陈燕斌

（中国石化镇海炼化分公司，浙江 宁波 315000）

烃类在管式炉中的热裂解是乙烯生产的主要方式［1］。中石化镇海炼化分公司乙烯装置的规模在中国居于首位，产量高达100万吨/年［2］。在裂解炉连续运转过程中，烃类的二次裂解反应易生成焦炭，出现炉管结焦的现象，从而导致炉管管壁热阻增大、壁温升高、能耗增加，缩短炉管寿命。另一方面，焦垢会使炉管内径变小，物料流动过程压降增大，甚至堵塞管道，缩短运行周期，减少烃类处理量，严重影响乙烯装置正常生产［3］。因此，为了去除裂解炉及急冷锅炉中的焦垢，每隔一定运行时间需要进行停炉烧焦操作。然而，在清焦过程中会伴随大量烧焦尾气的产生，其中除蒸汽之外，还含有小粒径焦粒、CO、CO2等污染物［4］。

目前，我国工业排放气的除尘方式主要有：旋风除尘器［5］、文丘里水膜除尘器［6］、静电除尘器［7］和布袋除尘器［8］等。对于乙烯装置，主要采用的是重力沉降罐或传统旋风分离器来控制外排颗粒污染物。有研究结果表明，这两种装置的最大弊端是只能捕集粒径大于100 μm的颗粒物，并不适合捕集粒径10 μm及以下的微细颗粒污染物［9］。国内也有采用优化后的大管径旋风分离器的先例，且在大型乙烯工业生产中已经进行了商业投放［10］。但从工业应用结果角度分析，该类装置的分离效率还无法达到理想效果，若采用多次分离，经济效益也将大幅下降［11］。因此，亟需设计一种新型的旋流除尘分离装置来解决目前所面临的分离效率低下的问题。

本工作设计了一种新型旋流除尘器，设备内部旋流管并联集成式的设计使分离效率得以强化，能够高效去除烟气中的微细颗粒污染物，并已在乙烯装置裂解炉清焦过程尾气处理中得到应用，可以有效避免乙烯装置界区中的粉尘污染。

1 结构参数和工作原理

新型旋流除尘器现场实物照片见图1，内部结构示意见图2。

图1 新型旋流除尘器现场实物照片

图2 新型旋流除尘器结构示意

由图2可见：新型旋流除尘器由上腔体和下腔体两部分构成，两腔体之间经焊接平板（2）连接，平板上部设加强工字钢（3）和加强圈（4）进行固定。上腔体用于收集经小型旋流器（1）流出的净化烟气，并经出气口外排至大气。下腔体亦分为两部分，即上柱体和下椎体。上柱体内置60个规律排列的小型旋流器，上开口位于平板（2）上，用于脱除焦粉颗粒；为强化去除效果，在径向进气口处设置一段向下倾斜5°的弧形导流筒（5），可促使径向气流转变成为环向气流，以产生更大的离心力，同时增加焦粉颗粒向下的惯性力、稳定设备内部气流场，亦能避免气流的冲击。在上柱体下部连续注入流动水，清洗所分离的焦粉颗粒，收集于下椎体中，并经底流口定期外排。

新型旋流除尘器的型号为HL/G300-60，结构及工作参数见表1。

表1 新型旋流除尘器的结构及工作参数

在旋流除尘器的进气口、出气口增设采样阀，采用LD-5型高温激光烟道粉尘仪（珠海天创仪器有限公司）检测气体中焦粉颗粒的质量浓度。该仪器具有强力抽气泵，通过采样杆对焦粉颗粒进行测量时不受环境压力的影响；同时，采样杆为耐高温材料，长度为3 m，可适应300 ℃的工作环境；采样器滤膜直径为40 mm，孔径为0.22 μm。采用Malvren-2000型激光粒径分析仪（上海倍蓝光电科技有限公司）对焦粉颗粒进行粒径分析。

新型旋流除尘器的工作原理示意见图3。含焦粉颗粒烟气进入新型旋流除尘器后，在气体旋流场中焦粉颗粒会产生20 000～60 000 r/min的高速自转速率［12］。在自转与公转的强力耦合作用下，实现焦粉颗粒与气体的分离。如图3所示，进气口特定的导流筒使得不同粒径的焦粉颗粒在三维旋转湍流场中存在动力学差异。通过湍流流动调控焦粉颗粒运动，使焦粉颗粒由进入旋流器时的均匀混合态转变为有序排列态，解决了现有焦粉颗粒分级技术难以进行多产品分级、分级精度低、产品分散性差的问题，使焦粉颗粒分级效率得以提高，排出口焦粉颗粒浓度降低。在进口焦粉颗粒排序强化旋流分离的基础上，新型旋流除尘器中下部引入的水流先捕集到焦粉颗粒，然后在液体旋流场的作用下焦粉颗粒之间碰撞、聚集形成更大的结合体，从而更易实现焦粉颗粒的高效分离。同时，通过调控进口焦粉颗粒排序使注入的水流在旋流分离过程中形成移动拦截膜，加强焦粉颗粒在液体中的震荡，提高焦粉颗粒在液体中的碰撞、聚集概率。

图3 新型旋流除尘器的工作原理示意

2 工业应用效果

2.1 旋流除尘效率

乙烯裂解炉连续运行2个月便需要进行停运清焦处理，清焦时间一般持续36 h。新型旋流除尘器每4 h进行一次进、出气口焦粉颗粒浓度检测，共得到10组数据。新型旋流除尘器进气口及出气口的焦粉颗粒质量浓度及旋流除尘效率见图4。由图4可见：由于焦粉颗粒脱落难度随着烧焦时间而不断增加以及烧焦过程中焦粉颗粒脱落的偶然性，致使旋流除尘器进气口焦粉颗粒质量浓度整体呈现随时间逐渐减小的趋势，进气口气体中焦粉颗粒质量浓度为112.0～315.0 mg/m3，出气口气体中焦粉颗粒质量浓度为2.7～20.8 mg/m3，旋流除尘效率为89.2%～95.8%，平均旋流除尘效率达到92.8%；出气口气体中焦粉颗粒质量浓度多数处于15 mg/m3以下，符合GB 31570—2016《石油炼制工业污染物排放标准》中大气污染物粉尘颗粒物含量不超过20 mg/m3的排放要求［13］。

图4 新型旋流除尘器进气口及出气口的焦粉颗粒质量浓度及旋流除尘效率

2.2 焦粉颗粒组分

在新型旋流除尘器进气口、出气口和底流口设置采样点，对试样进行粒径分析。 进气口和底流口试样的粒径分布分别见图5～6。

图5 进气口试样的粒径分布

由图5、图6可见：进气口和底流口试样的粒径分布曲线的特点都是粒径分布范围广、分散程度高；两图15 μm到40 μm粒径区间段的曲线形状较为相似，可认为进气口焦粉颗粒粒径组成与底流口基本一致；在大于40 μm以上粒径区间段曲线形状有较大偏差，而粒径在15 μm以下的颗粒物占比都在5%以下，这是由于新型旋流除尘器对15 μm以上粒径焦粉颗粒的强分离作用以及对大粒径焦粉颗粒附带粉碎效果，也证明小粒径焦粉颗粒得到了有效分离。

图6 底流口试样的粒径分布

出气口试样的粒径分布见图7。由图7可见：出气口焦粉颗粒的粒径分布范围小，主要集中在10 μm以下。

图7 出气口试样的粒径分布

底流口焦粉颗粒的SEM照片见图8。由图8可见：焦粉颗粒呈均匀密集分布，且未出现超出数量级大小的焦粉颗粒；随机取部分区域放大，可观察到焦粉颗粒均为不规则多面体，粒径为100 μm级别以下的焦粉颗粒居多，与Malvern-2000粒径分析仪获得的数据（见图6）相近。

图8 底流口焦粉颗粒的SEM照片

3 结论

a）采用新型旋流除尘器净化乙烯裂解炉清焦尾气。进口焦粉颗粒质量浓度接近于200 mg/m3的清焦尾气经过旋流除尘后，出口烟气焦粉颗粒质量浓度基本控制在15 mg/m3以下，符合GB 31570—2016《石油炼制工业污染物排放标准》中大气污染物粉尘颗粒物含量不超过20 mg/m3的排放要求。焦粉颗粒分离效率为89.2%～95.8%，平均分离效率达到92.8%。

b）净化后乙烯裂解炉清焦尾气中的焦粉颗粒粒径绝大部分在10 μm以下。