洁气体主出口连通，如US-A-5690709和US-A-5779746所示。GB2 077 631A示出了TSS容器的顶部半球形头中的两个清洁气体出口。这种差别表明所述清洁气体出口可被连接到能量回收透平机上。

发明概述

能量回收单元，其通常是透平膨胀机，用于从热的、加压的气流中回收能量，在需要时为其它装置提供额外的能量，如鼓风机轴或发电机，或者这两者。如果能量回收单元产生比其它装置所需要的更多能量，那么该机器可用作发生器，并将能量供应到精炼厂能量格栅(energy grid)中。将能量供应到精炼厂能量格栅中用作制动机构和提供一定的超速保护。如果电断路器与能量格栅切断连接，可能需要快速起作用的超速阀和能量回收单元周围的旁路管道或管线以迅速转移透平膨胀机周围的烟气，从而限制透平膨胀机的旋转速度。另外，通过旁路管道转移透平膨胀机周围的一部分烟气对于控制上游催化剂再生器中的压力可能是必要的。但是，当旁路阀打开时，热烟气的流动将导致热壁管迅速加热以及热膨胀。产生的管膨胀将在透平膨胀机入口管线上施加大量力负荷和旋转力矩。透平膨胀机入口上的负荷和力矩必须相对小，以保证透平膨胀机的外套不变形，这种变形会促使叶片刷与外壳的内表面轻擦。将需要额外的装置、工程设计和建造安装劳动以保证旁路管道的膨胀不转化为透平膨胀机入口管线上的超过喷嘴负荷极限的负荷。

本发明是一种用于从被污染的气流中分离颗粒固体和从被污染的气流中回收能量的系统，该气流通常是来自催化剂再生容器的热烟气流。TSS容器具有用于接收载有固体的气体的主入口。TSS容器中的许多旋风分离器将所述固体从该气体中分离。TSS容器的固体出口将固体从TSS容器中放出，以及两个主清洁气体出口将清洁气体从TSS容器中移出。TSS容器可具有将TSS容器的入口与TSS容器的出口分开的管板。在一个实施方案中，所述两个主清洁气体出口在管板下方从TSS容器伸出。TSS容器的第一主清洁气体出口将清洁气体传输至能量回收单元。TSS容器的第二主清洁气体出口通过旁路管道传输，该旁路管道旁路通过所述能量回收单元并与来自所述能量回收单元的流出清洁气体混合。

如果主清洁气体管道中的清洁气体的实际流动体积超过能量回收单元额定的水平，那么所述旁路清洁气体管道中的阀就开启至相应的程度，因此一部分正被导向能量回收单元的清洁气体可以被重新导向以旁路通过该能量回收单元，并保持FCC再生器的合适的压力控制以及避免对能量回收膨胀机的机械损害。所述旁路清洁气体管道固定在TSS容器上，而不是固定在通向能量回收单元的主清洁气体管道上，因此，旁路清洁气体管道与热气体的突然接触和其伴随的迅速热膨胀将不会突然在能量回收单元上施加超过允许范围的负荷或力矩。因此，消除这种影响所必需的设备、工程和安装劳动是不必要的。此外，由于所述旁路清洁气体管道不与通向所述能量回收单元的管道连接，由此所述旁路清洁气体管道可以以绝缘耐火材料作衬里，以最大限度地减小其热膨胀而不必担心散裂的耐火材料会损害所述能量回收单元。

因此，本发明的目的是提供TSS容器，其具有供料至能量回收单元的第一主清洁气体出口和供料至旁路通过所述能量回收单元的旁路管道的第二主清洁气体出口。

附图简述

图1是本发明系统的示意图。

图2是本发明TSS容器的示意图。

图3是图2TSS容器的替换方案的示意图。

发明详述

本发明适用于广泛的被固体污染的气流的纯化，尤其是包含1～20μm尘粒的那些。许多商业气体纯化操作符合这一描述，包括处理固体催化剂流化床工艺的流出料流、燃烧煤的加热器和发电厂。若干公知的精炼厂操作依赖于流化床技术，如将甲醇转化为轻质烯烃的方法的优选实施方案，如US-A-6137022中所述，其中使用固体催化剂组合物。另一特别感兴趣的领域是包含夹带的催化剂颗粒的FCC流出料流的纯化，该催化剂颗粒是在所述反应器中的工艺条件下由摩擦、腐蚀和/或磨损引起的。

如上所述，流化催化裂化(FCC)是公知的在生产汽油的大部分情况中依赖的炼油厂操作。工艺变量通常包括400～600℃的裂化反应温度和500～900℃的催化剂再生温度。裂化和再生都在低于5个大气压的绝对压力下进行。图1表示现有技术的一个典型FCC工艺单元，其中管线12中的重质烃原料或原油与从再生催化剂竖管14进入的新再生的催化剂接触。这种接触可在狭窄的反应器管道16中进行，其被称为反应器提升管，向上延伸至反应器容器10的底部。原料和催化剂的接触通过来自流化管线8的气体流化。来自催化剂的热量使得所述油蒸发，随后当将两者均沿着反应器管道16向上传输至反应器容器10自身中时该油在所述催化剂的存在下裂化，反应器容器10在稍低于反应器管道16的压力下操作。随后使用第一级内部反应器旋风分离器18和第二级内部反应器旋风分离器(未示出)，将裂化的轻质烃产物与所述催化剂分离，并通过管线22将其排出反应器容器10至随后的分级操作。在反应器容器10中可以使用更多或更少的旋风分离器。在这一点上，反应器管道16中发生的一些不可避免的副反应使得在所述催化剂上留下有害的会降低催化剂活性的焦炭沉积物。因此该催化剂被认为失效(或至少部分失效)，并且需要再生以进一步使用。失效的催化剂在与所述烃产物分离之后落入气提段24中，其中通过喷嘴26喷射蒸汽以清洗任何残留的烃蒸气。气提操作之后，通过失效催化剂竖管32将失效催化剂供至催化剂再生容器30。

图1描述了称为燃烧器的再生容器30。但是，其它类型的再生容器也是合适的。在催化剂再生容器30中，通过空气分配器28引入空气流以与所述失效催化剂接触，燃烧其上沉积的焦炭，并提供再生的催化剂。所述催化剂再生方法为所述催化剂增加大量的热，从而提供能量以抵消在反应器管道16中发生的吸热裂化反应。在管线36中加入一些新鲜的催化剂至催化剂再生容器30的底部，以补充作为微细物质或夹带的颗粒排出反应容器10的催化剂。催化剂和空气沿着位于催化剂再生容器30中的燃烧器提升管38一起向上流动，在再生(即焦炭燃烧)后，通过料斗(disengager)40排放对它们进行初始分离，料斗40也位于催化剂再生容器30中。使用催化剂再生容器30中的第一级旋风分离器44和第二级旋风分离器46实现对排出料斗40的再生催化剂和烟气的更细分离。在再生容器30中可以使用更多或更少的旋风分离器。烟气通过入口44a进入第一级旋风分离器44。与烟气分离的催化剂通过料腿44b放出，同时催化剂含量相对较少的烟气通过管道46a进入第二级旋风分离器46中。在第二级旋风分离器46中与烟气分离的另外的催化剂通过料腿46b排入催化剂再生容器30中，同时固体含量相对更少的烟气通过出口管46c排出第二级旋风分离器46。通过再生催化剂竖管14将再生的催化剂循环返回至反应容器10。由于焦炭燃烧，因此在催化剂再生容器30顶部于喷嘴42中排出的烟气蒸气包含CO、CO₂和H₂O，以及较少量的其它物种。虽然第一级旋风分离器44和第二级旋风分离器46可从喷嘴42中的烟气中除去大部分的再生催化剂，但是主要由磨损产生的催化剂细粒会不可避免地污染此流出料流。因此被细粒污染的烟气通常包含200～1000mg/Nm³的颗粒，其中大部分的直径小于50微米。考虑到这种污染程度，以及考虑到环境规定以及从烟气中回收能量的选择，使用TSS容器进一步纯化被相对污染的烟气的动机是重要的。管道48将被污染的烟气供至TSS容器50。

图2显示了可用于本发明的包含许多单独的旋风分离器51的TSS容器50。虽然图2中仅示出了四个旋风分离器51，但是对于不同尺寸的单元可以预计至少10个以及多至200个旋风分离器51。旋风分离器51和TSS容器50不需要包括本文公开的所有细节来应用本发明。TSS容器50通常以耐火材料52作为衬里从而减少金属表面被夹带的催化剂颗粒腐蚀。来自催化剂再生容器30的被细粒污染的烟气，在主污染气体入口54处通过喷嘴53进入TSS容器50的顶部。主污染气体入口54在上管板56的上方，上管板56保持每个圆柱形旋风分离器机体62的顶端58。在一个实施方案中，上管板56至少部分地限定入口室57，限制入口室57与TSS容器50其余部分之间的联系和/或延伸至TSS容器50的整个横截面。非必要的人孔的盖56a提供通过上管板56的通道并有助于上述作用。非必要的扩散器55可将被污染烟气的流动散开至TSS容器50中。然后将被污染的气流分配在旋风分离器的被污染气体入口60中，并与一个或多个邻近入口60的旋涡叶片64相遇以引起所述被颗粒污染的气体的向心加速。旋涡叶片64是圆柱形旋风分离器机体62中的结构，其具有限制进入气体可流动通过的通道的特点，由此加速流动气流。旋涡叶片64还可改变被污染气流的方向以提供通过圆柱形旋风分离器机体62长度的螺线或螺旋状气体流动的形成。赋予气体的这种旋转移动将较高密度的固体相朝圆柱形旋风分离器机体62的壁推动。在一个实施方案中，旋风分离器51包括圆柱形旋风分离器机体62的封闭底端66。在一个实施方案中，圆柱形旋风分离器机体62中的狭槽使得已被抛到圆柱形旋风分离器机体62壁附近的固体颗粒落入处于上管板56和下管板74之间的固体室68中。上管板56和下管板74限制了固体室68与TSS容器50的其余部分之间的联系。在一个实施方案中，上管板56和下管板74至少部分限定了固体室68。下管板74可延伸至TSS容器50内部的整个横截面。然而，固体出口管76使得固体从固体室68通过。在一个实施方案中，固体出口管76从TSS容器50延伸通过由喷嘴83限定的出口84。在一个实施方案中，上管板56和/或下管板74限定了倒圆锥体以便于固体在通向固体出口管76的入口75处从圆锥形下管板74向下顶点排出。沿着圆柱形旋风分离器机体62的中心管线流动的清洁气体通过旋风分离器气体出口管72的入口70。然后将清洁气体通过旋风分离器气体出口管72在下管板74的下方排入清洁气体室78中。在一个实施方案中，下管板74至少部分限定了清洁气体室78，并限制了清洁气体室78与TSS容器50的其余部分、尤其是固体室68之间的联系。然后代表供至TSS容器50的烟气主体的合并清洁气流通过TSS容器50底部附近的第一主清洁气体出口80和第二主清洁气体出口82(如图2中的模型所示)之一排出。两个主清洁气体出口80、82可由第一清洁气体出口喷嘴81和第二清洁气体出口喷嘴83分别限定。第一和第二主清洁气体出口80、82仅与清洁气体室78连通。在一个实施方案中，第一和第二主清洁气体出口80、82在上管板和下管板56、74下方，尤其是在下管板74下方。第一和第二主清洁气体出口喷嘴81、83可从TSS容器50的垂直壁86延伸。在操作过程中盖住TSS容器50的人孔88，在维护和建造过程中允许进入。被分离的颗粒和少量(通常小于被污染烟气的10wt％)底流气体通过TSS容器50底部的单独固体出口84移出。在主清洁气体出口80、82中可安装废物筛网或栅栏(未示出)以阻止散裂耐火材料的通过。

回到图1，排出第一主清洁气体出口80的清洁气体在能量回收入口管线90或通过控制阀92的管道中通过能量回收入口93传输至能量回收单元94。为了说明，清洁气体出口80、82在图1中示出的与图2中的不同。能量回收入口管线90无耐火衬里。在一个实施方案中，能量回收单元94是透平膨胀机。一个典型的透平膨胀机具有外壳96和许多固定在转子(未示出)上的叶片98。当热烟气进入能量回收单元94并在抛物线头锥100上加速时，高速的加压烟气推动叶片98以高速旋转，转动轴102。轴102可通过齿轮箱106连接到发生器104上。烟气通过能量回收出口99排出能量回收单元94。虽然未示出，但是轴102可选地或附加地连接到主鼓风机上，所述主鼓风机将空气泵入催化剂再生容器30中或其它现场的装置中。由能量回收单元94产生的、超过为主鼓风机或其它装置提供动力所需要的能量被转化为供给其中TSS作为组件的设备的能量格栅的电或者可供至另外的能量格栅的电。虽然运转主鼓风机或其它设备以及在发生器104中产生电所需要的能量用来抵抗叶片98的过度旋转速度，但是必须采取其它预防措施以保证催化剂再生容器30的适当压力控制和保证膨胀机叶片98不超过最大速度，超过最大速度将导致对能量回收单元94的损害。因此，第二主清洁气体出口82供料至旁路管道110或管线。旁路管道110通过控制阀112并连接从能量回收出口99经过的能量回收出口管道114或管线。合并的烟气出口管线116将管线110、114中的气体运送至大气或进一步加工。来自TSS容器50的清洁气体流出物捕获约100％尺寸大于10微米的颗粒。压力指示控制器(PIC)120连接至能量回收入口管线90上的控制阀92和旁路管道110上的控制阀112。PIC 120将首先给控制阀92发信号以控制催化剂再生容器30中的压力，而旁路管道110中的控制阀112将关闭。但是，如果控制阀92完全打开以降低催化剂再生容器30中的压力，可由来自PIC120的信号以合适的量打开旁路管道110中的控制阀112，以保证能量回收入口管线90中的动能不会导致能量回收单元94超过其允许的额定值。

在固体出口84中从TSS容器50取出的固体可任选地由管线122供至第四级分离器(未示出)，以进一步从催化剂中除去底流气体和在失效催化剂储料器中收集所述催化剂和/或底流气体可被供至其它类型的附加加工工艺。

本发明的构造允许旁路管道110为耐火材料衬里的，冷壁管线在入口端直接连接到TSS容器50上的第二主清洁气体出口82。从固定基底TSS容器50到能量回收单元94的入口93的管线设计成为非常优质的设计。施加于能量回收单元94的入口上的短暂负荷得以消除，该负荷与间歇地将热烟气旁路通过旁路管道110相关。旁路管道110变为更加短的冷壁设计，从而降低整体投资成本。第一主清洁气体出口80通过能量回收入口管线90和控制阀92与能量回收单元94的能量回收入口93保持上游流体连通。第二主清洁气体出口82不与能量回收单元94下游连通，而与能量回收出口管道114上游流体连通。能量回收入口93通过能量回收入口管线90和控制阀92与第一主清洁气体出口80下游流体连通，能量回收出口99通过旁路管道110、控制阀112和能量回收出口管道114与第二主清洁气体出口82下游流体连通。换句话说，能量回收入口93接收至少一部分来自第一主清洁气体出口80的清洁气体流出物，但是不接收来自第二主清洁气体出口82的清洁气体流出物。此外，烟气出口管线116通过能量回收出口99接收来自第二主清洁气体出口82的清洁气体流出物和来自第一主清洁气体出口80的清洁气体流出物。旁路管道110和能量回收出口管道114结合在一起以将这两种流出物供至烟气出口管线116。

图3显示了如图2所示的TSS容器50’，但是具有不同的主清洁气体出口和固体出口构造。图3中的所有参考数字与图2中的相同，除非由图3中的参考数字表示的元件与图2中的构造不同。图3示出了从TSS容器50’的底部延伸的第二主清洁气体出口82’，代替图2中模型所示的在TSS容器50的垂直壁86中的第二主清洁气体出口82。从下管板74延伸的固体出口管76’延伸通过由喷嘴83’限定的第二主清洁气体出口82’，然后从能量回收入口管线90’分岔。这种构造提供了将TSS容器50’结合到特定流程图中的灵活性。在TSS容器50’底部的第二主清洁气体出口82’可与旁路管道110或能量回收入口管线90’上游流体连通。此外，当仅有一个主清洁气体出口82’从TSS容器50’延伸时，可使用图3中的构造，其可省略图3所示的第一主清洁气体出口80。

虽然图中未示出，但是还考虑到两个主清洁气体出口可延伸通过或被包含在TSS容器的相同喷嘴中。

Claims (10)

1、用于从被污染的气流中分离颗粒固体的系统，所述系统包括：

分离器容器(50)，其具有主污染气体入口(54)、固体出口(84)以及第一主清洁气体出口(80)和第二主清洁气体出口(82)；和

能量回收单元(94)，其具有单元入口(93)和单元出口(99)，所述第一主清洁气体出口(80)与所述的单元入口连通，所述第二主清洁气体出口(82)不与所述能量回收单元连通。

2、权利要求1的系统，其特征在于所述第二主清洁气体出口(82)与所述的单元出口下游连通。

3、权利要求1和2的系统，其特征在于所述第二主清洁气体出口与旁路通过所述能量回收装置的旁路管道(110)连通。

4、权利要求3的系统，其特征在于所述旁路管道(110)具有带耐火衬里的内壁。

5、权利要求1～4的系统，其特征在于所述容器包括多个旋风分离器(51)，每个旋风分离器包括与所述主污染气体入口(54)连通的旋风分离器污染气体入口(60)、旋风分离器清洁气体出口(72)和旋风分离器固体出口，以及在所述容器中包围至少一些所述多个旋风分离器的管板(56)。

6、权利要求1～5的系统，其特征在于所述主污染气体入口(54)与催化剂再生容器(30)连通。

7、权利要求6的系统，其特征在于所述催化剂再生容器(30)具有两个与所述主污染气体入口(54)连通的串连的旋风分离器(44，46)。

8、权利要求5～7的系统，其特征在于所述容器包括另外的管板(74)。

9、权利要求5～8的系统，其特征在于所述旋风分离器包括具有封闭底端(66)和顶端(58)的机体(62)，该机体限定所述旋风分离器污染气体入口(60)位于所述顶端，其进料气体入口在管板(56)上方延伸，旋风分离器机体还限定具有排放口的侧壁，该排放口位于管板(56)和另外的管板(74)之间用于排放颗粒固体和少量底流气流。

10、权利要求1～9的系统，其特征在于所述固体出口(84)和第一主清洁气体出口(80)或第二主清洁气体出口(82)延伸通过分离器容器(50)的相同喷嘴(83’)。

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