趙連川，張勝會(huì)，李俊偉，付春雨，張文冬，趙澤雨

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司，河北 石家莊 050032；2.中國(guó)石油化工集團(tuán)公司能源管理與環(huán)境保護(hù)部，北京 100728；3.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206)

1 存在問題

催化汽油吸附脫硫(簡(jiǎn)稱S Zorb)裝置是汽油產(chǎn)品升級(jí)的最后一道工序，在該裝置中，催化汽油經(jīng)吸附脫硫、穩(wěn)定工序變?yōu)榈土蚓破停腿胗推氛{(diào)和單元生產(chǎn)清潔汽油產(chǎn)品，其加工流程示意見圖1。

圖1 S Zorb裝置反應(yīng)-再生加工流程示意

吸附劑經(jīng)再生后循環(huán)使用。再生過程中吸附劑形成的塊狀物被再生器底部的過濾器攔截(見圖2)。塊狀物經(jīng)常堵塞過濾器，影響吸附劑正常運(yùn)轉(zhuǎn)。生產(chǎn)中操作條件越苛刻(如原料硫含量高、吸附劑再生強(qiáng)度大、硅酸鋅生成速率增加)，結(jié)塊越嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致吸附劑循環(huán)長(zhǎng)時(shí)間中斷，裝置被迫停工【1-3】。

圖2 過濾器安裝位置示意

從發(fā)現(xiàn)過濾器堵塞到清理完畢，最快也需要1 h，而且清理過程還會(huì)排放少量吸附劑粉塵，污染環(huán)境。清理期間還經(jīng)常遇到螺栓拆卸困難、閥門開關(guān)困難等意外情況，導(dǎo)致處理時(shí)間加長(zhǎng)。且過濾器一旦堵塞，往往需清理3次左右，才能徹底將其清理干凈。由于過濾器清理導(dǎo)致吸附劑循環(huán)長(zhǎng)時(shí)間中斷，常引起產(chǎn)品硫含量超標(biāo)、新鮮原料汽油切除、再生被迫熄火等問題，嚴(yán)重影響裝置平穩(wěn)運(yùn)行【4-5】。

2 原因分析

S Zorb再生器原過濾器的設(shè)計(jì)理念是吸附劑塊狀物經(jīng)過濾芯時(shí)被攔截落入過濾器底部，過濾器繼續(xù)發(fā)揮過濾作用。但是在生產(chǎn)運(yùn)行中的實(shí)際情況是，吸附劑顆粒立即落入過濾器底部不再流化，處于“死床”的狀態(tài)，同時(shí)還占據(jù)了容納吸附劑塊的空間，正常運(yùn)行中被攔截的吸附劑塊狀物只能留存在濾芯流通的截面上，使得濾芯流通面積減少，吸附劑循環(huán)受阻，最終導(dǎo)致吸附劑循環(huán)中斷【3】(見圖3)。因此，過濾器收納空間受限是過濾器堵塞頻繁的原因之一。此外過濾器孔徑較小，是過濾器堵塞頻繁的另外一個(gè)主要原因【6】。

圖3 過濾器受阻情況示意

3 改造方案

3.1 改造思路

針對(duì)過濾器運(yùn)行工況(溫度500～520 ℃、壓力0.13～0.18 MPa、粉塵輸送流速1.0～1.3 t/h)，需要研制一款耐高溫、易轉(zhuǎn)動(dòng)、高強(qiáng)度的破碎裝置，以緩解硬塊堵塞過濾器的情況【7-9】。研究吸附劑塊發(fā)現(xiàn)，正常生產(chǎn)中結(jié)塊的速度和質(zhì)量都處于一個(gè)較低的水平，且結(jié)塊質(zhì)地松軟。結(jié)合上述情況，設(shè)計(jì)出一款可以在線破碎吸附劑塊的裝置【10】(見圖4)，安裝在過濾器內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)過濾器堵塞現(xiàn)象后，搖動(dòng)該裝置，即可破碎吸附劑塊。這樣不僅可以解決操作工勞動(dòng)強(qiáng)度大、產(chǎn)品質(zhì)量和處理量受到影響的問題，還可以減少清理過程因吸附劑外排造成的環(huán)境污染。

圖4 吸附劑塊破碎裝置構(gòu)想

3.2 改造技術(shù)研究

3.2.1 葉片及攪拌功率設(shè)計(jì)研究

再生器底部過濾器堵塞的塊狀吸附劑為粉體混合物，粉體的流變性和流變特征適用流動(dòng)法的狹縫法【11】。吸附劑結(jié)塊機(jī)理為3ZnS+5.5O2=Zn3O(SO4)2+SO2，形態(tài)變化后硬度上升為5～5.5 HRC。正常生產(chǎn)過程中葉片的工作溫度為480～510 ℃,此溫度范圍內(nèi)普通碳鋼的硬度為(34±2)HRC,由此可見，葉片選用碳鋼材質(zhì)即可滿足生產(chǎn)需求【12】。

固體顆粒在再生器底部過濾器內(nèi)的懸浮狀態(tài)按照Oldshue J P所述，為有沉積帶且不斷增長(zhǎng)的狀態(tài)，其沉降速度μtt按式(1)計(jì)算。

μtt=μt(1-φv)4.56

(1)

式中：μtt——密集狀態(tài)下的沉降速度，m/s；

μt——自由沉降速度，m/s；

φv——固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)，%。

參照攪拌設(shè)備【7,13】，考慮到轉(zhuǎn)速在1～100 r/min 之間、葉端線速度1～5 m/s、介質(zhì)粘度小于2 000 mPa·s，設(shè)置葉片數(shù)為2。

研究比對(duì)后，最初決定將葉片設(shè)計(jì)為圓柱形，采用電機(jī)作為動(dòng)力，靠葉片快速旋轉(zhuǎn)破碎吸附劑塊【6】。

攪拌功率P按照算圖法【7】進(jìn)行計(jì)算，見式(2)。

P=NpρN3d5

(2)

式中：P——攪拌功率，W；

Np——功率特征數(shù)；

ρ——密度，g/cm3；

N——轉(zhuǎn)速，r/min；

d——葉輪直徑，cm。

計(jì)算結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)成手動(dòng)方式破碎效果較好，操作工勞動(dòng)強(qiáng)度也低，但是填料密封與軸的摩擦速度快，密封的使用壽命短、泄漏風(fēng)險(xiǎn)大，并且該位置不具備電機(jī)接電安裝的條件。因此，將葉片設(shè)計(jì)為刀片形式，葉片正面開刃，并將葉片邊緣處切削為銳角，該結(jié)構(gòu)既可滿足葉片強(qiáng)度要求，又可以確保在低速下吸附劑塊的破碎效果。僅考慮軸承所承受的主要載荷，同時(shí)不考慮疲勞失效，即軸承受純扭矩，截面上僅產(chǎn)生剪切應(yīng)力，則最大剪應(yīng)力可按照式(3)計(jì)算【7】得到。

τMax=Mt/Wt≤[τ]k

(3)

式中：τMax——計(jì)算截面上的最大剪應(yīng)力，MPa；

Mt——軸所傳遞的扭矩，N·mm；

Wt——抗扭截面系數(shù)，mm3；

[τ]k——降低后的扭轉(zhuǎn)許用剪應(yīng)力，MPa。

葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力依靠手動(dòng)旋轉(zhuǎn)的方式提供。經(jīng)實(shí)際測(cè)量后，確定葉片長(zhǎng)度為36 mm，雙葉片對(duì)稱布置。

3.2.2 攪拌軸承及密封研究

按照扭矩計(jì)算軸的強(qiáng)度時(shí)，僅考慮軸向受力，忽略軸端擾動(dòng)【14】，驅(qū)動(dòng)最優(yōu)方式及選型按照永田進(jìn)治【15】的論述，采用最簡(jiǎn)單的人工轉(zhuǎn)動(dòng)手柄。

針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承密封效果不好、吸附劑進(jìn)入軸承內(nèi)軸承滾珠不能正常滾動(dòng)【16-18】的問題，經(jīng)過比選和改進(jìn)，將傳動(dòng)軸外徑與軸承內(nèi)徑設(shè)計(jì)為間隙配合，采用梯形柱狀滾動(dòng)軸承。這樣萬一吸附劑進(jìn)入軸承內(nèi)，軸承滾珠還留有活動(dòng)裕量，軸與軸承的間隙可以確保傳動(dòng)軸正常轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)選擇適合端面密封的干式有接觸式密封【16-17】形式，可滿足泄漏量標(biāo)準(zhǔn)要求【19】。

3.2.3 濾芯、葉片、傳動(dòng)軸同心度研究

實(shí)際測(cè)量濾芯外徑與過濾器內(nèi)徑尺寸，制作濾芯固定環(huán)。安裝時(shí)，將固定環(huán)套在濾芯外部，既可將濾芯固定在管線中心，同時(shí)還可以保護(hù)濾芯，防止濾芯在使用過程出現(xiàn)開焊、變形的問題【20】。

密封內(nèi)側(cè)安裝傳動(dòng)軸的固定軸承，外側(cè)安裝搖桿固定支架，通過兩點(diǎn)固定，確保傳動(dòng)軸與濾芯的同心度。使用方式為間歇使用。

3.2.4 濾芯的孔徑研究

少量的吸附劑小塊存在于系統(tǒng)內(nèi)并不會(huì)影響吸附劑的使用效果，且后部管線、閥門的流通孔徑遠(yuǎn)大于8 mm，也不會(huì)影響吸附劑輸送?；谏鲜鲈颍瑧?yīng)適當(dāng)加大濾芯孔徑，由原來的4 mm加大至8 mm，孔距保持4 mm不變，這樣既可以增加流通面積、減少過濾器堵塞的次數(shù)，還可確保該設(shè)備的使用效果，同時(shí)又可避免直徑8 mm以下的吸附劑塊堵塞閥門形成新的堵塞點(diǎn)【21】。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研究成功的再生器底部過濾器免拆清理裝置(見圖5)于2019年12月31日在中國(guó)石化石家莊煉化分公司安裝并投入使用，測(cè)試結(jié)果顯示，一次成功率100%。

圖5 再生器底部過濾器免拆清理裝置

下面對(duì)其具體操作步驟進(jìn)行介紹。

當(dāng)內(nèi)操作工觀察到下料滑閥壓差指示過濾器堵塞、再生下料不暢時(shí)，按照如下步驟進(jìn)行處理：

第一步，順時(shí)針搖動(dòng)手柄20圈，同時(shí)觀察下料滑閥壓差變化，若上升至正常值，則說明已恢復(fù)下料。

第二步，如果下料效果未改善或效果不佳，則可能是吸附劑塊架橋，聚集在濾芯上方或上方管線內(nèi)。此時(shí)，外操作工可關(guān)閉下料滑閥后手閥，反吹過濾器。反吹完畢后，打開后手閥，觀察下料情況，再次出現(xiàn)下料不暢的情況后，重新?lián)u動(dòng)旋轉(zhuǎn)手柄20圈，再次清理過濾器，并觀察清理效果，直至正常。

對(duì)上述操作步驟的注意事項(xiàng)說明如下：

1)反吹可以破壞吸附劑塊在管線內(nèi)或?yàn)V芯內(nèi)的架橋現(xiàn)象，使其自由滑落至該裝置的葉片處，此時(shí)再次搖動(dòng)手柄，即可破碎吸附劑塊。

2)具體操作手柄旋轉(zhuǎn)圈數(shù)要根據(jù)實(shí)際情況確定。

3)為保證填料密封的使用壽命，下料正常的情況下，禁止轉(zhuǎn)動(dòng)手柄。

4)出現(xiàn)密封泄漏的情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)緊固填料壓蓋、切斷物料，避免造成人身傷害。

5 改造效果

2019年前7個(gè)月，吸附劑過濾器出現(xiàn)3次堵塞，由于吸附劑循環(huán)中斷時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)品硫含量超標(biāo)，裝置被迫降低新鮮進(jìn)料維持生產(chǎn)。

2019年12月31日，本清理裝置安裝到位，至2020年6月底，半年內(nèi)未出現(xiàn)過濾器堵塞導(dǎo)致裝置降量的情況。對(duì)比 2017、2018、2019三年的同期堵塞次數(shù)，過濾器的堵塞狀況有了明顯好轉(zhuǎn)(見圖6)。

圖6 過濾器堵塞次數(shù)統(tǒng)計(jì)

2020年7月21日，該過濾器出現(xiàn)改造后的第1次堵塞，現(xiàn)場(chǎng)搖動(dòng)手柄，僅10 min即處理完畢，免除了拆卸過濾器及其濾芯的工作，大大縮短了異常處理時(shí)間，未影響裝置正常生產(chǎn)。

通過上述對(duì)比可以看出，再生器吸附劑過濾器改造完成后，過濾器堵塞次數(shù)明顯下降，堵塞后的處理時(shí)間明顯縮短，未出現(xiàn)影響產(chǎn)品質(zhì)量和新鮮進(jìn)料的情況，為裝置的平穩(wěn)運(yùn)行奠定了良好基礎(chǔ)。

使用該裝置前，每年清理過濾器10～12次，每次跑損吸附劑50 kg左右(吸附劑單價(jià)20萬元/t)。使用后，過濾器清理次數(shù)降低至每年3次，跑損吸附劑仍按照50 kg/次計(jì)算，則年節(jié)約費(fèi)用(使用該裝置前，按每年平衡清理11次計(jì)算)8次/a×0.05 t/次×20萬元/t=8萬元/a。

6 結(jié)論

1)再生器底部過濾器免拆清理裝置設(shè)計(jì)合理、參數(shù)準(zhǔn)確，安裝后，一次成功率100%，年節(jié)約費(fèi)用8萬元。

2)再生器底部過濾器免拆清理裝置可以解決再生器吸附劑過濾器因堵塞經(jīng)常導(dǎo)致吸附劑循環(huán)中斷的問題，應(yīng)用該裝置后，實(shí)現(xiàn)了免拆過濾器及濾芯的清理，操作快捷、方便、安全、環(huán)保。

3)再生器底部過濾器免拆清理裝置安裝在過濾器內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)過濾器堵塞現(xiàn)象時(shí)，搖動(dòng)該裝置即可破碎吸附劑塊，可降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少處理過程安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)、確保產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)S Zorb裝置平穩(wěn)生產(chǎn)。