催化裂化再生器NO生成与控制的试验研究及数值模拟

摘要

流化催化裂化装置(Fluid Catalytic Cracking Unit,FCCU)是炼油工业中重油转化为轻质燃油的核心装置。随着近年来原油加工业的迅速发展,以及越来越严格的环保标准,催化裂化装置再生器排放的大量NOx已引起人们越来越多的关注。因此,进一步了解催化裂化装置再生器运行过程中含氮物质的迁移规律,揭示NOx的生成规律,进而寻找到控制NOx生成的技术,对缓解环境污染压力、提高炼油企业经济效益具有重要意义。 本文首先借助多种分析手段(元素分析、XRF、XPS、氮吸附、TG/DTA、XRD、NH3-TPD、SEM)对FCC待生催化剂碳、氮元素的赋存形态、催化剂的失活机理进行了初步研究。分析结果表明:FCC待生催化剂表面碳元素以高稳定性的石墨化碳为主,还有少量含碳的有机分子；氮元素主要是非碱性的毗咯型氮和氮氧化物,大量非碱性的含氮化合物都富集于表层焦炭以下与催化剂酸性活性中心紧密结合。此外,催化剂结焦后比表面积、孔容等下降明显,酸性活跃中心数量和强度减小；而重金属钒等对FCC催化剂的骨架造成了破坏,并且吸附于酸性活跃中心,造成了FCC催化剂的不可逆失活。 以扬子石化炼油厂80万吨,年催化裂化装置再生器为研究对象,在对其工业运行参数进行了详细热力计算的基础上,设计了一套以流化床燃烧器为核心的小型FCC待生催化剂再生试验系统,模拟工业运行的实际情况,研究了FCC再生过程中温度、压力、过剩空气系数等因素对NOx生成规律的影响。试验结果表明：炉内温度和过剩空气系数的提高使得NOx的生成上升,且低压下NOx的生成量增幅较大,高压下增幅较小；压力的提升使得含氮挥发分的析出受到了抑制,气体在炉内停留时间延长,焦炭和CO对NOx的还原效果明显,NOx的排放量呈下降趋势。综合试验结果认为：相对较低的温度和过剩空气系数,以及相对较高的压力有利于减少FCC再生器内NOx最终排放量。 依托计算流体力学(CFD)Fluent软件平台,对FCC再生器实际运行工况燃烧情况进行数值模拟,研究了再生器内流动、传热传质和燃烧过程,预报了再生器内的速度场、温度场、各组分的浓度场等参数,给出了再生器内的NOx分布,并对不同过剩空气系数和压力下FCC再生器内NOx生成情况进行了数值模拟。数值模拟结果表明:NOx的生成量随着过剩空气系数的增加而增加,并随着压力的增大而减小,这一结论与试验所得结论是一致的。综合分析后认为：控制FCC再生器内NOx生成的适宜的过剩空气系数为1.1左右；压力的提升虽然可以降低NOx的排放,但是再生器压力的提高不仅使得装置的能耗增加,也将牵动整个FCC装置的压力变化。因此,压力参数的调节需视生产实际情况进行综合考虑。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

§1.1本文的研究背景及意义

§1.1.1流化催化裂化装置的重要地位

§1.1.2流化催化裂化装置的组成及工艺

§1.1.3流化催化裂化装置氮氧化物(NOx)排放所引起的问题

§1.2流化催化裂化装置NOx的生成机理

§1.2.1流化催化裂化装置进料中氮的来源

§1.2.2再生烧焦过程中NOx的生成及其影响因素

§1.3流化催化裂化装置中NOx的控制技术

§1.3.1原料的预处理

§1.3.2新型再生器设计

§1.3.3 DeNOx助剂

§1.3.4尾气净化

§1.4本文的主要研究内容

§1.5本章小结

第二章FCC待生催化剂的表征

§2.1 FCC待生催化剂的元素分析

§2.1.1非金属元素分析

§2.1.2金属元素分析

§2.1.3 FCC待生催化剂的XPS分析

§2.2 FCC待生催化剂的失活机理分析

§2.2.1 FCC待生和新鲜催化剂的微观结构分析

§2.2.2 FCC待生催化剂的热重/差热(TG-DTA)分析

§2.2.3 FCC待生和新鲜催化剂的XRD分析

§2.2.4 FCC待生和新鲜催化剂的NH3-TPD分析

§2.2.5 FCC待生和新鲜催化剂的表观形态分析

§2.3本章小结

第三章FCC催化剂再生NOx生成控制的试验模拟系统

§3.1扬子石化FCC再生器工艺简介

§3.2扬子石化FCC再生器入口速度

§3.3小型加压流化床内FCC催化剂沉降速度和流化速度

§3.3.1小型加压流化床内FCC催化剂沉降速度

§3.3.2 FCC催化剂临界流化速度

§3.3.3再生过程中颗粒停留时间

§3.4 FCC待生催化剂再生试验模拟系统

§3.4.1流化床燃烧系统

§3.4.2加料系统

§3.4.3燃烧风

§3.5试验系统热功率计算

§3.5.1加料速率

§3.5.2颗粒消耗热功率的计算

§3.5.3管壁对流散热的计算

§3.6试验工况的确定

§3.7本章小结

第四章FCC待生催化剂再生过程NOx排放特性的试验研究

§4.1试验装置及流程

§4.2试验原料及仪器设备

§4.3试验方法及步骤

4.3.1试验前准备

4.3.2试验方法及步骤

§4.4试验结果与分析

4.4.1温度对NOx生成的影响

4.4.2过剩空气系数对NOx生成的影响

4.4.3压强对NOx生成的影响

§4.5本章小结

第五章FCC再生装置的数值模拟及结果分析

§5.1数学模型和控制方程

§5.1.1气相流动

§5.1.2 FCC待生催化剂颗粒的运动

§5.1.3气相燃烧

§5.1.4焦炭燃烧

§5.1.5辐射传热

§5.1.6 NOx生成模拟

§5.1.7湍流与NOx生成耦合

§5.2数学模拟方法

§5.2.1边界条件

§5.2.2网格划分

§5.3模拟结果

§5.3.1 FCC再生器实际运行工况的数值模拟

§5.3.2变工况下NOx生成的数值模拟

§5.3.3最佳工况的选择

§5.4本章小结

第六章全文总结与展望

§6.1全文总结

§6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文