马宏伟万土良杨芳
摘要石化重催装置烟汽轮机入口处催化剂粉尘颗拉浓度和拉度的控制十分重要，它直接影响到整个大机组的安全运行，而粉尘监测数据的可靠性和准确性是困扰装置操作的一个常见问题。兰炼技术中心与上海理工大学合作开发的催化剂颗粒激光检测仪，成功地应用到兰州石化公司炼油厂140万t重催装置上，对三旋出口处烟气粉尘浓度和拉度进行检测，检测数据真实、可靠，结合已有的在线粉尘检测系统，保障了装置的稳定长期安全运行。
一、问题的提出
目前在国内外大型炼油厂的催化裂化装置、重油催化裂化装置（以下简称重催装置）的运行机组中，为了提高能源利用率，均安装了烟气轮机，利用烟气轮机回收催化裂化工艺过程中排放出的高温、高压烟气中的能量。这是催化裂化工艺上的一个技术进步，也是一项重要的节能措施。
烟气轮机是炼油厂催化裂化装置、重催装置的核心机组—主风机组的关键设备，其运行质量的好坏不仅关系到装置能耗的高低，而且还直接影响到装置能否正常生产。因此，保证烟气轮机的安稳长周期运行成为各炼油厂设备管理中的关键问题。烟气轮机的工作介质为再生器烧焦后产生的高温烟气，属气固两相流，对动叶片及轮盘的冲蚀很大，必须按烟气轮机标准严格控制烟气中催化剂粉尘含量。烟气中催化剂粉尘的含量与动叶片及轮盘的磨损量并不是线性关系，动叶片和轮盘的磨损会随着烟气中催化剂粉尘含量的升高而急剧增加。如果含量10μm的不能超过3%。为了保证烟气轮机的安稳长期运行，就要对烟气轮机中催化剂颗粒的浓度和粒度进行监测，以此来分析判断烟汽轮机叶片的冲蚀磨损程度。
通常烟机中催化剂粉尘的监测在开工初期均采用在线监测技术，但在实际生产中，由于有些在线监测仪器的局限性，造成检测数据的不准确和不连续，给生产操作造成误导，影响生产。经过近几年摸索，除了对原有的在线监测系统进行技术更新改造外，进一步认识到增加离线监测的重要性，并制定了相关制度。由于离线监测的数据准确性更强，完全可以取代传统的内采样法对在线系统的校验。这样，在线、离线两套系统相互补充，可保障设备的正常运行。
兰州石化公司炼油厂140万t重催装置采用了国内某公司的催化剂激光在线监测系统。由于该系统是仿制国外技术，技术不成熟，该系统自投用以后，运行一直不稳定，数据精确度差，虽经改造，但仍然不能满足连续生产的要求。分析该系统，存在以下几点缺陷：(1)采集系统本身采用了前向光散射原理，造成所需光路直径大，而光路直径越大，要净化视窗玻璃表面的难度就越大，而视窗玻璃污染后直接影响仪器的数据准确性；(2)仪器发射和接受部分都安装在高温管道上，电子元件受热辐射和气候条件影响，工作环境恶劣容易造成故障；(3)由于采用激光测试，仪器的激光发射端和接受端之间的对中要求较高，调试比较困难，另外装置开工后，由于地基的振动等原因还会发生对中偏移现象，影响数据的准确性；(4)由于采用单色激光测试，而浓度监测则要求对不同的监测对象进行逐一标定，所以给出的浓度值偏差较大。
鉴于上述原因，兰炼技术中心和上海理工大学联合开发了催化剂颗粒离线激光测粒仪，定期对兰州石化公司重催烟机粉尘进行取样检测分析，与在线系统配合，解决了在线系统精度不足不能满足生产等问题，保证了装置的长期安稳运行。
二、激光测粒仪的检测原理
激光测粒仪的原理图见图1。由激光发出的光束经针孔滤波后成为单色平行光，当该平行光照射到测量区中的颗粒群便会产生光的衍射现象。衍射散射光的强度分布与测量区中被照射的颗粒直径和数量有关，就为颗粒浓度和粒度的测量提供了可能。放在另一端的光电探测仪把照射到每一个环面上的散射光转变成电信号，电信号被处理后送入计算机，计算机根据处理后的电信号和预先编制好的程序很快就会计算出颗粒的平均粒径及尺寸分布。
激光衍射散射式粒度分析仪的形式和种类很多，但他们使用的理论基础基本都是相同的，即假定颗粒产生的散射光符合夫朗和费衍射散射和米(Mie)氏散射理论。激光器发出波长为0.6328μm的单色光，经空间滤波和扩束透镜，滤去杂光形成直径最大10mm的平行单色光束。该光束照射测量区中的颗粒时，会产生光的衍射现象。衍射光的强度分布服从夫朗和费衍射理论。在傅立叶透镜后聚焦平面上，形成散射光的远场衍射图形。在透镜后焦平面上放置一多环光电检测器，接收衍射光的能量并转换成电信号输出。
根据夫朗和费衍射原理，当测量区中有一直径为d的球形颗粒时，可求出它的衍射光强分布。激光衍射光强分布落在光电探测器某一个时，则可求出对应的散射角上的光能量。通过计算就能得到颗粒尺寸的体积分布。
三、烟气粉尘浓度的计算方法
用采样设备进行等速采样，根据采样时间内过滤筒的催化剂粉尘干重量和通过采样器的烟道气的体积，换算成标准状态，即可计算出烟气的平均浓度。
当对三旋分离器入口进行采样时，其体积流量参数可按主风量乘以烟风比计算求得。然后计算采样截面烟气平均流速υ1为：
式中Q1—进入再生器的空气总流量，m3(标准)/min
i—烟风比，1.08~1.1
D—大管道内径，m
t1—采样点处的烟气温度，℃
pa—当地大气压，MPa
p1—采样点处烟气静压（表压），MPa
p0—标准大气压，p0=0.101325MPa
当对烟机入口进行采样时，体积流量参数在烟机入口流量表上读出，然后计算采样点管道截面平均流速υ2为：
式中Q2—烟机人口的烟气流量，m3(标准)/min
达到等速采样时，计算烟气取样体积流量：设定采样管气体引入孔直径为d，并使引入孔处流速等于大管道的平均流速，则采样的体积流量为（采样条件下）：
式中qv1—烟气采样体积流量(湿基)，m3/h
d—气体引入孔直径，m
υ—大管道和采样引人孔流速，m/s，
ts—流量计锐孔中心处烟气温度，℃
烟气采样体积流量qv1，是在温度为ts，压力为当地大气压时的体积流量。换算成标准状态下的采样体积流量qv2则是：
四、现场采样需要注意的几个问题
1．确定采样位置
采样位置必须选择在气体流动稳定，没有涡流和旋流，粉尘分布比较均匀的直管段，最好是在垂直的管段上。应避免在弯头、阀门、或变径管上设采样位置，这些地方的断面形状突然改变必然引起气流方向的变化，从而对检测的结果产生影响。
2．单点采样
催化裂化装置管道内气流呈稳定的高紊流状态，其横断面各点速度分布除管壁边界层外，基本是相同的，而且呈对称分布。这种情况可以认为管道截面各点的粉尘浓度分布也处于相对均匀状态。因此选定有代表性的点，即采用单点取样方法进行日常测定采样。
单点采样法取样误差相对较小，数据的重现性较好，可方便地反复多次取样，是对催化裂化装置烟气中催化剂浓度和粒度的日常监测比较实用的方法。
3．等速采样原则
等速采样要求进入采样管引入孔的气流速度同测定点的主气流速度保持相等，这样能避免测定点的气流干扰，保证采样的准确性。达到或接近等速采样的一种简便方法，是计算采样位置管道截面的平均气速，具体测定采样位置附近的烟气温度、压力以及体积流量三个参数。
4．采样速率范围的确定
确定采样流量的大小，主要根据两方面因素。其一是滤筒的过滤速度，较合适的过滤速度为0.05~0.15m/s，对规格为φ31mm×120mm过滤筒来说，采集粉尘的合适流量在1.0
~4.0m3/h范围。其二是要根据采样时采样器温升情况而定。当高温烟气由采样管引出后，温度很快降低，当烟气温度降至露点以下，催化剂粉尘就会在采样管内壁、阀门等处粘结，使采样误差增大或失败。所以，采样时要始终使采样器温度高于烟气露点温度，使采样器始终保持干燥。根据实际经验，采样器工作温度保持在70~180℃范围是合适的。当催化装置大管道气速相对比较稳定，若按接近设计工况换算，烟机入口大管道烟气流速约在25~28m/s范围，三旋入口大管道烟气流速在15~18m/s左右。因此建议采样管烟气引入孔直径：烟机入口取φ5.5mm，三旋入口取φ6mm。
5．采样系统的设计．
采样系统由采样管、采样器、截止阀、调节阀、锐孔流量计及密封件组成。采样管同密封堆焊在一起与压紧螺母、截止阀构成一个组合件，固定在闸阀端面法兰盲板的密封座上；采样器后面紧接调节阀，规格为1/8″pg100仪表阀，调节阀后紧接锐孔流量计，流量在U型压力计上读取压差值。整套装置应该紧凑而小型化。
采样器是粉尘采集过滤设备，内装石棉玻璃纤维过滤筒。滤筒规格为φ31mm×120mm，使用温度＜400℃，石棉玻璃纤维滤筒有很高的采集效率。
锐孔流量计用于测定烟气的采样流量，烟气通过锐孔排入大气，锐孔板前接引压橡胶管到U型压力计。新制作的锐孔板必须进行流量标定。锐孔直径有φ4.7mm,φ5.5mm两种规格，其流量范围是：1.3~4.5时m3/h。
五、现场应用
自2003年4月以来，对140万t重催装置烟气浓度(表1)和粒度分布(图2)进行多次定期检测。从近期检测的数据分析，用本方法测定重催烟道中的催化剂浓度和粒度分布，其结果是符合实际情况的。
由表1可以看出，离线系统使用后，有效地校正了在线系统的数据偏差，两者结合起来，可以真实地反应重催三旋催化剂粉尘颗粒的浓度和粒度情况，保证数据的可靠性。
六、结论
为了保证衍射散射式激光检测仪数据的准确性，定期使用标准颗粒对该仪器的检测结果进行校核，结果表明该仪器监测准确性、重复性好，粒度中位粒径的误差小于5%。
每次检测时，都将离线测量数据和在线测量数据进行比较，校验在线监测系统数据的误差，为装置技术人员提供真实的数据，给装置设备的平稳操作提供保障。
离线监测系统自投用以来，及时发现了监测数据超标的情况，如今年6月份以来，从检测数据看，催化剂浓度在不断升高，中间有一次浓度值高于报警值，经分析，主要原因是操作不稳定所引起的。
离线检测技术在140万t重催装置成功应用后，又在300万t重催装置上应用，也获得了成功。