三级串联多管旋风器作为催化剂颗粒的分离设备

催化裂化装置操作温度高于700℃ ，普遍采用三级串联多管旋风器(以下简称三旋分离器)作为催化剂颗粒的分离设备。三旋分离器存在体积大，系统阻力大(约5 kPa)、能耗高，易磨损，高温下分隔板易变形而造成漏风等缺陷。另外，三旋分离器对直径小于10 μm，尤其是5μm以下的催化剂颗粒很难分离，使大量细小催化剂颗粒流失，并危及后续汽轮机的运行。长期大量的相关研究和试验都证明，仅对旋风器进行改良是不可能从根本上解决催化裂化分离效率低的问题，关键是在高温分离技术上必须有新的突破。

1 针轮转子离心机简介

1．1 结构

针轮转子离心机基于超强离心耦合气动力分离机理，其结构如图1所示。它采取分步分仓落料的方式，上部悬挂有针轮转子，可产生旋流；在进口段，设有一个开孔的筒，借助切向蜗旋进气来向主腔体环周进风、布料，力求颗粒从针轮转子外周进入离心腔；主离心腔为锥形，通过锥面上分解的斜向下的离心力，加速颗粒使其到达落料分界面。在落料斗和主离心腔之间，采取加筋条及导向叶片等措施，使颗粒减速和屏蔽落入的颗粒；在出口处设置开孔锥筒，来削弱出口弯头边界对主腔气流的影响

1．2 技术特点

1．2．1 离心场启动方法

针轮转子外形如图2所示。

由图2可见，针轮是由u字形线材以环上挂苗的形式在环周均匀密集排列，再串联在轮毂上组成的。针苗在轮毂的一端被铰支座约束，末端自由，故而其受力后能够发生环向摆动和变形。此排列方式有利于降低针轮的启动阻力和运行阻力，使针轮在转动中具有自我调整动平衡的特点。针轮在径向无阻挡，延伸半径可以达到工业化应用尺寸。另外，针苗以微分压缩方式向气流传递机械能，能量传递效率高。

1．2．2 离心与气动力作用耦合分离机理

针轮转子离心机以超强离心为基本机理 ，它具有统一的旋转角速度，最大线速度可以达到旋风器进口速度的3倍以上。其结构的轴对称性好，湍流小而少。此外，该技术还耦合了以下3个层面上的气动力分离机理 ：

(1)在进气段颗粒切向进入，其动量方向与进入主离心腔前气流所穿过孔的方向大角度相交，迫使大部分大颗粒物预先分离和沉降。

(2)针轮转子虽只在局部安装，但其上部是重要的旋流影响区，有强烈的自由涡旋，这对进气气流所携带颗粒的大小和总量有重要影响。

(3)对于针轮转子启动的涡旋来讲，进气段的孔筒是一个依照流体力学狭缝效应构建的速度屏蔽器。颗粒从惯性减速区透过速度屏蔽器进入高旋转速度主旋流场，瞬时间接受强大离心力的作用，离心力屏障就会起到显著的分离作用。

1．2．3 磨损动量

磨损与颗粒的质量和速度的积正有关。颗粒质量再大，但若其运行速度小，形成的磨损就小。因此，只要实施对粗、细颗粒分别予以不加速和加速的措施，磨损状况就会大为改善。旋风器的严重磨损问题正是由于对大颗粒进行不必要的加速而造成的。

针轮转子离心机设计进口速度仅为10～14 m／s。气流进入初级卸料区后呈环周分布，形成颗粒减速沉降，大颗粒优先分离。由于从边缘进入主离心腔，颗粒不是都能得到转子最大线速度的加速。颗粒从转子外围的自由涡旋场区向转子移动，质量大的颗粒，在获得一个小的加速后，就得到足够的离心力而优先向边壁移动。能够达到转子而被最大加速的大部分是微尘。

1．2．4 其他特点

针轮转子离心机的运行阻力约为500 Pa，能耗低。另外，针轮转子离心机每千立方米处理量的设备耗钢量为50～70 kg，重量轻，体积也小。

2 针轮转子离心机的实际应用效果

将针轮转子离心机应用于某手烧燃煤锅炉烟气除尘，在2000 m3／h的处理能力下，二级落料中颗粒粒径及其分布情况列于表1。

在离心力屏障下，能够进入主离心腔的几乎都是粒径小于50 m的颗粒，其中粒径小于2 m的颗粒达12．9％ ，分离效率高。另外运行中发现，尽管利用了气动力分离器，但出口气流仍然有较强的旋转，这样就可以采用增加导流叶片的方法，把这部分旋转动量转化为轴向气流速度，从而可以进一步削减系统阻力。

3 用针轮转子离心机代替三旋分离器的可行性针轮转子离心机在分离性能上已经远远超越了旋风器技术，其单级处理量可以达到10000m ／h，通过多级并联可以达到任意大的处理量，用一级针轮转子离心机组代替三级旋风器组就可以满足催化剂分离的要求。

将针轮转子离心机代替三旋分离器应用于催化裂化装置，亟需解决的应是设备耐高温问题。针轮转子离心机是轻型转子的定轴转动，主要承载轴承几乎外置，深入主腔体的轴承只是在启动时起辅助作用，只要安装情况良好，正常工况下可以不受力，对润滑的要求就大大降低，这样就可选择陶瓷轴承。另外，还可采取隔热、风冷却、水冷却等措施，传动装置的耐高温问题就得以解决。针苗采用耐高温不锈钢材料制备，就可解决针轮的耐高温问题。

4 结束语