催化裂化催化劑生產裝置高壓噴霧設備的優化*

□ 閆俊杰 □ 李弘揚 □ 楊 璽 □ 楊年青 □ 高 科 □ 陳 震 □ 李小偉

中國石化催化劑有限公司長嶺分公司 湖南岳陽 414000

1 優化背景

催化裂化是石油煉制的核心工藝之一,是煉廠中最重要的重油輕質化及獲取經濟效益的手段。催化裂化催化劑是全球消耗量最大的煉油催化劑。全球主要的催化裂化催化劑供應商總生產能力約為110萬t/a,我國催化裂化催化劑產能達到45萬t/a。催化裂化催化劑行業競爭激烈,優質的產品是提升企業全球競爭力的主要措施之一。

噴霧干燥成型是催化裂化催化劑生產的最后流程,通過高壓噴霧干燥和氣流分級過程,生產出合格的催化裂化催化劑成品。噴霧干燥成型使用的高壓噴霧設備包括柱塞高壓泵和氣流分級機。柱塞高壓泵將來自系統的漿液物料增壓至10 MPa～20 MPa,然后經過噴槍噴出,分裂為細小霧滴,通過氣流分級機干燥分級,生產出粒度分布合格的粉末狀催化裂化催化劑產品。

筆者以柱塞高壓泵和氣流分級機為例,介紹石油化工行業催化裂化催化劑生產裝置高壓噴霧設備的優化,具體柱塞高壓泵盤根、柱塞的改造,氣流分級機軸承箱壓蓋、軸封、軸承選型的改進。通過優化,降低高壓噴霧設備的故障率,提高運行率、生產效率、產品質量,解決了高壓噴霧設備長周期運行存在的瓶頸問題。

2 催化裂化催化劑制備流程

催化裂化催化劑生產中,將水玻璃、硅鋁膠、導向劑等原材料通過合成、晶化等一系列工序,制成粉狀催化裂化催化劑成品。催化裂化催化劑制備流程包含分子篩制備單元和催化劑制備單元兩部分,如圖1所示。綠色為分子篩制備單元流程,藍色為催化劑制備單元流程。噴霧干燥成型是催化裂化催化劑生產的最后流程,通過高壓噴霧干燥和氣流分級過程,生產出合格的催化裂化催化劑成品。噴霧干燥成型使用的高壓噴霧設備包括柱塞高壓泵和氣流分級機。柱塞高壓泵將來自系統的漿液物料增壓至10 MPa～20 MPa,然后經過噴槍噴出,分裂為細小霧滴,通過氣流分級機干燥分級。從催化裂化催化劑制備流程可以看出,柱塞高壓泵和氣流分級機是催化裂化催化劑制備流程的關鍵設備,設備安全穩定長周期運行是保證催化裂化催化劑生產裝置安全生產的基礎。

圖1 催化裂化催化劑制備流程

3 高壓噴霧設備

3.1 柱塞高壓泵

柱塞高壓泵由控制系統、減速傳動部分、動力端、液力端等部分組成。柱塞高壓泵現場如圖2所示。液力端由缸體、柱塞、吸入閥、排出閥等部件組成。缸體由316L不銹鋼塊鍛造而成,設有三個柱塞孔。柱塞由不銹鋼或陶瓷制造,通過連桿帶動。采用填料密封,防止液體泄漏和空氣滲入。

圖2 柱塞高壓泵現場

柱塞高壓泵工作時,電機通過減速箱帶動曲軸作回轉運動,曲軸通過連桿帶動柱塞作往復運動,傳動機構將電機的回轉運動轉換為柱塞的往復運動。

當柱塞作往復運動時,在泵腔內循環產生低壓及高壓,將物料吸入及排出。

3.2 氣流分級機

氣流分級機由電機、內置軸承箱、分級輪等組成,氣流分級機原理如圖3所示。

圖3 氣流分級機原理

氣流分級機工作時,氣體由進風口進入氣流分級機內,形成旋轉氣流,沿筒體上升,在氣流分級機內部形成穩定、均勻的離心力場。高壓噴霧后的物料借助重力進入氣流分級機內,與上升的氣流充分接觸,同時在離心力場的作用下被充分甩開。物料中的粗顆粒受到的離心力大于氣體對顆粒的拽力,被甩至器壁,并沿器壁滑落而下,從粗粉出口排出。物料中的細顆粒受到的離心力小于氣體對顆粒的拽力,隨氣流上升進入細粉尾氣管道,經旋風分離器后回收利用,尾氣經引風機排放。

4 柱塞高壓泵優化

4.1 存在的問題

柱塞高壓泵運行中頻繁出現盤根漏料、柱塞損壞等問題,造成故障率高、質量波動大,嚴重制約了生產的正常進行。

4.2 原因分析

原盤根為整卷混紡纖維浸四氟盤根,每次檢修更換盤根需要維修人員手工切割。由于維修人員技能水平參差不齊、檢修強度高,經常出現切割后盤根長短不一、切口角度不一致等問題,導致盤根壽命縮短?；旒徖w維材質較軟,使用中易造成較硬的物料帶入盤根內,加速柱塞磨損。每次安裝時需要維修人員進行預壓,安裝難度大、強度高。盤根偏長會造成盤根安裝后排列不齊,安裝質量降低。盤根偏短及切口不一致會造成接口處密封效果差。

原柱塞為金屬柱塞,材質為2Cr13鋼或316L不銹鋼。2Cr13鋼材質柱塞表面硬度高、耐腐蝕性差,316L不銹鋼材質柱塞耐腐蝕性強、表面硬度較低。催化裂化催化劑物料酸堿值低,并且含氯離子,使用2Cr13鋼材質柱塞表面短時間內會被腐蝕,造成柱塞漏料。使用316L不銹鋼材質柱塞表面短時間會被磨出溝槽,造成柱塞泄漏。2Cr13鋼材質柱塞使用壽命為一個月,316L不銹鋼材質柱塞使用壽命不到兩個月。

4.3 優化

針對柱塞高壓泵泄漏原因,對盤根和柱塞進行優化。新盤根材質為芳綸浸四氟,并且預制為成型盤根。芳綸浸四氟材質較混紡纖維耐酸性較好、強度高,在制作過程中施加預壓,有效延長盤根壽命。同時,成型盤根長短一致、切口平整,且切口處采用特殊膠水粘結,穩定性好,徹底消除了不確定因素導致盤根壽命短的情況。新舊盤根現場對比如圖4所示。針對金屬柱塞存在的問題,將金屬柱塞改為陶瓷柱塞。陶瓷柱塞硬度高、表面光滑,可有效降低盤根泄漏頻率,延長柱塞和盤根的使用壽命。新舊柱塞現場對比如圖5所示。

圖4 新舊盤根現場對比

圖5 新舊柱塞現場對比

4.4 優化效果

經過上述兩項優化,有效解決了盤根漏料頻繁、柱塞使用周期短,影響產品質量的問題。盤根泄漏從每月1.25次減少至每月0.4次,柱塞平均壽命由一個月延長至八個月以上,有效降低了設備故障率,節約了維修成本,保證了催化裂化催化劑生產裝置長周期穩定運行,提升了產品質量。

5 隔膜式高壓泵的應用

2016年12月,筆者單位引進隔膜式高壓泵,代替柱塞高壓泵進行試生產。使用后無外排污水產生,降低了環保壓力。使用后盤根和柱塞壽命延長至1 a以上,設備故障、維護強度、運行成本大幅降低。同時,隔膜式高壓泵柱塞運行時不需要冷卻,每臺設備每年可節約化學水消耗量9 504 t以上,同時減少9 504 t以上的外排污水,降低了環保壓力,具有廣泛的應用前景。隔膜式高壓泵在催化裂化催化劑生產中成功應用,是國內首次使用隔膜式高壓泵對高固含量、高腐蝕性介質進行高壓噴霧。隔膜式高壓泵現場如圖6所示。

圖6 隔膜式高壓泵現場

6 氣流分級機優化

6.1 存在的問題

氣流分級機投入運行三個月左右,就會出現軸承振動大、響聲異常的問題,必須停工檢修,嚴重影響催化裂化催化劑生產裝置產能。

6.2 原因分析

對氣流分級機故障軸承進行檢查,發現軸承箱壓蓋潤滑脂硬化失效,下軸承含有物料粉塵,軸承滾道磨損,游隙變大,這些是軸承振動的主要原因。

(1) 軸承箱設計存在缺陷。氣流分級機軸承箱下端密封采用單面普通毛氈密封,檢修過程中發現下部軸承內有物料顆粒進入。催化裂化催化劑生產過程中,氣流分級機內部溫度在100 ℃以上,普通毛氈密封長期在高溫環境下快速失效,密封效果下降,導致潤滑脂流失,催化劑顆粒進入軸承內,造成下軸承損壞。

氣流分級機軸承箱立式安裝,軸承采用鋰基脂潤滑。由于軸承箱上部沒有加油孔,因此只能采用閉式軸承。軸承潤滑脂在高溫下黏度降低,流動性提高,上部軸承內潤滑脂流失,導致軸承長期處于潤滑不良狀態,造成軸承損壞。

(2) 軸承選型不合理。氣流分級機原設計軸承采用兩個7314B角接觸軸承面對面安裝,同時承受徑向力和軸向力。該類軸承適用于較高轉速,同時承受軸向和徑向載荷的場合,對安裝精度有很高要求。在實際生產中,下軸承所處環境溫度較高,裝配難度大,裝配時即使考慮熱膨脹因數,仍較難精確。安裝后,若軸承游隙偏大,則軸承會產生振動;若軸承游隙偏小,則軸承會在短時間內燒壞。根據氣流分級機受力分析,氣流分級機運行過程中只產生向下的軸向力,不會產生雙向軸向力,單個角接觸軸承完全可以解決設備軸向力問題。

6.3 優化

針對氣流分級機故障率高的情況,對軸承箱和上軸承選型進行優化。

軸承箱優化包括兩個方面。一是通過重新加工下軸承壓蓋,將下部密封改為雙向密封。上層采用耐高溫膠骨架油封,防止潤滑脂向下流失。下層采用耐高溫毛氈密封,防止分子篩顆粒進入下軸承滾道。二是對上部軸承壓蓋進行優化,增加注油孔,安裝油杯,并定期對上部軸承補充潤滑脂。優化后的上軸承壓蓋如圖7所示。選用兩邊帶防塵蓋的軸承,去除上部防塵蓋,保留下部防塵蓋,以減緩潤滑脂流失。另外,由耐高溫油脂代替原鋰基脂。

圖7 優化后上軸承壓蓋

對于上軸承選型優化,將上部7314B角接觸軸承改為6314深溝球軸承,主要承受氣流分級機運行過程中產生的徑向力,同時起到在徑向固定的作用。下部軸承繼續使用7314B角接觸軸承,承受氣流軸向力和一部分徑向力,安裝時外圈窄邊向上。深溝球軸承允許角偏差較大,能有效避免因軸承游隙過大或過小造成的軸承早期失效問題,同時安裝精度要求較低。

6.4 優化效果

經過兩項優化,有效解決了氣流分級機故障率高的問題,設備運行周期從三個月左右延長至3 a左右,提高了設備穩定運行率和生產效率,降低了設備故障率,提升了產品產量和質量。

7 結束語

筆者以柱塞高壓泵和氣流分級機為例,介紹石油化工行業催化裂化催化劑生產裝置高壓噴霧設備的優化,包括柱塞高壓泵盤根、柱塞的優化,氣流分級機軸承箱壓蓋、軸封、軸承選型的優化。通過采用新型盤根代替普通盤根,采用陶瓷柱塞代替金屬柱塞,有效解決了柱塞高壓泵盤根頻繁泄漏及柱塞壽命短的問題。通過在氣流分級機軸承箱上部軸承壓蓋開注油孔并增設油杯,將下部壓蓋密封優化為雙向密封,優化軸承選型,有效解決了氣流分級機使用周期短的問題。通過優化,提高了高壓噴霧設備的穩定運行率和生產效率,降低了設備故障率,提升了產品質量,消除了安全環保隱患。