CN101301640A - 一种旋风分离器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气固或液固分离的旋风分离器，其包括升气管、排气口、进气口、直筒段、分离沉降锥段、排尘口、耐磨层，其特点在于分离沉降锥段采用了弯锥结构；弯锥结构的轴线轨迹是圆弧、或椭圆弧，或其他圆滑过渡曲线。本发明主要用于石油化工流化催化裂化装置第四级旋风分离系统废催化剂细粉的分离、回收和排放。这种带弯锥结构的旋风分离器，它的安装高度仅为立式旋风分离器的三分之一，适用于设备安装空间受到限制的装置的设计和改造；同时弯锥型旋风分离器结构较简单，处理风量大，效率高；并且，由于采用了高耐磨性能的衬里材料，这种旋风分离器能在高温下长期使用。

Description

一种旋风分离器及其应用

技术领域

本发明属于一种用于石油化工气固或液固分离的旋风分离领域，更具体地说涉及一种主要用于石油化工流化催化裂化装置的旋风分离器。

背景技术

流化催化裂化装置是炼油和石油化工厂重要的原油二次加工装置，目前我国正在运行的各种规模的流化催化裂化装置多达百余套。流化催化裂化装置既为炼油厂和石油化工厂创造了巨大的经济效益，同时又是一个主要的环境空气污染源。一个100万吨/年加工能力的流化催化裂化装置，从再生器排出的烟气，如果不加以分离回收，排烟粉尘浓度达0.6~1.0g/Nm3，每天将会把2吨左右的5～20μm的细粉送上天空。这些细粉，对环境、对人体都会造成大的危害。随着各国对人类生存环境的日益重视和对环境保护的要求更加严格，对流化催化裂化装置采用新技术，降低烟气的排尘量，提高环境空气的质量，已是一项十分紧迫的工作。

同时，由于流化催化裂化装置原料愈来愈重，成份愈来愈杂，原料中各种重金属含量也越来越高。在反应过程中，这些重金属随着催化剂表面生焦而沉积在焦碳中，即使是完全再生技术，也不可能将这些重金属完全除去。其中有的金属可能会引发癌症，对人体的损害尤为严重。因此，废催化剂细粉的分离、回收十分必要。

上一世纪八十年代，我国重油流化催化裂化装置能量回收技术得到迅速发展。为了保证再生烟气能量回收系统中烟气轮机的正常运行，增设了第三级旋风分离器(简称“三旋”)。能量回收系统流程简图如图6所示：从再生器顶排出的含尘高温再生烟气进入三旋，经分离净化后的烟气先进入烟气轮机(简称“烟机”)发电，再进入余热锅炉回收余热，然后从烟囱排出；排出的细粉与少量下泄气(约占三旋总烟气量的3～5％)一起从三旋底部进入中间细粉罐。此类设计的最初意图是，分离出的细粉在中间细粉罐自由沉降下来，再靠重力流入下面细粉贮罐冷却，装车或排入废催化剂罐中。但由于为满足分离下泄气的要求，临界喷嘴的系统压降很大(约0.2MPa)，喷孔气速高达350m/s以上，因此抽力很大，三旋分离出的细粉在中间细粉罐很难沉降下来又被气流带走。一般说来，中间细粉罐能被沉降下来的催化剂量，仅占装置的10～15％左右，绝大部分细粉仍被临界流速喷嘴随同下泄气一起抽走排入烟囱，三旋仅解决了烟机磨损问题，并没有解决环保要求问题。

近二十年来，我国流化催化裂化装置再生器的旋风分离器和三旋技术都有了很大地提高，三旋净化烟气含尘量可降到0.15～0.2g/Nm3以下，保证了烟气轮机的正常运行。但如图6所示的流程，从装置排入烟囱的烟气含尘量仍在0.5～1.0g/Nm3左右，都远大于国家规定的排放标准。

为此，采取了增设第四级旋风分离器的技术方案。第四级旋风分离器(简称“四旋”)就是用来将三旋下泄气与排出的催化剂分离的设备。分离后的催化剂细粉，经中间细粉罐进入下部的催化剂储罐冷却、装车。净化后的气体由四旋排气口排出，经临界流速喷嘴，排入余热锅炉，可将部分下泄气的热量回收，最后由烟囱排到大气。三旋排尘下泄气量占三旋总气量的3～5％，如果不经四旋处理而直接进入余热锅炉，会加剧锅炉的集灰，降低锅炉的传热效果；如果直接排入烟囱又浪费能源。因此，流化催化裂化装置安装四旋既是一种环保要求，也是节能要求。

现代流化催化裂化装置对四旋的具体要求是：(1)耐高温。能在550～650℃下长期使用。当装置操作不正常时，催化剂的温度会超过700℃。(2)催化剂浓度高。一般为15～30g/m3，因而要求四旋的抗磨性能要强。(3)分离效率要高，能将大于15μm的细粉有效除去，并最大可能地将10～15μm的细粉分离。(4)弹性好。当入口风量和催化剂浓度变化时，要有稳定的分离效率。(5)高温催化剂的排放要安全可靠，催化剂的排放过程不能引起三旋操作系统的波动。(6)结构简单，设备成本低，安装和检修容易，使用寿命要长。

按照对四旋的上述要求，与本发明最相关的现有技术是我国流化催化裂化装置目前采用的独立组合的直筒式四旋系统。如图7所示，这种四旋需在三旋框架之外另立钢架，布局四旋、中间灰斗和贮罐，形成了一个独立的排放系统。其优点是四旋的设置不受三旋底部空间的限制；四旋尺寸便于优化；分离效果较好，而且检修、维护和操作比较方便。其适用于新设计的流化催化裂化装置，特别是在大型流化催化裂化装置中优点比较突出。这种系统的排料不会影响到三旋系统的正常运行，是一种安全、可靠的设计。但这种四旋系统的缺点是：由于需要占据一定的新的地面和空间，对老厂中、小型流化催化裂化装置的改造往往有一定的困难，或者难以进行，而且投资相对比较大。

经检索与本发明相关的现有技术还有：CN2526075Y、CN1066611A、CN2039390U和US5538696A等，但这些专利所涉及的旋风分离器的结构和形状，以及用途都与本发明有实质上的不同。

发明内容

本发明的目的之一就在于通过采用一种新型结构，开发出一种适合流化催化裂化装置的第四级旋风分离器，在装置不进行较大改动的情况下，能安装下这种新型四旋系统。同时要求其投资相对低廉，并且操作可靠，能将装置烟囱排尘浓度降至环保要求的范围之内，能延长装置能量回收排尘系统设备和管道的使用寿命，能减轻装置余热锅炉的集灰和提高传热效果。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：这种用于气固或液固分离的旋风分离器，其包括升气管、排气口、进气口、直筒段、分离沉降锥段、排尘口、耐磨层等，其特点在于分离沉降锥段采用了弯锥结构。

而且分离沉降锥段弯锥结构的轴线轨迹是圆弧、或椭圆弧，或其他圆滑过渡曲线；旋风分离器的气体进口部分采用涡壳结构或者采用直切结构；旋风分离器的内壁面全部采用了高耐磨性能的衬里，或由自蔓延技术制备成陶瓷-金属复合材料，直接焊制而成。这种旋风分离器的直径在300~1500mm范围内，通过优化分离器的结构尺寸，都可达到较高的分离效率，适应于不同规模的工艺气量的要求。

本发明目的之二，是本发明的旋风分离器在石油化工流化催化裂化装置再生烟气能量回收的三旋系统废催化剂细粉的分离、回收和排放中的应用。

采用本发明旋风分离器的优点在于：由于这种弯锥型分离器有较小的安装空间，其安装高度仅为立式旋风分离器的三分之一，这对许多设备安装空间受到限制的老装置改造是非常有利的，而且可以节约大量的改造费用。同时，这种旋风分离器适宜在高气速、大气量下操作，因此结构紧凑，安装配管方便；由于采用了高耐磨性能的衬里，其抗磨性能好，使用寿命长，这种旋风分离器在800℃高温下长期使用，其寿命不低于10年。

仅我国200万吨/年以下的流化催化裂化装置有近百套，在不改变原三旋系统设备、钢架的情况下的有限空间内，便能安装一个这种弯锥型四旋，满足装置分离和排尘的要求。既能降低烟囱排尘量，减轻粉料排尘管道、高温阀门的磨损；又能减轻余热锅炉的集灰，提高传热效果，其应用前景是十分广阔的。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

附图说明

图1为本发明旋风分离器的结构示意图

图2为本发明旋风分离器的气体进口部分采用涡壳结构的示意图

图3为本发明旋风分离器的气体进口部分采用直切结构的示意图

图4为本发明旋风分离器采用膨胀节管系方案的示意图

图5为本发明旋风分离器采用大弯管管系方案的示意图

图6为现有技术“三旋”系统流程简图

图7为现有技术的直筒式四旋系统示意图

具体实施方式

如图1所示，这种主要用于气固或液固分离的旋风分离器，其包括升气管1、排气口2、进气口3、直筒段4、分离沉降锥段5、排尘口6、耐磨层7，其特点在于分离沉降锥段5采用了弯锥结构。

分离沉降锥段5弯锥结构的轴线轨迹是圆弧、或椭圆弧，或其他圆滑过渡曲线。这种旋风分离器的内壁面的耐磨层7，全部采用了高耐磨性能的衬里；或由自蔓延技术制备成陶瓷-金属复合材料，直接焊制而成。

旋风分离器的直径D在300～1500mm范围，适应于不同工艺操作条件的要求。优化各部位的几何参数，都可达到较高的分离效率。

如图2和图3所示，这种旋风分离器的进气口3及相应的气体进口部分采用涡壳结构(图2)，或者采用直切结构(图3)。

如图1所示，这种主要用于流化催化裂化装置能量回收系统，具有新型结构的第四级旋风分离器的工作过程如下：含尘气流由进气口3侧向进入分离器，经加速后旋转流出。在升气管1和直筒段4之间的环形空间内，气、固两相由于离心力的不同初步进行分离。固体颗粒移动到靠分离器壁一侧，部分净化后的旋转气流进入升气管1，再由排气口2流出旋风分离器。由升气管下口至排尘口6之间的曲线长度称为分离沉降空间，一定长度的分离沉降空间有利于气体中的固粒进一步分离。部分气流夹带着粉尘，沿着弯锥轨迹为轴线旋转向下(称“外旋流”)，在排尘口6处，粉尘排出分离器落入中间细粉罐，分离器内的气流和中间细粉罐返回的气流汇集到中心区，改变轴向流动方向向上流动(称“内旋流”)，最后从升气管排出，完成气固分离的全过程。

从旋风分离器内流场力的分析和计算，对小于100μm的催化剂细粉，重力场的影响可以忽略不计，截面上内旋气流主要受到外旋流方向的控制。只要截面的改变是平滑过渡的，不同形状的旋风分离器内部流场规律是相似的。当进口气速较低时，分离器内气流的切向速度和下行的轴向速度都会减弱。在立置直锥分离器中，由于重力与下行气流方向一致，重力场影响常被忽略，而在卧置弯锥分离器中，重力场与下行气流方向垂直，粉尘的重力对分离效率的影响往往会凸现出来。所以低速下弯锥分离器效率要比直锥略低，而高速下二者却基本一样，或弯锥分离器效率要比直锥略高。通过冷态对比试验证明了这个推论。

通过冷态对比试验的结果，我们可以看出：

①当入口气速在15～27m/s范围内，本发明弯锥分离器的效率为95～98.7％，随着入口气速加大分离效率提高。现有直锥型分离器分离效率稳定在98.5～97.7％之间，变化不大；高气速下效率略有下降。

②在较低入口气速下(＜24m/s)，本发明弯锥分离器要比现有直锥分离器效率低1～3.5％；入口气速24～25m/s，二者效率相当；当入口气速超过26m/s时，弯锥分离器的效率要比直锥型大0.5～1％。

因此，本发明卧置弯锥分离器适宜在≥25m/s的高气速下操作，是一种大气量高效旋风分离器。

实施例：

某石油化工厂流化催化裂化装置三旋排尘系统需增设一台直径为800毫米的四旋，用于废催化剂细粉的分离、回收和排放。三旋底部至中间细粉罐顶部的有效空间为1.8米，操作温度550~600℃，采用弯锥四旋，根据可用于四旋平面空间的大小，有两种配管布局方案，见图4和图5：

图5是大弯管管系方案，管道要占据较多的地方和空间，在管系的热膨胀应力计算和布局是比较费事一些，但使用寿命长、操作安全。四旋系统可安全操作10年以上。可用于四旋平面空间大时。

图4是膨胀节管系方案，用膨胀节吸收三旋和中间细粉罐间的热膨胀量。占地较省，容易布局，但膨胀节是易损部件，容易破损泄漏。一般用于四旋平面空间很小，难于布局大弯管时。

当需要排料装车时，只需关闭中间细粉罐与贮罐之间的阀门即可，不会影响三旋的正常运行。

Claims (8)

1、一种用于气固或液固分离的旋风分离器，其包括升气管(1)、排气口(2)、进气口(3)、直筒段(4)、分离沉降锥段(5)、排尘口(6)和耐磨层(7)，其特征在于分离沉降锥段(5)采用了弯锥结构。

2、如权利要求1所述的旋风分离器，其特征在于所述的分离沉降锥段(5)弯锥结构的轴线轨迹是圆滑过渡曲线。

3、如权利要求2所述的旋风分离器，其特征在于所述的分离沉降锥段(5)弯锥结构的轴线轨迹是圆弧、或椭圆弧。

4、如权利要求1所述的旋风分离器，其特征在于所述的旋风分离器的进气口(3)及相应的气体进口部分采用涡壳结构，或者采用直切结构。

5、如权利要求1所述的旋风分离器，其特征在于所述的旋风分离器的内壁面的耐磨层(7)全部采用高耐磨性能的衬里。

6、如权利要求1所述的旋风分离器，其特征在于所述的旋风分离器的内壁面的耐磨层(7)由自蔓延技术制备成陶瓷-金属的复合材料直接焊制而成。

7.如权利要求6所述的旋风分离器，其特征在于：

所述的分离沉降锥段(5)弯锥结构的轴线轨迹是圆弧、或椭圆弧；所述的旋风分离器的进气口(3)及相应的气体进口部分采用涡壳结构，或者采用直切结构；所述的旋风分离器的直径在300~1500mm范围内。

8.如权利要求1～7的旋风分离器在石油化工流化催化裂化装置再生烟气能量回收的三旋系统废催化剂细粉的分离、回收和排放中的应用。

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