催化裂化能量回收系统高温烟气—颗粒结垢机理研究

催化裂化(FCC)能量回收系统在炼油行业中对于节能减排起到十分重要的作用，具有很高的经济效益。但是在实际运行过程中，常出现设备结垢使得设备故障率提高，能量回收效率低下，甚至造成停机停产，严重阻碍正常生产运行。目前，对于催化裂化能量回收系统内高温烟气颗粒结垢还缺乏足够的认识，现场得到的结论繁冗且普适性差，对于高温烟气的结垢机理更是缺乏系统的研究。本文针对能量回收系统存在的高温烟气颗粒结垢问题，采用理论分析、实验研究和数值计算相结合的研究方法，借助先进的计算流体力学技术，深入分析了气固两相流对低滑移速度设备和高滑移速度转动设备结垢的影响，探讨了高温烟气颗粒结垢的机理。首先，全面完善高温烟气颗粒结垢影响因素，总结分析影响规律；通过大量现场调研，进行数理统计分析，并通过实验室热态实验补充完善，得到全面的高温烟气颗粒结垢影响因素（依次为颗粒粒度、颗粒浓度、金属含量、颗粒-壁面之间的热压力、水蒸气含量、温度、处理量），并逐一探讨各因素对结垢的影响规律；详细描述结垢现象并指出结垢情况与气固两相流体流动情况息息相关。其次将烟气结垢问题转化为黏附性颗粒在边界层内的沉积黏附问题，对颗粒-壁面沉积黏附模型的基础理论进行了介绍，该模型基于JKR接触理论，将颗粒-壁面相互作用下的沉积黏附过程分为两步：一是壁面处颗粒在纯碰撞作用下的初始黏附，二是边壁处初始沉积颗粒在流体动力学作用下的拆分过程，并结合能量回收系统各装置流动特点设置合理的反弹系数建立适合于本研究的颗粒-壁面沉积黏附模型，通过CFD软件验证该模型计算结果与实验得到的颗粒黏附结垢情况吻合较好。然后按照颗粒-壁面相对运动情况，将能量回收系统设备分为低滑移速度设备以及高滑移速度转动设备，采用数值计算和理论分析相结合的研究方法研究两类典型设备下高温烟气不同操作参数（处理量、温度、操作压力和水蒸气用量）、不同物性参数（颗粒浓度、粒度和金属元素含量）对结垢的影响及结垢程度的变化趋势，为下一步建立高温烟气颗粒结垢计算模型提供数据支持，并为提出有效的阻垢措施提供理论指导。最后本文针对高滑移速度转动设备内高温烟气颗粒结垢情况建立结垢计算模型；揭示结垢过程是黏附颗粒在高温环境下烧结形成致密坚硬的物质，并随时间不断积累并逐渐长大，直到结垢物改变当地流场不适宜颗粒沉积为止；同时提出有效的控垢措施，包括：采取合适的操作温度，避开出现冷凝水以及低熔点化合物的温度范围；减小设备内颗粒浓度，避免出现极小颗粒的情况；减少平衡剂上有害金属元素的含量，并加入适当外加剂阻碍颗粒之间的相互接触；选择合适的气氛；尽量减小热压的产生来源。上述研究成果对进一步完善和优化能量回收系统工艺操作提供了理论基础和依据，对于保障催化裂化装置长周期安全运行具有重要的影响，因而具有重要的科学研究意义和工程应用价值。