Сепараторы третьей ступени Альтернатива для возврата твердых частиц

Краткий обзор
Газы, выходящие из регенератора крекинга катализатора в псевдоожиженном слое, обычно содержат в себе количество катализатора равное от 200 до 300 мг/Нм3. Во многих странах такой объем катализатора до того, как газы будут выброшены в атмосферу должен быть уменьшен до менее, чем 50 мг/Нм3. Для выполнения этого требования многие пользуются электростатическими фильтрами (электофильтрами) или скрубберами, но некоторые пользуются циклонными сепараторами. Эта презентация описывает варианты и ограничения, которые необходимо учитывать при принятии решения, стоит ли использовать циклонный сепаратор, часто называемый циклонным сепаратором третьей ступени, так как он является окончательным агрегатом по сбору твердых частиц. Поскольку имеется несколько типов циклонов и несколько способов их расположения в сепараторах, здесь представлены преимущества и недостатки циклонов разных типов и расположений.

Сепараторы третьей ступени – Альтернатива для возврата твердых частиц

Что такое циклонные сепараторы третьей ступени?
Это название применяется к некоторым видам циклонных систем возврата твердых частиц, расположенных вне регенераторов крекинга катализаторов в псевдоожиженном слое. Название происходит из того факта, что эти циклонные системы получают газы, прошедшие через две ступени циклонов, расположенных внутри сосудов регенератора. Многие циклоны третьей ступени получают газ непосредственно из регенератора при температуре и давлении на выходе. Однако, некоторые циклонные системы располагаются ниже за котлом-утилизатором. В таком случае объем газа становится меньше, так как температура газа была понижена, а давление нет. Другие циклонные системы устанавливаются рядом с выпускными трубами, где температура газа может доходить от 230° до 315° С, а газовое давление почти равно давлению окружающей среды.

В большинстве установок циклоны устанавливаются внутри сосудов под давлением, однако существуют некоторые системы, где циклоны с диаметрами от 1 до 1,5 м спроектированы и установлены в качестве самостоятельных сосудов под давлением.

Почему необходимо использовать циклоны для соблюдения требований по ограничению выброса пыльных отходов в атмосферу?
Ответ прост – это дает экономию средств, как капитальных, так и затрат на эксплуатацию. В настоящее время наилучшее пылеулавливание для соблюдения экологических норм достигается при помощи электростатических фильтров (электрофильтров). Совсем недавно некоторые НПЗ установили скрубберы для соблюдения норм, как по пылеулавливанию, так и по извлечению оксидов серы. Однако, для этого должен использоваться двухступенчатый скруббер, поскольку очистка газа для возврата твердых частиц и очистка для извлечению серы являются двумя разными процессами. Таким образом, даже, если скруббер необходим для извлечения серы, циклоны третьей ступени могут быть удачным решением в экономии капитальных и эксплуатационных средств в секторе очистки газа от твердых частиц.

Некоторые НПЗ могут подумать об установке циклонов третьей ступени для снижения нагрузки твердых частиц на электростатические фильтры, которые слишком малы для существующего объема газа. Однако, перед этим необходимо посоветоваться с поставщиком фильтров. Дело в том, что циклоны третьей ступени будут собирать только крупные частицы, а на фильтр пойдут только самые мелкие частицы. При высоких скоростях в фильтрах и отсутствии крупных частиц, мелкие частицы могут быть вместо попадания в бункеры унесены из собирающих пластин газами. Некоторые НПЗ, имеющие установки по рекуперации энергии и фильтры, обнаружили, что, когда катализатор, собранный в циклонах третьей ступени, вводится вторично в поток газа перед фильтром, потери из фильтра снижаются.

Какие типы циклонов используются в сепараторах третьей ступени?
В сепараторах третьей ступени используются три типа циклонов (показано на Рис. 1).

• Первый тип – это цилиндрические циклоны размером 0,25 м в диаметре, имеющие осевые вводы. Газы входят в верх каждого циклона через пространство между стенкой циклона и трубкой выпуска газа. Поворотные лопатки вверху цилиндра заставляют газы закручиваться в циклоне. Твердые частицы удаляются или со дна цилиндра или через вертикальные прорези в нижней части цилиндра.
• Второй тип цилиндрических циклонов – это циклоны с диаметром 0,25 м каждый, с тангенциальным вводом вверху цилиндра. Газы входят в цилиндр под крышей циклона, проходят между трубкой вывода газа снаружи и внутренней стенкой цилиндра и закручиваются вниз по стенке цилиндра. Твердые частицы удаляются или со дна цилиндра или через вертикальные прорези в нижней части цилиндра.
• Третий тип – это циклоны больших диаметров со спиральными входами. В каждом циклоне имеется цилиндрический участок диаметром от 0,9 до 1,3 м, коническая средняя часть и бункер внизу. Газы входят в верхнюю часть циклонного цилиндра по касательной через специальное устройство, отведенное со стороны цилиндра. Таким образом, когда газы проходят между выходной трубкой газа, есть пространство между потоком газа и выходной трубкой. Твердые частицы удаляются из низа бункера через трубу некоторой длины, а иногда через разгрузочный клапан.

Отличаются ли между собой характеристики циклонов разного типа?
Есть значительные отличия в характеристиках каждого изэтих трех типов циклонных сепараторов. Ниже представлены показатели по общему сбору, которые мы и другие рассчитали при нормальных условиях эксплуатации для трех типов сепараторов:

Разницы в КПД сбора в зависимости от размера частиц для каждого из трех видов циклонных сепараторов показаны в прилагаемой таблице, называемой Коммерческий КПД сбора частиц из псевдоожиженного слоя катализатора, выполненной нефтяной компанией, имеющей все три вида сепараторов на своих НПЗ.

Что ограничивает производительность сбора циклонов?
Параметры, которые обычно учитываются, как ограничивающие факторы для производительности циклонов, включают:

• Геометрия циклона
• Диаметр циклона
• Анализ размера входящих частиц
• Количество входящих частиц
• Скорость на впуске
• Скорость на выпуске
• Вязкость газа

Об этих параметрах было много сказано. Однако, имеется несколько менее понятных факторов, которые также ограничивают производительность циклона. Когда несколько циклонов, каждый из которых имеет различную подачу частиц на вводе, разгружаются в общий бункер, давления на разгрузочном выходе циклона разные. Для уравновешивания такой разницы газы текут из циклонов с высокими давлениями в циклоны с низкими давлениями. Когда газы входят в отверстие ввода в циклоне, они вторично захватывают некоторое количество собранных твердых частиц и выносят их из циклона. Это уменьшает общую производительнсть сепаратора.

Как другие взаимодействия между газом, частицами и циклонами воздействуют на сбор частиц в циклонах?
Взаимодействия между газами, частицами и циклонами приводят к минимальному количеству частиц, остающихся в газах. Когда количество частиц, оставшихся в газах циклона достигает уровня около 45 мг/Ам3, сбор твердых частиц в циклонах останавливается. Когда эксплуатационные характеристики конструкции, не учитывающей эти ограничения, предполагают более низкие потери твердых частиц, можно подумать, что предварительно вычисленные эксплуатационные показатели не были достигнуты. Однако, также можно обнаружить, что подача на циклоны может быть увеличена до тех пор, пока предполагаемые потери не дойдут до величины вышеуказанного ограничения без какого-либо роста потерь.

Почему сепарартор с диаметром циклонов 1 м имеет большее КПД, чем сепаратор с диаметром циклонов 0, 25 м?
Во-первых, число циклонов с диаметром 1 м в одном сосуде сепаратора меньше. Обычно это от 8 до 20 циклонов. В то время, как циклонов малого диаметра может быть от 80 до 200 циклонов в одном сосуде.

Во- вторых, в сосуде с циклонами больших диаметров газы и катализатор проводятся по каналам из форсунки вертикального ввода в центре сосуда вовнутрь ввода каждого циклона. Таким образом, газы и частицы катализаторов почти равномерно распределяются в каждом циклоне. В сосудах с циклонами малых диаметров газы и частицы разгружаются из форсунки вертикального ввода в отсек. Не смотря на то, что разница в объеме газа, входящего в циклон, небольшая, большинство частиц входят в циклон рядом с точкой разгрузки. Это является основной причиной разницы в давлениях на выводе из циклона и в бункере сбора. Для уменьшения объема газов, циркулирующих между циклонами малых диаметров, от 1 до 3% газов, входящих в сепаратор, отсасываются с низа сосуда вместе с твердыми частицами. Но тем не менее, остается еще достаточно большое количество газа, циркулирующего между циклонами.

В третьих, катализатор, уходящий из каждого конуса циклона большого диаметра, входит в бункер окончательного отделения в циклоне и потом проходит вниз по трубе или «опускной трубе», из которой разгружается в сосуд. В некоторых установках катализатор, выходящий из каждой опускной трубы, проходит через запорный клапан, открывающийся только для вывода катализатора. Таким образом, утечка газа в циклоны больших диаметров существенным образом предотвращается. Поэтому нет необходимости выводить газы из сосуда или «общего бункера» для улучшения производительности циклона, но газы, могут быть выведены, если предпочитается транспортировка собранного катализатора в бункер-накопитель.

Как выглядит конструкция циклонного сепаратора третьей ступени для контроля выброса отходов в атмосферу?
На рис.2 показана система циклонов большого диаметра, где от 1 до 2% входящих газов отсасываются от низа сосуда для транспортировки собранного катализатора в циклон "четвертой ступени". Циклон четвертой ступени отделяет катализатор от сопровождающих газов и выгружает его в устройство для сброса мелких частиц или в бункер-накопитель. Обычно катализатор достаточно охлаждается в неизолированном передающем потоке к выгрузу в вагонетку или бункер, но при необходимости, в бункер-накопитель может быть введен холодный воздух. Газы из циклона «четвертой ступени» проходят через диафрагму критического течения, где перед тем, как газы выгружаются в трубу дымовых газов регенератора или дымовую трубу, давление газа уменьшается.

На рис.3 показана циклонная система большого диаметра, где нет вывода газа, потому что собранный катализатор попадает непосредственно в устройство сброса мелких частиц или бункер-накопитель. Бункер имеет приспособления для введения холодного воздуха.

Какое наиболее желаемое место расположения циклонного сепаратора третьей ступени по линии ниже от регенератора?
Если единственной целью сепаратора является контроль за выбросом отходов в воздух, и перед вентилем- задвижкой стоит котел-утилизатор, сепаратор должен быть расположен между котлом-утилизатором и вентилем- задвижкой. Преимущества такого расположения состоят в том, что:

• Объем газа становится меньше из-за более низкой температуры газа.
• Размер сепаратора уменьшен благодаря уменьшению объема газа.
• Тепловые нагрузки в сепараторе меньше благодаря более низкой температуре эксплуатации.
• Частицы, вытолкнутые из труб котла во время продувки сажей, входят в циклоны.

Если основная цель сепаратора третьей ступени, защита турбины по выработке электроэнергии, сепаратор доджен быть установлен между регенератором и турбиной.

Как предварительно расчитывается КПД циклонов третьей ступени большого диаметра?
Поставщик циклона должен предоставить кривую КПД для сосуда сбора катализатораво время его эксплуатации при определенных рабочих условиях. Проектировщик должен иметь состав размера частиц катализатора, выделяющегося перед регенератором газа. Обладая такой информацией, поставщик циклона сможет рассчитать производительность циклона. Ниже представлена типичная кривая КПД для циклонов третьей ступени большого диаметра.

Загрузите для распечатки файл
Сепараторы третьей ступени < PDF 258 KБ >