施明贤的主要科技成果
随着催化裂化原料油质量的增加和变质,对催化三旋性能的要求越来越高。因此,在施明贤的指导下,研究团队开发了更新的PDC和PSC高效旋风管,将三重旋流器的性能提升到了一个新的高度。在洛阳石油化工总厂1994首次使用时,表现出优异的性能。三级旋风分离器出口的高温烟气中基本没有大于7 ~ 8微米的细颗粒,粉尘浓度降至100mg/m3以下。1995后得到广泛推广应用,至今已推广1000余套。该技术获中国石化集团公司科技进步三等奖1996,教育部科技进步二等奖1999。
虽然旋风分离技术是一种通用的传统技术,已有100年的历史,但它看起来结构简单。但由于三维流动及其内部气固两相分离的复杂性和多变性,目前尚未形成一套通用的、成熟的设计理论和方法,尤其是在高温、高浓度下,难度更大。所有国家都必须建立基于经验的专有安全技术。
我国炼油工业的主要设备催化裂化装置自1964问世以来,有了创造性的发展,但关系到装置物耗和能耗的关键设备之一的高温旋风分离器一直困扰着人们。没有自己的设计技术,只会简单使用,导致机组长期高消耗。
国外通常的做法是改进旋风分离器的结构以提高其性能。但在高温高浓度下,在结构尽可能简单的前提下,提高其性能是个大问题。经过多年的理论研究和对多相旋风分离器的实验总结分析,施明贤认为解决问题的途径可能在于“维度的优化组合”。他在认真研究旋风分离器内流场和浓度场变化规律的基础上,首次提出了旋风分离器存在三个薄弱环节的新观点:顶灰环、短路流和灰斗返混, 并从理论和实践上总结了旋风分离器尺寸和操作条件对这些薄弱环节的影响规律,从而创立了全新的“旋风分离器尺寸分级优化组合设计方法”并编制了工程设计计算软件。 在鉴定会上,被一致认为是“国内外首创”。自此,中国首次拥有了自己的“催化裂化高温旋风分离器设计技术”。用其设计的PV型高效旋风分离器在短短八年内被国内几乎所有炼油厂采用,彻底解决了催化裂化装置的这一难题,促进了中国独有的一整套国产催化裂化技术的形成。该技术获中国石油化工集团公司科技进步一等奖1990,国家科技进步二等奖1991。截至目前,已推广应用光伏高效旋风分离器1,000余台,每年为国家节约资金约1.5亿元。
丙烯腈生产技术长期被国外大公司的专利垄断,价格特别高。为此,中国花费了大量外汇。为了打破这种垄断,中国石化付出了艰辛的努力,在其核心问题——催化剂和反应器技术上取得了重大突破,但反应器中的三级旋风分离器一直没有解决。1996,中国石化把这个任务交给了施明贤。他凭借自己在旋风分离方面的深厚技术功底,指导青年教师。在不到一年的时间里,他从理论计算和大型对比试验两个方面证明了他们的PV旋风分离器在性能上略优于国外同类产品。然后又花了一年时间,开发出了世界上独一无二的“丙烯腈串联两级旋风分离技术”。
当时美国只比他们早两年宣布开发两级串联新技术,但是一大串两小,每组还是三个,占用的反应堆空间也没有减少太多。而施明贤的科研团队开发了一串一个,每组只有两个,可以减少30%的占用空间。这意味着当一台反应器需要增产30%时,将不受旋风分离器的限制,为丙烯腈装置的扩能增效创造了非常有利的条件。这一成果已在周年、高桥、齐鲁等石化装置得到验证,非常昂贵的催化剂用量明显下降。
催化裂化装置是炼油生产的主力军,提升管-沉降器系统是其心脏。它包含了许多技术问题,其中一个人们非常关心的问题是如何在提升管出口实现快速高效的气固分离、快速油气提取和高效的催化剂汽提。施明贤带领的科研团队看到了生产的需要,从1995开始,连续三年研发出三套拥有自己专利的新技术:折流汽提粗纺(简称FSC)、旋流快分(简称VQS)、循环汽提快分(简称CSC)。前两项技术已在生产厂成功应用,产投比接近10,产生了显著的经济效益。而且他们在“全大庆减渣催化裂化”新工艺中发挥了非常重要的作用,在与国外大公司的激烈竞争中赢得了宝贵的一席之地。
煤的清洁高效燃烧发电,是国际上发展起来的高新技术,也是我国21世纪重点科技项目之一。其中,增压流化床燃烧联合循环发电(PFBC)和整体煤气化联合循环发电(IGCC)是两个主要方向,两者都迫切需要可靠高效的高温气固分离设备。这是一项非常艰巨的任务,到目前为止还没有一个国家完全通过考验。20世纪80年代中期,施明贤带领研究团队参与了东南大学牵头的PFBC技术研究。根据国情,他们计划分两个阶段进行。第一阶段去除7 ~ 8个微米细颗粒物,粉尘浓度在150mg/Nm3以下。1993年,DTC型小型多管高效旋风分离器研制成功,小型热模试验证明该指标可以达到。然后在徐州贾汪煤矿建设了15Mwe中试电站。第二阶段是攻克高温陶瓷过滤器,研究团队潜心研发全新的强力高效脉冲反吹清灰系统。