镇海炼化│丙烷脱氢装置空气系统问题探讨


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编 辑 | 化工活动家
来 源 | 炼油技术与工程 镇海炼化
作 者 | 刘晓成等

关键词 | 丙烷脱氢  空气系统

共 2135 字 | 建议阅读时间 10分钟

导 读

丙烷脱氢工艺以丙烷为原料制丙烯,是实现高附加值最有效的途径,经过不断完善,该工艺的能耗和收率远优于煤制烯烃工艺,具有较强竞争力,工业应用也日趋成熟。目前国内丙烷脱氢制丙烯工艺成功商业化的主要有UOP公司的Oleflex工艺和Lummus公司的Catofin工艺,这两种工艺的主要差别在于催化剂和反应工段的不同,在实际运行中都存在一些问题。

流程简述及存在的问题

镇海炼化丙烷脱氢装置采用Lummus公司的Catofin脱氢专利。该工艺采用固定床反应器进行脱氢反应,主要分成两个系统:烃系统空气系统


烃系统主要是用于丙烷脱氢反应,利用8台反应器循环脱氢,再生得到丙烯和丙烷的混合物,经分离得到丙烯产品。


空气系统主要用于反应器脱氢床层再生再热,空气(1120t/h)经过滤器脱除杂质,利用压缩机升压至0.1MPa,压缩后的空气经空气预热器加热至270℃,进入烟气余热锅炉加热至380℃,最后经空气加热炉加热至630℃,加热空气进入反应器再生脱氢催化剂。从反应器流出的再生烟气(10kPa,560℃)经非金属膨胀节、烟气余热锅炉在300℃条件下选择性催化还原(SCR)脱硝后进入空气预热器,回收热量后排至大气。丙烷脱氢装置空气系统流程示意见图1。

反应器催化剂再生需要1120t/h的空气升温至630℃才能满足生产要求,因此空气系统具有压力低、温度高、流量大的特点。在实际运行中空气系统出现了一些问题:

①再生烟气未脱硝之前呈棕黄色;

②在高负荷工况下,空气系统非金属膨胀节经常破损;

③烟气余热锅炉入口锥段隔热材料破损,导致烟气余热锅炉锥段表面超温,在长周期运行中,再生烟气的氨逃逸率和NOx含量随着SCR脱硝催化剂床层压差上升而升高。

分析与讨论

01
再生烟气中污染物


空气系统再生烟气未脱硝时呈棕黄色,分析发现烟囱外排烟气中的主要污染物为NOx

 

①空气加热炉温度对污染物含量的影响

在未安装SCR脱硝催化剂床层前,空气系统升温时烟囱排放口的烟气颜色有明显的变化:加热炉出口温度较低时,外排烟气颜色较浅;加热炉出口温度升至630℃时,烟气颜色较深。对不同温度下空气加热炉出口的再生烟气取样分析,结果见表1。

从表1可以看出,加热炉出口温度越高,烟气中NOx含量越高,并且加热炉出口烟气中的污染物主要为NO。


②SCR脱硝催化剂对污染物的脱除效果

为了脱除NOx,在烟气余热锅炉内安装SCR脱硝催化剂床层。再生空气温度630℃时,分别在空气加热炉入口、空气加热炉出口、反应器出口及烟囱排放口采集烟气进行分析,结果见表2。

从表2可以看出,烟气中NOx主要产生于空气加热炉。经过反应器后,烟气中CO2和CO浓度升高,说明再生空气在反应器中有燃烧迹象;NOx总浓度升高,NO2浓度升高,NO浓度降低,说明脱氢催化剂能促进NOx的生成。与反应器出口相比,烟囱排放口烟气中的SO2浓度明显降低,原因可能是经过SCR催化脱硝后,SO2被氧化成SO3或与氨气反应生成了铵盐。经SCR催化脱硝后,烟气中NOx浓度大幅度降低,满足GB 31571-2015《石油化学工业污染物排放标准》的要求,说明SCR催化脱硝是降低NOx浓度的有效手段。

02
非金属膨胀节破损


在长周期运行中非金属膨胀节多次破损,导致高温烟气泄漏。破损原因:

①膨胀节装配时接头未焊透;

②接头处过热造成焊接填料熔化而失去强度。为彻底解决该隐患,将非金属膨胀节更换为金属膨胀节(见图2),已平稳运行2a。说明虽然空气系统压力低,但烟气温度高,非金属膨胀节不适用于该系统。

03
烟气余热锅炉入口锥段表面温度异常升高


日常监测发现烟气余热锅炉锥段表面温度缓慢上升至478℃,装置停工内部检查时发现余热锅炉锥段内保温层严重损坏。原因可能是余热锅炉入口锥段烟气流速高达50m/s,在高流速下入口锥段形成真空,保温材料被抽吸至催化剂孔道,导致烟气在孔道中流速降低,而烟气从反应器流出后带有少量催化剂粉尘和铁锈颗粒物,它们在低流速下沉降至催化剂孔道,最终堵塞催化剂孔道。为了彻底解决该问题,将余热锅炉入口锥段内保温层改用派罗块纤维模块加内衬护板。派罗块纤维模块不仅有较高的强度,还具备低热传导性。改造后,余热锅炉锥段表面温度降至101℃,已平稳运行2a。


04
SCR脱硝催化剂床层压差升高


SCR脱硝催化剂床层压差从2.3kPa升至6.5kPa,远超设计值(4.3kPa),严重威胁床层运行,装置被迫停运消缺。为充分利用SCR脱硝催化剂,将催化剂大模块解体成小模块,拆开脱硝催化剂大模块后发现催化剂孔道已被堵塞,见图3。

用0.6MPa的工厂风逐一吹扫小模块孔道,吹扫干净后复装成大模块重新投入使用。


SCR脱硝催化剂检修前后数据见表3。

运行中SCR脱硝催化剂床层压差逐渐升高,氨逃逸率升高,脱硝效率降低。吹扫后,SCR脱硝催化剂床层压差、脱硝活性和氨逃逸率恢复至初始状态,说明清除积灰能够恢复SCR脱硝催化剂的脱硝性能,验证了该SCR脱硝催化剂属可逆失活。


取SCR脱硝催化剂孔道内的积灰,用ICP扫描光谱仪分析得知,积灰组成以硅、铝、钙、铁、铬为主,为保温材料、铁锈和脱氢催化剂粉尘。借鉴某发电厂的经验,在SCR脱硝催化剂床层处增加高频声波吹灰器系统,其发声功率达30kW,发声频率在10~10000Hz,能与设备内部任意形式的积灰产生共振,可以有效清除积灰、解决堵塞。使用高频声波吹灰器系统后,SCR脱硝催化剂床层压差未出现明显上升的现象。


05
使用不同SCR脱硝催化剂的对比


为了推进丙烷脱氢装置SCR脱硝催化剂国产化、降低装置运营成本,选择某国产催化剂与原进口催化剂进行对比,结果见表4。

发现该国产催化剂与进口催化剂存在一定的差距。

 

原进口催化剂对NO和NO2的脱除率高,更换该国产SCR脱硝催化剂后,NO和NO2脱除率以及总体脱硝效率降低。针对丙烷脱氢装置空气系统的特殊性,国产SCR脱硝催化剂需要开发专一性强的产品才能满足市场要求。