催化装置烟气轮机长周期运行分析

催化装置烟气轮机长周期运行分析

权泽天

中国石化洛阳石化公司炼油一部 河南 洛阳 471012

摘要：烟气轮机是一种将催化裂化再生烟气中的热能和压力能转变为机械能的高速旋转机械，常用于驱动压缩机和发电。在石化企业的催化裂化装置中，烟气轮机是关键设备和主要节能设备之一。以某石化公司为例，其140x104t/a催化裂化装置主风机组由烟气轮机、轴流式压缩机和电动机组成。催化裂化再生烟气中的高温高压气体通过烟气轮机，驱动轴流式压缩机将压缩空气送入反应器，从而实现催化裂化反应。然而，烟气轮机的长周期运行是一个亟待解决的问题。据了解，某石化公司的烟气轮机因动叶片断裂共修理了7次，在三年一修期间修理费、备件费和增加的电费共计1500万元。烟气轮机的故障会严重影响催化装置的安全平稳运行。为了解决烟气轮机的故障问题，石化企业需要采取有效的措施。首先，应加强烟气轮机的维护和保养，定期进行检查和维修。其次，应优化烟气轮机的设计和制造，提高其耐用性和可靠性。此外，还可以增加备件储备，提高故障应急处置能力。

关键词：催化装置；烟气轮；机长周期运行

1催化脱硫脱硝工艺简介

1.1脱硝技术

烟气脱硝是指通过一系列化学反应，将烟气中的氮氧化物（NOx）转化成氮气和水蒸气，减少对环境的污染。其中，SCR脱硝技术是一种常见的烟气脱硝方法。SCR脱硝技术利用催化剂和氨作为还原剂，将烟气中的NOx转化成氮气和水蒸气。具体来说，SCR脱硝技术是在燃煤、燃油等能源燃烧的过程中，产生的烟气中加入氨气，经过催化剂的作用，NOx和NH3在SCR反应器中发生化学反应，将NOx还原成N2和H2O，同时释放出氮气和水蒸气。这种技术的优点在于，它可以在较低的温度下进行脱硝，不需要额外添加其他化学物质。此外，SCR脱硝技术可以有效地去除大部分的NOx，达到环保的目的。需要注意的是，SCR脱硝技术的反应需要在SCR反应器中进行。此外，NH3和NOx之间发生的是还原反应，而不是氧化反应，这是因为NH3具有还原性，能够将NOx还原成N2和H2O，而不会与氧气发生反应。

1.2脱硫除尘洗涤技术

近年来，随着环保意识的提高和污染治理的重视，脱硫除尘等技术得到了广泛的应用。其中，脱硫反应机理是其中的重要组成部分。脱硫反应机理是指使用NaOH与SO2溶于水生成亚硫酸溶液进行酸碱中和反应。在这个过程中，SO2会被还原成亚硫酸，从而达到脱硫的目的。生成的Na2SO3经氧化后作为无害的Na2SO4水溶液排放，从而减少了对环境的污染。脱硫除尘采用双循环湍冲文丘里洗涤工艺技术，能够产生颗粒捕集、反应吸收和气体急冷等作用，达到气体净化和处理的目的。这种技术不仅能够有效地降低SO2的排放量，还能够同时去除其他污染物质，如烟尘等。在工业生产和能源消耗过程中，SO2的排放量很大，如果不加以处理就会对环境和人体健康造成严重的危害。因此，脱硫反应机理及其在环保方面的应用正成为工业领域的研究热点。通过对脱硫反应机理的深入研究和不断的技术创新，我们相信能够实现更加高效、节能、环保的脱硫除尘技术，为保护环境和人类健康做出积极的贡献。

2原因分析

2.1动叶片强度分析

在工程设计中，材料强度和应力分析是非常重要的环节。在一项烟气处理系统的设计中，动叶片材料的坚韧强度为742MPa，最大离心应力为641.01MPa，最大结构应力为688MPa，强度裕度为7.8%。然而，设计师也必须考虑到一些外部因素对叶片强度的影响。例如，催化剂结垢是一个常见的问题，会使叶片的强度降低。为了解决这个问题，工程师们考虑了催化剂厚度对叶片强度的影响。他们发现，当催化剂结垢厚度为5mm时，叶片最大应力为717.52MPa，强度裕度为3.5%。这表明，催化剂结垢对叶片的强度影响是非常显著的，必须在设计中加以考虑。在重新设计烟机时，工程师们也考虑了轮盘的强度。这项新设计的烟机对Φ960mm轮盘采取的轮缘厚度为82mm，比早期设计增加了约18mm，动叶片的强度裕度提高到了11.5%。这个结果表明，在设计中增加轮缘的厚度是一个有效的方法，可以提高整个系统的强度。

2.2三旋效率下降的原因

公司生产的多管卧式三旋是一种高效的净化设备。这种设备由内、中、外三部分组成，内部为集气室，中部为气体分配室，外部为集尘室。内部安装了195根PT系列分离单管，这些单管从上到下设置了15排，每排13根。当烟气从上部水平切向进入气体分配室时，被净化后的气体从集气室顶部排出，而分离的催化剂粉尘则从集尘室下部排出。此外，气体分配室下部还设计有泄气线，它通过临界喷咀与双动滑阀之后的烟道相连。该设备的设计泄气量占烟气总量的2%。这种多管卧式三旋具有多种优点。首先，它采用了分离单管技术，能够高效地净化烟气。其次，它的结构设计合理，内部分为三部分，从而更好地实现了气体的分离和净化。此外，该设备泄气量控制在2%以内，能够有效地保护环境并节约能源。因此，这种设备在工业生产中得到了广泛应用，为企业的环保和节能发挥了积极的作用。

3改进措施及效果

3.1锅炉结垢及外排烟气NOx指标波动

利用NH3与NOx的还原作用，通过对进入锅炉后NOx的在线监测，实现了对NH3喷射率的控制。在实际的生产过程中，由于烟道气NOx的含量波动很大，投氨比例过小会导致NOx的超标。在运行过程中，喷氨量整体都是过度的，这就导致了氨逃脱量常常会在2.5mg/L以上，多余的NH3会与烟气中的SO2发生反应，产生NH4HSO3，从而导致了废热锅炉的省煤器结垢，导致烟压力降增加。锅炉的出气率有所降低，烟气中NOx的各项指数有很大的变化。改造方法：一是利用FCC本身生成的三旋废药剂，以除垢微粒，经烟气水封箱的大排凝结界面，将药剂送入烟气管道；通过将烟气引入到锅炉中，对整个锅炉的各个部分进行了实时的除垢。其次，对注氨水调节体系进行了改进。为了缩短监测延迟，在燃煤炉进口引入了NOx快速检测器，并对其进行了改进。

3.2烟机的改造

烟机叶片强度裕量不足造成频繁断裂问题一直是制约烟机运行稳定性的一个难题。为解决这一问题，我们进行了一系列研究和实验，最终成功地利用原有部件重新制作了动叶片、静叶组件、缩径衬环、插入式过渡衬环等关键部件，并利旧了其他零部件。在重新设计动叶片时，我们采用了复合高效马刀叶型，从而提高了回收率，同时降低了叶片高度20mm，以提高叶片强度裕度及优化叶片频率特性。经过实验验证，最大结构应力降低了66.06MPa，降低率达11.2%，强度裕度增大，这对于提高烟机的稳定性和安全性具有重要意义。此外，我们还发现在5040r/min时会发生八节径一阶共振，避开率为-5.7%。因此，在设计叶轮叶片系统时，我们特别考虑了该共振现象，以避免对烟机的稳定性造成影响。最终，我们采用了该新叶型的叶轮叶片系统，并通过实验验证其振动是安全的。综合考虑到烟机的工作特性以及电网频率波动范围，我们认为这种设计方案非常可行，并将其成功地应用于实际生产过程中，取得了显著的效果。

4结论

氨逃逸量对锅炉结垢压降有着很大的影响，因此在锅炉运行过程中需要采取措施来降低氨逃逸量和提高烟气NOx排放质量。在线清垢和优化注氨控制方式是两个重要的方法，可以有效地降低氨逃逸量和提高烟气排放质量。另外，综合塔是一种重要的装置，如果设计不合理或者设备材质不过关，容易出现腐蚀等问题，影响装置的长周期安全运行。为了解决这个问题，可以增加环形集液槽、溢流槽和水喷淋设施，并升级设备材质为2507双相不锈钢。这些措施可以有效地解决腐蚀问题，保证装置长周期安全运行。胀鼓过滤器是一种常用的处理废水的方法，但如果过量的絮凝剂和泥浆在其中停留，就会造成细菌繁殖、外排水发臭和COD超标等问题。为了解决这些问题，可以通过调整加入方案和减少泥浆返混的方法来稳定控制外排水COD并节约滤芯费用。这些措施可以有效地解决废水处理过程中出现的问题，保证水质达到相关标准。

参考文献：

[1]赵志飞,武立业,张连营,等.催化裂化装置烟气轮机组的改造[J].石油化工设备技术，2021,34(1):47-50.

[2]冀江,丁勤.烟气轮机在安全和节能技术上的新进展（上）[J].石油化工设备技术,2021,37(5):27-31.