烧结金属纤维过滤器的性能评估流体催化裂化装置

文摘

长期测试进行流体催化裂化(FCC)热气体过滤设备使用烧结金属过滤器的蜡烛。最大操作温度和压力是55°C和0.28 MPa,分别。特定粒子采样系统被用来测量粒子大小和浓度直接在高温下。入口颗粒浓度的范围从150到165毫克/海里³。出口粒子浓度在0.71 - -2.77毫克/纳米的范围³在稳定运行。过滤效率从98.23%降至99.55%。入口体积平均直径和粒子的出口体积平均直径约1μm和2.2μm,分别。蛋糕厚度计算基于卡曼-科泽尼的方程。操作参数的影响,包括面对速度,气体净化压力、脉冲持续时间和最大压降进行了调查。确定最优操作条件和清洗策略。结果表明,烧结金属纤维过滤器适用于工业应用由于良好的性能和效率高。

1。介绍

热气体过滤从工业过程提供了各种优点提高流程效率、热回收,保护装置安装。特别是高温气体过滤是一个重要的技术,增压流化床燃烧(PFBC)和整体煤气化联合循环(IGCC),有前途的燃煤发电大幅提高热力学效率和减少微粒污染物排放(1- - - - - -4]。过滤可以保护气体涡轮叶片的侵蚀和腐蚀,提高换热器的性能与汽轮机通过减少颗粒沉积。

最初,上面提到的联合循环发电驱动的开发,但是现在的焦点转移到化学和加工工业。流体催化裂化(FCC)是一个过程,将高分子量转化为光和获得高价值的碳氢化合物通过接触粉末催化剂在适当的工艺条件(5- - - - - -7]。基本上,FCC过程包括两个部分。一部分用于开裂发生在接触热催化剂粒子约520°C,而另一个部分是专为催化剂的再生约720°C,积炭的从1 - 2 wt %减少到0.05 - -0.2 wt %通过燃烧的空气送入再生器约为0.3 MPa。gas-catalytic反应,高温气体过滤的主要目的是恢复余热,减少粒子释放。此外,高温气体过滤可以保护下游设备和满足环境标准。在气-固反应,气体必须彻底清洗,以避免涡轮叶片损伤,并有很强的热利用燃气轮机发电。

强烈要求开发新材料和先进的FCC过程在高温下操作策略。陶瓷过滤器是一种最有前途的高温气体过滤技术。然而,由于限制的设计和材料,长期经营陶瓷过滤器还没有非常成功(8]。有一些基本限制由于内在的材料特性,需要改进(9]。陶瓷过滤器的不可靠性示范试验中阻碍了他们的应用程序(10]。烧结金属纤维过滤器已被成功地用于热气体系统多年来(11]。他们也被用于高温气体过滤在各种植物由于其断裂韧性的特点,高抗热震性能,使用寿命长(12]。

本研究的目的是评估高温烧结金属纤维过滤器的性能在各种操作条件下在FCC高温气体过滤设备。操作参数的影响进行调查,以确定最优操作条件和清洗策略。

2。材料和方法

2.1。实验装置

FCC装置的典型布局和高温气体过滤设备的位置见图1。流化速度非常高,接近终端速度的催化剂在反应器和再生器床。在这个高速度、废气净化微粒。反应堆的输出提供给电池主要和次要的气旋,连接在系列,定位在反应堆容器内。这些气旋返回反应器的催化剂床。

热气体过滤设备的原理图如图2。FCC尘土飞扬的主要操作参数和组成气体总结在表1。超过7000小时的连续测试期间进行了研究。设备的主要部件包括脉冲清洗过滤装置,粒子采样系统和数据采集系统。设备设计的最高工作温度为800°C。通过改变过滤容器外保温层的厚度,操作温度可控制在所需的温度水平。

的过滤容器是一个不锈钢圆柱列直径360毫米,3300毫米高度,和一个锥形基地。该船是为了接受三个蜡烛过滤器和60毫米外径600毫米总长度。每个过滤器垂直悬浮在管板和415毫米直径20毫米厚度。的总体视图过滤容器图给出3。FCC流从再生器可以进入测试设备容器从旁路管线通过一个50毫米直径管道的中线约0.2米以下管板。特定气体分配器设计了混合尘土飞扬的气井。扩散板是放在前面的入口,以避免申请人直接影响的尘土飞扬的气体。料斗用于收集和排放颗粒累积容器底部的过滤器。

压缩氮气在0.3 - -0.7 MPa的压力范围是用于气体净化。脉冲清洗时间由三个控制电磁阀安装在过滤容器。每个电磁阀连接到一个喷嘴直接垂直向下到文丘里喷射器安装在过滤器的顶部。注入器也能作为一个制衡和压缩过滤器顶部和管板之间的垫片。压缩氮气的温度保持在大约250°C使用电子加热器,防止凝结在脉冲清洗。脉冲清洗的频率是由压力自动控制的方式清洗系统被激活,当达到预定的压降。设施与计算机连接,这样系统的操作参数可以登录到电脑期间,不断监控测试。

2.2。蜡烛的过滤器

过滤器的元素测试在这研究贝卡尔特公司生产的烧结金属纤维过滤器。过滤器的尺寸外直径60毫米,内部直径50毫米和600毫米总长度为8毫米的脖子的固定管板。有效过滤面积是0.113米²每个烛形滤器。孔隙度约85%,孔的直径是10到60μm。过滤器的密度约为1650公斤/米³。符合美国钢铁协会的430不锈钢制作的过滤器可以抵御高温在1000°C。

2.3。粒子采样系统

粒子采样系统包含一个离线粒子采样系统和在线粒子采样系统。两个系统是专门设计的,目的是确定粒子浓度和粒度分布(PSD)之前和之后的过滤容器。粒子采样系统是专门开发和可以使用的最高温度下650°C。

离线粒子采样系统的主要部分是一个烧结金属过滤器去除0.3管效率高99.9%μ米粒子。粒子采样系统的温度可以控制180°C以上电子加热器,以避免烧结金属过滤器内冷凝管。颗粒在过滤管的重量是由重过滤器前后管取样。下面的过滤效率报告是基于进气气体浓度、气体流量采样时间,过滤管的重量的变化。在线粒子采样系统使用一个强烈的白光照亮一个近立方粒子源传感位于中心的气溶胶的体积流路径。这本书被定义为的组合光阑置于照明的光路和两个传感分支,这是安排在一个观察角度90°反对彼此13]。原理和在线粒子采样系统的更多细节可以在我们先前的研究[14]。

3所示。结果与讨论

3.1。初始和残余压降

初始压降的定义是通过过滤压降的变化面速度通过考虑净煤气。温度的影响和面对速度通过过滤器的压降在这些测试可以调查。

图4展示了进化的初始压降与面对速度五个温度水平:305°C, 365°C, 425°C, 495°C,分别和550°C。它可以观察到,压降与面对速度近似线性增加,达西定律表示。当操作温度增加从305°C到550°C,同样面临的压力降增加速度值;这种现象主要是由于气体的粘度随温度上升。

的一个参数,可以用来测量操作时间的影响是残余压降。图5显示了压力降的变化以及过滤的操作时间。初始压降约0.85 kPa。压降的方法2 kPa时,过滤器是由脉冲清洗清洁和初始压降降低近。然而,收集到的粒子过滤器不能被完全移除。仍有一些粒子过滤器;因此,压降不恢复到初始生成和残余压降。可能的原因是微粒的收集深入过滤器毛孔难以分离。脉冲重复清洗,残余压降增加,成为超过1.1 kPa后120 h的操作时间。图6显示了残余压降的变化与过滤时间。它可以观察到,残余压降显著增加操作时间的0 - 720 h。720 h后,残余压降保持稳定在大约1.35 kPa。

3.2。催化剂粒子属性

使用扫描电子显微镜(SEM)观察催化剂粒子的微观结构。扫描电镜照片如图所示7。元素的相对比例的催化剂粒子的能量色散x射线谱(EDX)。图8和表2显示了EDX测量结果。离线的粒度分布(PSD)粒子系统是由库尔特计数器分析器(库尔特Multisizer 3),结果如图所示9。在线粒子系统的PSD测量结果图10。

它可以看到从图7入口显示良好的球形粒子。入口体积平均直径和出口体积平均直径的颗粒由离线测量粒子采样系统是1.14μm和2.37μm,分别。入口体积平均直径和出口体积平均直径在线测量粒子的粒子采样系统是0.92μm和2.21μm,分别。结果衡量粒子采样系统离线与在线测量的粒子采样系统。

3.3。过滤效率

找到峰值发射期间每个脉冲清洗后不稳定操作,和一个典型的排放概要见图11。然而,发射现象100周期后消失。在脉冲清洗,发现出口粒子浓度迅速增加。出口从16.25毫克/纳米粒子浓度的变化³37.55毫克/ Nm³在脉冲清洗。这种现象可能是由几种机制,如过滤效率的减少由于粉饼超然,粒子渗透通过过滤媒体由于脉冲清洗冲击,或直接粒子渗透通过过滤器(15- - - - - -17]。这个问题的原因之一可能是严重的气体回流从外到内的过滤器在脉冲清洗。回流使微粒再沉积的外表面过滤器甚至渗透过滤器。然而,由于一个常数和密度的形成残余粉饼层过滤器表面,排放峰值逐渐降低。这个剩余粉饼层主导后续过滤和稳定运行。

过滤器是在稳定运行时,过滤效率可以测量三个面速度(1.15米/分钟,1.5米/分钟,和2.2米/分钟)和三个温度(305°C, 425°C, 550°C)。最大压降是2 kPa和气体净化压力为0.6 MPa。粒子浓度和过滤效率的测试结果列在表中3。温度的显著影响过滤效率不能观察到在这些测试。入口粒子平均浓度范围从150到165毫克/海里³。出口粒子平均浓度在0.71 - -2.77毫克/纳米的范围³。慢压降建立在过滤,导致脉冲清洗间隔延长,过滤效率高的原因之一。过滤效率从99.55%降低到98.23%时,面对速度从1.15 m / min提高到2.2 m / min。过滤效率的降低与脉冲清洗频率的增加,这可能最终导致薄粉饼和贫穷的过滤。

3.4。粉饼厚度

因为它很难直接测量厚度蛋糕,蛋糕的厚度估计测量压降的增加粉饼使用著名的卡曼-科泽尼方程[18),应用于层流条件(Re < 1),给 在哪里粉饼厚度,是压力降穿过粉饼,球形粒子,是理想的球体的直径粒子的体积是相同的实验,是蛋糕孔隙度,卡曼-科泽尼常数(),是动态粘度的气体过滤器的操作温度,然后呢是速度的脸。粒子直径2.4μm和球形粒子的0.87 (SEM图像的观察图7)用于粉饼。蛋糕孔隙度估计的实验调查施密特在尘埃蛋糕沉积在过滤介质(19]。施密特说,限制压力下降0.5,1和2 kPa,粉饼在蛋糕表面孔隙度范围从85%到68%的过滤器表面。在这个研究中,一个蛋糕孔隙度80%被用来估计蛋糕厚度。根据最大压降和面对速度,估计蛋糕厚度在0.43 - -4.15毫米的范围。估计厚度可用于确定蛋糕质量以及灰尘附着在过滤的百分比。蛋糕的质量可以从下面的公式计算: 在哪里是蛋糕的质量,是粒子的体积密度,是有效烛形滤器长度,的外半径是清洁过滤器。

工作温度为425°C,气体净化压力为0.6 MPa,入口颗粒浓度大约是160毫克/海里³。粒子的体积密度大约是730公斤/米³。结果表明,粒子的比例附加在过滤器在65 - 90%的范围。在面临2.2米/分钟的速度,粒子可以被附加到过滤器近86%。粉饼厚度估计和压降蛋糕总结在表4。

3.5。操作参数的影响

3.5.1。面对速度

过滤器的压降主要是面对速度的影响。数据12和13显示压降变化作为时间的函数的脸速度1.15,1.5,2.2,和2.55米/分钟。最大压降被设定为5 kPa在这些测试。在面临1.15米/分钟的速度,它花了28 h为构建从最初的压降最大压降。的原因极其缓慢的压降增加包括催化剂粒子的体积密度高、低入口颗粒浓度,和平滑的表面相对光滑,过滤器,导致附着力弱粉饼的过滤器。也可以观察到类似的行为,面对速度1.5米/分钟和2.2米/分钟,它可以观察到,操作稳定,当过滤速度是1.15米/分钟到2.2 m / min。然而,不稳定的操作发生在面临2.55米/分钟的速度。在不稳定的操作如图13迅速增加,压力降穿过过滤器可以找到和初始压降的斜率不断增加,导致一个不稳定的操作和更频繁的脉冲清洗和确定的脸速度最大值不应克服。

3.5.2。气体净化压力

四种不同的气体净化压力在相同的操作条件下进行测试。数据14和15目前气体净化的效果的压力压降进化。然而,它必须指出一个上限压力清洗可以确定,而脉冲的频率保持不变,尽管增加清洗压力。压降的提高,使用清洁的压力高于0.6 MPa,不是非常重要;因此,清洁0.6 MPa的压力值被选中的测试,以减少氮的消耗。气体净化的下限压力也决定,下面的操作是不可行的。它可以观察到气体净化时操作不稳定压力低于0.45 MPa。高效除尘压力值取决于操作条件,但通常是过滤容器内的压力值的2倍。

3.5.3。脉冲持续时间

图16显示了压降变化测量的结果在不同的清洗脉冲的持续时间,包括180毫秒,240毫秒,300毫秒。可以发现长脉冲持续时间240毫秒,300毫秒值不显示显著影响压降与180毫秒的脉冲持续时间短。

3.5.4。最大压降

图17显示了压降变化的结果作为时间的函数为三个不同的最大压力下降在面临1.5米/分钟的速度。在图17可以看出,稳定运行在最大压降三个值是可能的。最大压降值3.5 kPa和4.2 kPa,初始压降保持不变和相同的彼此。但对于2.8 kPa的最大压降,初始压降是高于其他两个值。对这一现象的原因是较低的最大压降导致一层粉饼厚度降低了脉冲清洗效率。脉冲清洗的频率随含量的增加,最大压力下降。脉冲间隔从3 h - 5 h增加最大压降时从3.5 kPa增加到4.2 kPa。因此,减少了40%的脉冲清洗时间间隔可以通过更高价值的最大压降。然而,严重恶化的过滤器可能会因为上级操作变得更加严重的最大压降。

4所示。结论

长期测试进行流体催化裂化(FCC)热气体过滤设备使用三个蜡烛烧结金属过滤器在不同的运行条件。操作参数的影响,包括面对速度,气体净化压力、脉冲持续时间和最大压降进行了调查。

由于气体的粘度随温度上升,工作温度时的压降增加增加的速度值。有三个原因缓慢的压降增加,包括催化剂粒子的体积密度高、低入口颗粒浓度、相对平稳和滑表面过滤器,从而导致弱附着粉饼的过滤器。入口颗粒浓度的范围从150到165毫克/海里³。出口粒子浓度在0.71 - -2.77毫克/纳米的范围³在稳定运行。入口体积平均直径和出口体积粒子的平均直径约1μm和2.2μm,分别。过滤效率超过99%时,面对速度保持在1.15 - -1.5米/分钟。在面临2.2米/分钟的速度,然而,过滤效率低于99%减少到一个值。蛋糕厚度可以基于卡曼-科泽尼方程计算。

通过过滤器的压降主要是面对速度的影响。适当的脸速度不应超过2.2 m / min在这个研究。过度的过滤速度导致了不可行的操作。使用气体净化压力高于0.6 MPa不是非常重要的,和操作时没有可行的气体净化压力低于0.45 MPa。脉冲持续时间没有显示显著影响脉冲清洗性能。脉冲清洗的频率与更高层次的最大压降降低。然而,严重恶化的过滤器可能导致自操作变得更加严重的下一个更高的最大压降。总的来说,本文的研究表明,烧结金属纤维过滤器适用于工业应用由于实验中观察到的性能好,生产效率高。下一个研究结果是非常有用的。下一个研究的主要目的是减少排放到大气中根据越来越严格的排放标准和保护下游设备免受侵蚀。 We will discuss the long-term operation data in detail later in the next paper.

命名法

:	卡曼-科泽尼常数()
:	球体直径的粒子(m)的体积是相同
:	粉饼厚度(m)
:	有效的滤波器长度(米)
:	蛋糕质量(千克)
:	初始压降(Pa)
:	最大压降(Pa)
:	清洁过滤半径(米)
:	工作温度(°C)
:	面对速度(米/秒)
:	蛋糕孔隙度
:	球形粒子
:	动态粘度的气体过滤器操作温度(Pa·s)
:	体积密度的颗粒(公斤/米3)。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认比利时贝卡尔特公司提供的蜡烛烧结金属过滤器由中国石油长庆石化公司和实验援助。

引用

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