一种快速模拟FCC装置三旋单管及烟机结垢的系统及制备模拟垢样的方法与流程

本发明涉及流化催化裂化技术领域，具体而言，涉及一种快速模拟fcc装置三旋单管及烟机结垢的系统及制备模拟垢样的方法。

背景技术：

目前，流化催化裂化(fcc)装置三旋单管或烟机催化剂结垢现象较为普遍，造成三旋效率下降，烟机故障率升高。进而使烟机入口催化剂粉尘浓度超标，达到300～500mg/m³，致使烟机叶片结垢并磨损严重，引起烟机振动超标而紧急停工，严重影响fcc装置长周期稳定运行。因此，开发fcc装置三旋单管或烟机防结垢技术十分必要。

fcc装置三旋单管或烟机结垢原因主要有两方面：一是大量催化剂细粉形成了结垢的基础物质，催化剂细粉具有静电吸附作用；二是有粘结性物质存在，如含硫、钙、铁、磷等盐类，在高温下易形成低熔点硫酸盐、磷酸盐等物质，粘结在三旋单管壁面或烟机叶片上，特别是当装置操作出现波动、产生700℃左右的高温时，结垢现象更加严重。

针对fcc装置三旋单管或烟机结垢的原因，涂层防护可作为fcc装置三旋单管及烟机防结垢的方法之一，而三旋单管及烟机垢样的试验室快速制备是进行涂层防结垢性能研究的基础，在此基础上方能进行涂层防结垢性能的评价。在fcc装置三旋装置运行中，单管/烟机结垢往往要经历几个月或更长的时间才能形成，若能在试验室条件下快速制备出模拟垢样，则有利于涂层防结垢性能的研究，方便防护涂层的筛选。

目前，在模拟垢样制备方面，常采用烧结法。在与三旋单管及烟机叶片相同材质的长方形试样上放置等量的催化剂样品，并添加相关试剂，在高温马弗炉中进行静态高温烧结试验以制备垢样，以模拟结垢工况。尽管所结模拟垢样的成分与工业垢样接近，但上述烧结方法存在明显缺点：1.模拟垢样自身内聚强度较低，轻触即碎，形貌较差；2.模拟垢样与基体金属不粘接；3.烧结试验为静态试验，且不连续进料，而实际工况为动态连续进料，因此，静态烧结试验所制备的模拟垢样代表性差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种快速模拟fcc装置三旋单管及烟机结垢的系统。可实现在试验室条件下使三旋单管及烟机叶片快速、有效的结垢，便于进行涂层防垢试验研究。

本发明的另一目的在于提供一种快速模拟fcc装置三旋单管及烟机结垢的系统制备模拟垢样的方法。该方法可在较短时间内制备出代表性强的模拟垢样，克服了现有模拟三旋单管及烟机结垢技术的缺点，可实现三旋单管及烟机快速、有效的结垢。

本发明是这样实现的：

一种快速模拟fcc装置三旋单管及烟机结垢的系统，包括汽化炉，空气加热炉，催化剂加料系统，催化剂加热炉，二氧化硫氧化炉和反应炉，空气加热炉和催化剂加料系统均通过管路连接催化剂加热炉，催化剂加热炉，溶液汽化炉和二氧化硫氧化炉均通过设置管路连通至反应炉中，反应炉内设置有三旋单管和烟机中的任意一种，三旋单管通过三旋单管外壁与反应炉内壁固定连接，烟机包括外设的壳体，并通过壳体与反应炉内壁固定连接，三旋单管或烟机设置有进料端并通过进料端与进料管路连通。

在本发明应用较佳的实施例中，上述汽化炉还连接有加溶剂系统，反应炉通过气路管道与尾气处理系统连通。

在本发明应用较佳的实施例中，上述三旋单管包括分离锥体，进气管和排气管，进气管的管内壁与分离锥体的内侧壁相切连接并与分离锥体内部连通，分离锥体的底部连通排气管，进气管与进料管路连通。

一种快速模拟fcc装置三旋单管及烟机结垢的系统制备模拟垢样的方法，包括依次进行的如下步骤：启动空气加热炉，二氧化硫氧化炉和反应炉，空气经空气加热炉加热后经管路将由催化剂加料系统加入的催化剂吹至催化剂加热炉中进行加热；二氧化硫在二氧化硫氧化炉中部分氧化形成硫化物sox，溶液汽化炉中汽化后的溶液通过管路进入反应炉中与通过管路分别进入反应炉中的催化剂、空气、sox进行结垢反应，最终在三旋单管或烟机表面结垢。

在本发明应用较佳的实施例中，上述空气加热炉中的空气的温度为650－780℃，催化剂加热炉中的固相原料的温度为650－780℃，二氧化硫氧化炉中的sox的温度为450－550℃，溶液汽化炉中汽化后的溶液的温度为650－780℃，反应炉的反应温度为500－780℃；

优选的，空气加热炉中的空气的温度为680－750℃，催化剂加热炉中的固相原料的温度为680－750℃，二氧化硫氧化炉中的sox的温度为470－520℃，溶液汽化炉中汽化后的溶液的温度为680－750℃，反应炉的反应温度为680－750℃。

在本发明应用较佳的实施例中，上述在三旋单管表面结垢的反应时长为40－80h，在烟机叶片表面结垢的反应时长为50－100h。

在本发明应用较佳的实施例中，上述三旋单管结垢反应的主要原料包括如下重量分数的组分：fcc催化剂：11.4～26.62wt％，so2：2.00～4.60wt％，cacl2：0.36～0.83wt％，(nh4)2hpo4：0.36～0.83wt％，nahso4：0.18～0.42wt％和水蒸气：66.7～85.7wt％。

在本发明应用较佳的实施例中，上述烟机结垢反应的主要原料包括如下重量分数的组分：fcc催化剂：8.20～35.90wt％，so2：1.44～6.90wt％，cacl2：0.26～1.14wt％，(nh4)2hpo4：0.26～0.88wt％，nahso4：0.13～0.44wt％和水蒸气：56.30～83.90wt％。

在本发明应用较佳的实施例中，上述还包括对cacl2、(nh4)2hpo4和nahso4进行分别研磨，并过1250目筛，使粒径小于10μm。

在本发明应用较佳的实施例中，上述的进料方式如下(1)和(2)所示：

(1)将cacl2、(nh4)2hpo4和nahso4与fcc催化剂混合后作为固相物质原料，用蒸馏水单独进料，加热汽化后作为液相物质原料；

(2)将催化剂和cacl2混合作为固相物质原料用，蒸馏水与(nh4)2hpo4和nahso4混合制成溶液，将混合溶液加热汽化后作为液相物质原料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了快速模拟fcc装置三旋单管及烟机结垢的系统及制备方法，烟气可在三旋单管及烟机模型内旋转流动或者吹动烟机叶轮旋转，并发生结垢反应，更接近实际三旋单管及烟机内烟气旋转流动的工况；

本发明所提供的快速模拟fcc装置三旋单管及烟机结垢的系统及制备方法自动化程度高，可实现加热炉自动升温、控温和固相原料、液相原料和气相原料加料量的精准计量；

本发明所制备的模拟垢样自身内聚强度较高，质地坚硬，形貌较佳，模拟垢样与基体金属表面结合强度高，模拟垢样元素组成与实际垢样基本一致；

本发明可实现连续动态进料，各组分比例实时保持一致，模拟垢样代表性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为快速模拟fcc装置三旋单管结垢的装置图；

图2为三旋单管模型结构图；

图3为实施例1的三旋单管模拟垢样图；

图4为实施例2的三旋单管模拟垢样图；

图5为实施例3的三旋单管模拟垢样图；

图6为烟机叶轮模型图；

图7为实施例4的烟机叶轮模拟垢样图；

图8为实施例5的烟机叶轮模拟垢样图；

图9为实施例6的烟机叶轮模拟垢样图。

图标：1-加水系统；2-溶液汽化炉；3-空气加热炉；4-催化剂加料系统；5-催化剂加热炉；6-二氧化硫氧化炉；7-反应炉；71-进料管路；8-尾气处理系统；10-三旋单管；11-分离锥体；12-进气管；121-进料端；13-排气管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参阅图1所示，快速模拟fcc装置三旋单管结垢的装置包括加水系统1，溶液汽化炉2，空气加热炉3，催化剂加料系统4，催化剂加热炉5，二氧化硫氧化炉6，反应炉7和尾气处理系统8，主风空气经空气加热炉3加热后温度达到750℃。

将催化剂、cacl2、(nh4)2hpo4和nahso4分别进行研磨，用1250目的筛子进行筛分，取筛过物进行混合作为固相物质原料，其中控制催化剂进料速率为186.0g/h，cacl2进料速率为5.8g/h，(nh4)2hpo4进料速率为5.8g/h，nahso4进料速率为2.9g/h。将固相物质原料由催化剂加热系统4加入管路后，经主风空气吹入催化剂加热炉5内进行加热，加热至固相物质原料温度为750℃。

通过加水系统1将蒸馏水输送至溶液汽化炉2中进行汽化，也可以通过离心泵将蒸馏水输送至溶液汽化炉2中进行汽化，汽化温度为700℃。蒸馏水的进料速率为900g/h。

二氧化硫和空气在二氧化硫氧化炉6中进行部分氧化反应，生成sox，控制so2的进料速率为200nml/min，用于so2氧化的空气进料速率为700nml/min；三旋单管10进气管的进气速率为28m/s，sox的温度为450℃。本发明在溶液汽化炉2，空气加热炉3，催化剂加热炉5，二氧化硫氧化炉6和反应炉7上均设置有温度计，控温装置和流量计，并可以根据需求对各加热炉进行自动升温，控温，进料量的精准计量。本发明可实现连续动态进料，各组分比例实时保持一致，模拟垢样代表性强。

将水蒸气，固相物质原料，sox在进料管路71中混合后，在气流的作用下进入反应炉7中，经三旋单管10的进料端121在三旋单管10中进行旋转流动，参照图2所示，气流沿分离锥体11的切向进入，在三旋单管10的内壁进行结垢反应，反应50h，反应后的剩余气体经分离锥体11底部的排气管13排出至管路中，管路连通至尾气处理系统8中，经处理达标后，最后排出到大气中。经过试验后，得到三旋单管模拟垢样1，参照图3所示。

实施例2

将催化剂、cacl2、(nh4)2hpo4和nahso4分别进行研磨，过1250目筛，取筛过物进行混合作为固相物质原料，控制催化剂的进料速率为186.0g/h，cacl2进料速率为5.8g/h，(nh4)2hpo4进料速率为5.8g/h，nahso4进料速率为2.9g/h；水进料速率为1500g/h；so2进料速率为200nml/min，so2氧化用的空气进料速率为700nml/min；三旋单管进气管12的进气速率为28m/s；控制主风空气温度为750℃；水蒸气温度为700℃；sox温度为450℃；固相原料进料温度为750℃；反应时间为70h。经试验后得到三旋单管模拟垢样2，参照图4所示。

实施例3

将催化剂、cacl2、(nh4)2hpo4和nahso4分别进行研磨，过1250目筛，取筛过物进行混合作为固相物质原料。控制催化剂的进料速率为279.0g/h，cacl2进料速率为8.7g/h，(nh4)2hpo4进料速率为8.7g/h，nahso4进料速率为4.4g/h；水进料速率为1500g/h；so2进料速率为200nml/min，so2氧化空气进料速率为700nml/min；三旋单管10的进气管12的进气速率为28m/s；控制主风空气温度为750℃；水蒸气温度为700℃；sox温度为450℃；固相原料进料温度为750℃；结垢反应时间为70h。经试验后得到三旋单管模拟垢样3，参照图5所示。

将工业三旋单管垢样与实施例1中的三旋单管模拟垢样采用x射线荧光光谱分析进行主要成分对比，检测结果参照表1所示，由表1可以得出，实施例1模拟垢样元素组成与实际工业垢样基本一致，模拟垢样代表性强。

表1工业三旋单管垢样与试验单管模拟垢样主要成分对比

实施例4

本实施例提供了一种用于快速模拟fcc装置烟机结垢的装置，与实施例1区别在于，反应炉7中设置有烟机叶轮模型，其中烟机叶轮的模型图参照图6所示，烟机包括外设的壳体，并通过壳体与反应炉内壁固定连接，烟机设置有进料端并通过进料端与进料管路连通。本发明在50～100h之内即可成功制备出fcc装置烟机有效模拟垢样，代表性强；而现有的静态烧结技术制备模拟垢样的时间一般为10h以内，虽然时间短，但模拟垢样的代表性差；而工业上fcc装置烟机结垢往往要经历几个月甚至几年的时间才能形成。对比于静态烧结结垢和工业结垢，本发明可在较短时间内制备出代表性强的模拟垢样，克服了现有模拟烟机结垢技术的缺点，可实现烟机快速、有效的结垢。

将催化剂、cacl2、(nh4)2hpo4和nahso4分别进行研磨，用1250目的筛子进行筛分，取筛过物进行混合作为固相物质原料，其中催化剂进料速率为279.0g/h，cacl2进料速率为8.7g/h，(nh4)2hpo4进料速率为8.7g/h，nahso4进料速率为4.35g/h；水进料速率为2000g/h；so2进料速率为200nml/min，so2氧化用的空气进料速率为700nml/min；主风温度为750℃；水蒸气温度为700℃；sox温度为450℃；固相原料进料温度为750℃；结垢反应时间为70h。经试验后得到烟机叶轮模拟垢样1，参照图7所示。

实施例5

将催化剂、cacl2、(nh4)2hpo4和nahso4分别进行研磨，过1250目筛，取筛过物进行混合作为固相物质原料，其中催化剂进料速率为242.0g/h，cacl2进料速率为7.54g/h，(nh4)2hpo4进料速率为7.54g/h，nahso4进料速率为3.77g/h；水进料速率为2000g/h；so2进料速率为200nml/min，so2氧化用的空气进料速率为700nml/min；主风温度为750℃；水蒸气温度为700℃；sox温度为450℃；固相原料进料温度为750℃；结垢反应时间为80h。经试验后得到烟机叶轮模拟垢样2，参照图8所示。

实施例6

将催化剂和cacl2分别进行研磨，过1250目筛，取筛过物进行混合作为固相物质原料，(nh4)2hpo4、nahso4和蒸馏水进行混合配置成溶液作为液相物质原料。其中催化剂进料速率为230.0g/h，cacl2进料速率为7.27g/h，(nh4)2hpo4进料速率为5.6g/h，nahso4进料速率为2.80g/h；水进料速率为360g/h；so2进料速率为200nml/min，so2氧化用的空气进料速率为700nml/min；主风空气温度为750℃；蒸汽温度为700℃；sox温度为450℃；固相原料进料温度为750℃；结垢反应时间为50h。经试验后得到烟机叶轮模拟垢样3，参照图9所示。

将工业烟机垢样与实施例5中的烟机模拟垢样进行主要成分对比，检测结果参照表2所示，由表2可以得出，实施例5模拟烟机垢样元素组成与实际工业垢样基本一致，模拟垢样代表性强。

表2工业烟机垢样与试验烟机模拟垢样主要成分对比(％)

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。