姚傳人
(中石化催化劑長嶺分公司,湖南 岳陽 414012)
中國石化催化劑某公司擁有一套年產(chǎn)5 000 kt/a碳二/碳三選擇加氫催化劑(裂解乙烯/丙烯選擇加氫精制催化劑)生產(chǎn)裝置。C2C3 催化劑的生產(chǎn)裝置按工藝流程共分為6 個單元:溶液配制單元、載體成型單元、載體焙燒單元、浸漬分解單元、成品包裝單元、三廢處理單元。該裝置生產(chǎn)全過程為間歇式,工藝流程長,涉及的中間物料(載體)轉(zhuǎn)運量大,其物料特性普遍體現(xiàn)為休止角較大、堆密度較小和易損傷。C2C3 催化劑載體一般為齒球或球狀顆粒,成分主要為α-Al2O3,在經(jīng)過焙燒、浸漬-分解、淋銀鉍和干燥-分解工序后,根據(jù)各個訂單的要求,按包裝方案進行包裝。由于氧化鋁載體的物料性質(zhì),在各生產(chǎn)、運輸環(huán)節(jié)中易造成表層附著物剝離,產(chǎn)生大量的粉塵,成品包裝現(xiàn)場粉塵濃度高達65.8 mg/m3,無組織外排粉塵濃度遠超GB 31571—2015《石油化學工業(yè)污染物排放標準》,嚴重損害作業(yè)人員職業(yè)健康[1]。而且由于粉塵中有相當含量的貴金屬鈀和銀,若不加以回收利用,也將嚴重影響裝置的經(jīng)濟效益。
C2C3 催化劑的成品包裝單元作業(yè)過程中,物料部分物理性質(zhì)如表1所示。
表1 C2C3 催化劑部分物理性質(zhì)Tab.1 Some physical properties of C2C3 catalyst
原有包裝環(huán)節(jié)是將C2C3 催化劑成品由人工分裝成小包裝后進行提升投料,經(jīng)滾篩(如圖1所示)篩分后裝入包裝桶中。該過程使用大量的包裝物和人工裝卸,現(xiàn)場環(huán)境危害也比較嚴重。隨著產(chǎn)量的不斷提升,這一問題日益顯著,傳統(tǒng)的人工轉(zhuǎn)運和人工投料已經(jīng)不符合大規(guī)模放大的工業(yè)生產(chǎn)需求。所以需要一種投資低廉、維護方便、能耗較低且不會對物料產(chǎn)生損壞的輸送設(shè)備進行物料的提升;與此同時,還需要設(shè)計一種有效的除塵系統(tǒng)并且滿足除塵系統(tǒng)出口粉塵排放要求:濃度<10 mg/Nm3。
圖1 原C2C3 催化劑包裝環(huán)節(jié)滾篩示意圖Fig.1 Schematic diagram of roller screen of original C2C3 catalyst packaging link
在當前的C2C3 催化劑成品包裝過程中,齒球形催化劑輸送設(shè)備的作用十分關(guān)鍵。輸送設(shè)備能夠更好地提高運送的作業(yè)效率,使工業(yè)生產(chǎn)的能力得到最大程度的提高。傳統(tǒng)的機械提升設(shè)備在應(yīng)用過程中都存在一些問題,需要開發(fā)一種新型的物料輸送提升裝置。結(jié)合C2C3 催化劑物料特性和各種輸送形式的優(yōu)缺點,對各種輸送方式進行比較,認為該物料適合運用氣力輸送方式[2],即在密閉管道內(nèi)使用壓縮空氣向目的地方向輸送顆粒狀散料。
氣力輸送技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥等行業(yè),是一種成熟的物料輸送方式,具有輸送管道配置靈活、輸送系統(tǒng)完全封閉、輸送效率高、輸送物料品質(zhì)保證、輸送過程可實現(xiàn)定量分流等優(yōu)點[3]。針對C2C3 催化劑的物理化學特性,氣力輸送系統(tǒng)要求全封閉型管道輸送系統(tǒng),用壓縮氣體將物料通過密閉管道輸送至指定位置,整個輸送過程實現(xiàn)零泄漏,杜絕被輸送物料被污染而影響物料性能。
在粉塵排放達到國家標準要求的前提下,除塵器的技術(shù)應(yīng)具備先進、成熟、可靠等優(yōu)點,同時觀察、監(jiān)視、維護需簡單,并實現(xiàn)一體化設(shè)計;整個除塵工作在全封閉系統(tǒng)內(nèi)完成,無粉塵外溢現(xiàn)象。設(shè)計時,應(yīng)充分考慮系統(tǒng)風量計算值和各集塵分管的壓降;管道、料桶中無粉塵堆積;除塵系統(tǒng)設(shè)計要與篩分設(shè)備相匹配。風量、風速等參數(shù)能夠滿足將催化劑剝離下來的粉塵和碎粒及時抽離,并且不能將成品催化劑顆粒帶出。
除塵系統(tǒng)要求側(cè)面進風,若想擁有良好的進風條件,濾袋則需具有更高的透氣性及過濾面積。同時反吹時也從側(cè)面出灰,增強了反吹效果。在濾芯的材質(zhì)選擇上,要考慮能抵制灰塵顆粒在其上的吸附。在濾芯的前段設(shè)整流部件,下部設(shè)收集灰斗,被反吹風吹落下來的灰塵直接落入灰斗,減少在內(nèi)壁的吸附。
C2C3 催化劑篩分除塵系統(tǒng)由上料斗、氣力輸送器、喂料倉、除塵系統(tǒng)、滾篩和接料桶組成,系統(tǒng)各部分密封連接,可連續(xù)作業(yè),如圖2所示。
圖2 C2C3 催化劑篩分除塵系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of C2C3 catalyst screening and dust removal system
上料斗由料倉、補風管和手閥組成,待篩分除塵的物料被投入上料斗,并開啟氣力輸送器后,打開補風閥,氣流進入物料堆中形成空氣流道,當氣源流速增大到壓降和單位橫截面上的物料床層重量相等,固體顆粒便開始浮動,床層呈現(xiàn)流動性。繼續(xù)增大風量則達到輸送物料的效果。
提升輸送是該篩分除塵系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié),通過試驗對比,選擇了一種適合C2C3 催化劑齒球形物料的氣力輸送器:AIRTX 90222 強力型高性能氣力輸送器。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。它是根據(jù)系統(tǒng)運行的情況,由人工調(diào)節(jié)壓縮風量和風壓,以達到連續(xù)定量給料的目的。壓縮空氣經(jīng)進氣口①流入環(huán)形高壓腔②后,高速流過噴嘴③,這股高速氣流在入口④處產(chǎn)生一低壓區(qū)(真空),于是入口處的物料被高壓氣流吸入,并被輸入到指定位置⑤。
圖3 氣力輸送器結(jié)構(gòu)圖/實物圖Fig.3 Structural drawing/physical drawing of pneumatic conveyor
通過流態(tài)化試驗驗證,隨著風量和風壓的增加,風速變大,物料的輸送量和輸送速度逐漸增加,當風壓P=0.6 MPa 時,單個氣力輸送器(DN 75)的有效輸送距離約為水平方向L=15 m,垂直方向H=7 m。若串聯(lián)使用2 個氣力輸送器,用于輸送的壓縮氣體耗量約為Qw=180±30 m3/h。由試驗得到剝離風量Q0=1.74 m3/s=6 271.6 m3/h 時,能夠滿足將催化劑剝離下來的粉塵和碎粒及時抽離,并且不會將催化劑顆粒抽出。
喂料倉既是滾篩的喂料倉,也是氣力輸送器的接料倉。該倉采用圓形錐底料倉,物料被氣力輸送器高速送入喂料倉內(nèi)時,沿圓弧切線方向向上傾斜45°進入,順著喂料倉內(nèi)壁盤旋下落至滾篩入口。該料倉與上下游的設(shè)備進行柔性連接,頂部與除塵系統(tǒng)的除塵口進行連接;下部與滾篩入口進行連接。注入喂料倉的物料在運行過程中始終處于動態(tài)連續(xù),物料會連續(xù)進入設(shè)備,并一直不間斷出料,C2C3 催化劑表面粉塵和碎粒與物料在該過程中連續(xù)剝離,從上部除塵口抽離。喂料倉及物料流向如圖4所示。
圖4 喂料倉及物料流向示意圖Fig.4 Schematic diagram of feeding bin and material flow direction
篩分除塵系統(tǒng)中的重要參數(shù)為吹吸比K[4],按式(1)計算。為確保在保證高捕集效率的情況下,盡量減少能耗,試驗中就排風量對粉塵捕集效果的影響進行了研究對比,不同K值時,粉塵、碎粒的捕集效果呈現(xiàn)出類線性變化直至趨于穩(wěn)定值。隨著吹吸比K的增大,逸散的粉塵濃度逐漸減小,當K值增加到1.05 時,所有被吹出的粉塵都被除塵器吸走,粉塵被有效捕集;當K大于1.05 后,粉塵的捕集效果沒有顯著增加。逸散粉塵濃度與吹吸比K值的關(guān)系如圖5所示。
圖5 逸散粉塵濃度與吹吸比K 值的關(guān)系Fig.5 Relationship between fugitive dust concentration and blowing absorption ratio K
試驗找到最優(yōu)的吹吸比K 值并按式(1)可計算出除塵風量∑Q=5 972.95 m3/h,能有效地除去粉塵和碎粒,并且C2C3 催化劑顆粒不會被抽到除塵器中。設(shè)定系統(tǒng)冗余量為20%,由式(2)計算出最大除塵風量∑QMAX=7 167.54 m3/h。
最大除塵風量
考慮粉塵堆積密度后,為防止粉塵在管道處堆積,合理設(shè)置3 個除塵點的位置和管徑,增設(shè)風門調(diào)節(jié)風壓、風速,調(diào)控風量的分配:
喂料倉除塵口的管徑設(shè)置為DN 200,調(diào)節(jié)風速V1=32.1 m/s
風量Q1=π×0.12×32.1×3 600=3 630.42 m3/h
滾篩上殼體除塵口的管徑設(shè)置為DN 150,調(diào)節(jié)風速V2=28.9 m/s
風量Q2=π×0.075 2×28.9×3 600
=1 838.54 m3/h
接料桶上部除塵口的管徑設(shè)置為DN 150,調(diào)節(jié)風速V3=26.7 m/s
風量Q3=π×0.075 2×26.7×3 600
=1 698.581 m3/h
最大除塵風量∑QMAX=Q1+Q2+Q3=7 167.54 m3/h
除塵系統(tǒng)風機風量選型為Q=7 200±300 m3/h,因此除塵器選擇的是CSZS-M-7200 濾筒式濾芯除塵器(如圖6所示)。濾筒選用HEMI 折波濾筒[5],濾筒側(cè)面進風,改善了進風條件,比常規(guī)濾筒具有更高的透氣度及過濾面積,過濾面積M=70 m2,是同規(guī)格的其他濾筒的2.5 倍。同時反吹時也是從側(cè)面出灰,增強了反吹效果。濾筒濾元材質(zhì)為抗靜電聚酯纖維加納米熱壓覆膜[6],抵制了灰塵顆粒在濾筒上的吸附,改善了反吹效果。濾筒前段設(shè)整流部件,使反吹下來的灰塵直接落入灰斗,減少在內(nèi)壁的吸附。
圖6 濾筒式濾芯除塵器外形示意圖/結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Outline diagram/structure diagram of cartridge filter element dust collector
系統(tǒng)在各分支管路啟動運行期間,正常工作時壓差穩(wěn)定在450~1 200 Pa,當濾筒表面堆積粉塵增加,壓差大于1 200 Pa 時,PLC 控制系統(tǒng)開始啟動清灰系統(tǒng),依次在線反吹清灰,當系統(tǒng)壓差降低到450~500 Pa 時,反吹被停止,系統(tǒng)正常工作,如此反復;反吹期間設(shè)備也可正常工作。
除塵器進氣方式為側(cè)進與下進結(jié)合,介質(zhì)進入除塵器經(jīng)過均布板,從濾筒側(cè)面和底部進入濾筒,布氣更加均勻,同時減少介質(zhì)對濾筒的沖擊,均布板的設(shè)置應(yīng)方便拆裝,便于清理。
粉塵具有磨琢特性,因此在設(shè)計中重點考慮硬的尖銳粉塵劃傷濾芯覆膜,使濾芯失效,保證不了排放要求的問題。磨琢性粉塵極易磨損濾芯及除塵器箱體,由于磨損的程度取決于粉塵中粗顆粒所占的比重及其除塵器的氣體速度,因此在采取相應(yīng)措施時主要著眼于減少粗顆粒的絕對數(shù)量和降低含塵空氣的流 速。
減少粗顆粒的絕對數(shù)量的方法主要是在除塵器的入口處設(shè)置多孔板制成的折流板,使氣流進入后斜向下方走向,碰撞折流板和灰斗壁使大顆粒的粉塵直接落入灰斗,同時減少了對濾布的磨損,如圖7所示,可見多孔折流板可對入口物料加以緩沖。
圖7 多孔折流板示意圖Fig.7 Schematic diagram of porous baffle
該種氣流組織方式非常適合具有磨削特性的粉塵工況。加大入口與濾袋底部的空間距離可將向上運動的氣流均勻分布,這樣可以使湍紊上升的氣流在一個較大的空間內(nèi)逐漸分布均勻,減少對濾芯磨損不均。
催化劑某公司2020年5月供應(yīng)某煉化企業(yè)的BC-H-21B 訂單,通過原系統(tǒng)滾篩包裝收率為99.35%,篩出碎粒廢料的篩出率為0.419%。
C2C3 催化劑篩分除塵系統(tǒng)(如圖8所示)開發(fā)投產(chǎn)后,于2020年7月首次投用于催化劑某公司供應(yīng)某煉化企業(yè)BC-H-21B 訂單,通過新的篩分除塵系統(tǒng)包裝收率為99.31%(與原系統(tǒng)接近),篩出碎粒廢料和粉塵的篩出率為0.607%,新系統(tǒng)較原系統(tǒng)篩出率提高了44.86%,如圖9所示。
圖8 篩分除塵系統(tǒng)現(xiàn)場圖Fig.8 Site drawing of screening and dust removal system
圖9 除塵器料斗/濾芯收集的含鈀、銀粉塵Fig.9 Dust containing palladium and silver collected by dust collector hopper/filter element
篩分除塵系統(tǒng)的應(yīng)用,一方面通過高速的物料流轉(zhuǎn),選擇淘汰了成品中強度較差的那一小部分催化劑,提升了產(chǎn)品的整體質(zhì)量;另一方面極大減少了成品中的碎粒、粉塵含量,提高了產(chǎn)品的整體規(guī)整程度。從多個角度提高了公司C2C3 催化劑質(zhì)量,提升了品牌價值。采用原系統(tǒng)和采用篩分除塵系統(tǒng)的C2 催化劑BC-H-21B 展示如圖10所示。
圖10 C2 催化劑BC-H-21B 成品采用原系統(tǒng)和采用篩分除塵系統(tǒng)的對比圖Fig.10 Comparison diagram of C2 catalyst BC-H-21B finished product with original system and screening dust removal system
新系統(tǒng)投用后,職業(yè)危害因素監(jiān)測數(shù)據(jù)(如表2所示)顯示:包裝現(xiàn)場粉塵濃度由改造前的約65.8 mg/m3降到了7.46 mg/m3以下,大大改善了作業(yè)場所工作環(huán)境,職工現(xiàn)場直接作業(yè)環(huán)節(jié)的職業(yè)環(huán)境衛(wèi)生符合了有關(guān)標準的要求,裝置現(xiàn)場的衛(wèi)生規(guī)格化也得到了提升。
表2 C2C3 催化劑包裝現(xiàn)場職業(yè)危害因素監(jiān)測表Tab.2 Monitoring table of occupational hazard factors on C2C3 catalyst packaging site
篩分除塵系統(tǒng)帶來質(zhì)量效益和環(huán)保效益的同時,也獲得了可觀的經(jīng)濟效益。經(jīng)濟效益的測算主要從碎粒、粉料回收等方面進行了分析核算。該系統(tǒng)相較于以前的包裝單元,碎粒和粉塵的篩出率從0.419%提升至0.607%,篩出率提高了44.86%。篩出的鈀粉和銀粉可用作貴金屬回收,產(chǎn)生了一定的直接經(jīng)濟效 益。
在勞務(wù)用工方面,原系統(tǒng)包裝直接作業(yè)需要員工6~9 人。采用篩分除塵系統(tǒng)后,僅需要3 名員工就可以在相同的時間內(nèi)完成相同的工作量,大大降低了勞務(wù)用工成本。
下一步計劃將該系統(tǒng)應(yīng)用于C2C3 催化劑制備載體篩分步驟。試應(yīng)用期間,每噸載體篩分出8kg不合格載體,減少了不合格載體進入下一流程,對貴金屬活性組分發(fā)生侵占造成浪費。載體的后續(xù)加工成本約為5 萬元/t。按照500 t/a 載體用量計算,節(jié)約成本約為:500×8/1 000×5=20 萬元。另外減少了一定量載體原材料和添加助催化劑的使用,還降低了固體廢物的處理成本,產(chǎn)生了一定的間接經(jīng)濟效益。
銀催化劑載體為空心圓柱體型,其主要成分也是α-Al2O3,載體經(jīng)過干燥、焙燒、選分、浸漬、活化、摻混包裝工序處理后,按包裝方案進行包裝。由于氧化鋁載體的物料性質(zhì),在各生產(chǎn)、運輸環(huán)節(jié)中易造成表層附著物剝離,同樣在包裝環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量的粉塵。根據(jù)C2C3 催化劑篩分除塵系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計思路,依托銀催化劑裝置原有的摻混包裝系統(tǒng)(如圖11所示)進行改造。開發(fā)設(shè)計了銀催化劑篩分除塵系統(tǒng)(如圖12所示),通過多點、多層級、多角度進行全流程、全方位、全時除塵,有效地回收銀催化劑包裝各環(huán)節(jié)表面脫落的碎粒和細粉。
圖11 銀催化劑原有的摻混包裝系統(tǒng)示意圖Fig.11 Schematic diagram of original mixing and packaging system of silver catalyst
圖12 改造后銀催化劑篩分除塵系統(tǒng)現(xiàn)場圖/示意圖FIg.12 Field diagram/schematic diagram of silver catalyst screening and dust removal system after transformation
在原摻混系統(tǒng)中,銀催化劑成品物料由高處下落,具備一定的初始速度。銀催化劑粉塵堆密度為700~1 000 kg/m3,除塵器入口粉塵濃度為50 g/Nm3。通過流態(tài)化試驗探知吹吸比K值為1.07 時,所有被吹出的粉塵都被除塵器吸走,粉塵被有效捕集。由試驗得到剝離風量Q0=3.35 m3/s=12 039.16 m3/h 時,能夠滿足將催化劑剝離下來的粉塵和碎粒及時抽離,并且不會將催化劑顆粒抽出。通過式(1)算出除塵風量∑Q=1 1251.55 m3/h,設(shè)定系統(tǒng)冗余量定為30%,由式(2)得到最大除塵風量∑QMAX=14 649.64 m3/h??紤]粉塵堆積密度后,為防止粉塵在管道處堆積,合理設(shè)置5 個除塵點的位置和管徑,增設(shè)風門調(diào)節(jié)風壓、風速,調(diào)控風量的分配:
除塵口1:條形振動篩頂部,管徑設(shè)置為DN 200,調(diào)節(jié)風速V1=24.9 m/s
風量Q1=π×0.12×24.9×3 600=2 816.12 m3/h
除塵口2:錐形下料斗上部,管徑設(shè)置為DN 150,調(diào)節(jié)風速V2=31.7 m/s
風量Q2=π×0.075 2×31.7×3 600
=2 016.67 m3/h
除塵口3:錐形下料斗根部,管徑設(shè)置為DN 200,調(diào)節(jié)風速V3=31.2 m/s
風量Q3=π×0.12×31.2×3 600=3 528.64 m3/h
除塵口4:圓盤振動篩頂部,管徑設(shè)置為DN 200,調(diào)節(jié)風速V4=28.7 m/s
風量Q4=π×0.12×28.7×3 600=3 245.89 m3/h
除塵口5:條形振動篩下料管,管徑設(shè)置為DN 200,調(diào)節(jié)風速V5=26.9 m/s
風量Q5=π×0.12×26.9×3 600=3 042.32 m3/h
總風量∑QMAX=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5
=14 649.64 m3/h;
由∑QMAX值得到除塵系統(tǒng)風機風量選型為:Q=15 000±300 m3/h。因此引入一套CSZS-M-15000型除塵器(如圖13所示),對銀催化劑成品進行篩分除塵。另外在錐形下料斗側(cè)面增設(shè)系統(tǒng)補風口,在強力除塵的過程中由錐形下料斗最佳位置向系統(tǒng)進行自然補風,有利于細粉從催化劑成品表面剝離。
圖13 CSZS-M-1500 濾筒式濾芯除塵器現(xiàn)場圖Fig.13 Site drawing of CSZS-M-1500 cartridge filter element dust collector
篩分除塵系統(tǒng)工作時,含塵氣體通過除塵口1~5 進入濾筒式濾芯除塵器入口,再由下部灰斗腰部的進風管道進入灰斗。含銀細粉隨氣流轉(zhuǎn)折向上進入過濾室,粉塵積附在濾筒外表面。過濾后的潔凈氣體進入上方凈氣室。出風管口接風機,潔凈氣體在風機的吸力作用下排出除塵器。由于積附在濾筒外表面的粉塵會越來越多,每隔一定時間就會啟動反吹系統(tǒng)清灰。在一定周期內(nèi)向反吹時序控制器會發(fā)出指令,氣包內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)電磁脈沖閥,瞬間釋放一股高壓脈沖氣流,沖入濾筒,將積附在濾筒外表的粉塵吹落[7]。除塵器下灰斗出料口設(shè)置一個氣動蝶閥,除塵器工作時,蝶閥關(guān)閉;風機和除塵器停止時,打開氣動蝶閥,從而把粉塵排出灰斗,回收利用。
銀催化劑篩分除塵系統(tǒng)投用后,可回收含銀細粉從0.47 kg/t,提升至3.57 kg/t,回收的貴金屬銀增加直接經(jīng)濟效益為近400 萬元/年。包裝現(xiàn)場粉塵濃度由改造前的59.7 mg/m3降為6.56 mg/m3,(如表3所示)現(xiàn)場無組織粉塵排放滿足相關(guān)規(guī)定要求。同時催化劑成品粉塵量減?。ㄈ鐖D14所示),包裝現(xiàn)場和銀催化劑客戶裝填現(xiàn)場更為環(huán)保,同時也提升了質(zhì)量與品牌效應(yīng)。
表3 銀催化劑包裝現(xiàn)場職業(yè)危害因素監(jiān)測表Tab.3 Monitoring table of occupational hazard factors on silver catalyst packaging site
圖14 采用篩分除塵系統(tǒng)后銀催化劑YS-9010K/YS-9030E 成品Fig.14 Silver catalyst YS-9010K/YS-9030E finished product after screening and dust removal system
通過流態(tài)化試驗確認粉塵剝離風量Q0、吹吸比K和除塵風量Q等技術(shù)參數(shù),綜合利用各種現(xiàn)有工況條件開發(fā)設(shè)計催化劑篩分除塵系統(tǒng)。經(jīng)過實踐驗證,C2C3 催化劑和銀催化劑的篩分除塵系統(tǒng)效果理想,既提高了產(chǎn)品質(zhì)量,降低了生產(chǎn)成本,又解決了現(xiàn)場粉塵無組織排放的問題,同時貴重金屬細粉的回收也帶來了可觀的經(jīng)濟效益。上述研究及成果具有占地面積小、集成度和自動化程度高、投入費用低、可推廣性強等優(yōu)點,可廣泛應(yīng)用于催化劑工業(yè)生產(chǎn)中各種類型粒徑在2~11 mm 的粉狀、粒狀和球狀物料的輸送和篩分除塵裝置中。