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：烃系统和空气系统。

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NO_x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NO_x。

 

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NO_x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NO_x，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NO_x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；NO_x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NO_x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NO_x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NO_x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。