煙氣脫硫除塵的新解決方案

煙氣脫硫除塵的新解決方案~文氏棒塔洗滌技術孫國剛;王曉晗;王新成;張玉明【摘要】針對催化裂化煙氣脫硫中存在引進技術費用高、煙氣阻力大及運行成本高等問題，提出了文氏棒噴淋塔和文氏棒液柱塔兩種高效低阻的新型煙氣洗滌吸收設備，即在氣液吸收塔內設置文丘里棒，將文丘里棒與空塔噴淋或液柱噴射技術有機結合，使新的文氏棒塔具有噴淋空塔壓力降低、填料塔氣液分布好、鼓泡塔“液包氣”傳熱及傳質推動力大、脫硫除塵效率高、能耗低等特點.該技術在35七巾煤粉爐煙氣脫硫裝置示范結果表明:脫硫塔操作運行液氣比（體積比）維持在2L/m3左右,壓力降小于1.20kPa,脫硫率在93.05%~98.59%,NOx脫除率在55.62%以上，脫硫過程消耗商品氨液量在0.3t/h以下，氨利用率達到97%以上.裝置處理能力及脫硫效果均達到預期目標.該技術可替代國外引進工藝,實現(xiàn)對催化裂化煙氣除塵、脫硫一體化治理.【期刊名稱】《煉油技術與工程》【年（卷），期】2015（045）004【總頁數(shù)】4頁（P20-23）【關鍵詞】煙氣脫硫;脫硝;文氏棒層;噴淋塔;液柱塔;洗滌塔【作者】孫國剛;王曉晗;王新成;張玉明【作者單位】中國石油大學（北京）化工學院過程裝備實驗室，北京市102249;中國石油大學（北京）化工學院過程裝備實驗室，北京市102249;中國石油大學（北京）化工學院過程裝備實驗室，北京市102249;中國石油大學（北京）化工學院過程裝備實驗室，北京市102249【正文語種】中文催化裂化原料油中大部分含硫化合物在反應過程中轉化為H2S和噻吩后存在于反應油氣和油品中，只有5%~15%（質量分數(shù)）的硫和焦炭沉積到催化劑上。在催化劑再生燒焦過程中，這些硫被氧化為SOx（SO2,SO3質量分數(shù)分別約90%,10%）進入煙氣中。煙氣中SOx含量與原料中硫含量、焦炭產(chǎn)率和再生方式等因素有關。原料油中含氮化合物約60%（質量分數(shù)，下同）進入反應油氣和油品中，約40%沉積到焦炭中，后者在再生器燒焦過程中約5%轉化為NOx，約35%轉化為N2。煙氣中的NOx含量與原料中的總氮量、再生方式、CO助燃劑（特別是含鉑的CO助燃劑）添加量以及催化劑上的重金屬含量等因素有關。催化裂化煙氣中的大氣污染物主要為SOx,NOx和顆粒物等，直接排放將增加對大氣環(huán)境的污染。催化裂化煙氣的大氣污染物治理方法原則上可參考電廠燃煤鍋爐煙氣的治理，但必須考慮催化裂化裝置的特點。該裝置排放煙氣通常具有以下特點:①煙氣排放總量比電廠燃煤鍋爐小很多，僅為100-500dam3/h;②煙氣中SO2,NOx含量比燃煤發(fā)電、冶金煙氣低，SOx質量濃度為700-4500mg/m3,NOx質量濃度為50-400mg/m3；③煙氣中粉塵顆粒物質量濃度為150-300mg/m3，余熱鍋爐臨時吹掃時含塵量更高，催化余熱鍋爐或CO鍋爐定期〃吹灰”（每天1次，每次1-2h），煙氣中顆粒物（催化劑質量分數(shù)約占75%）粒徑0-5pm的濃度波動大，吹灰時質量濃度可達3-4g/m3;④煙氣溫度正常為180-230°C，當催化余熱鍋爐或CO鍋爐出現(xiàn)故障時，溫度可達350-500C；⑤現(xiàn)有催化裂化裝置內幾乎沒有預留煙氣脫硫設施的空地;⑥需考慮對上游設備（余熱鍋爐、煙機發(fā)電）的影響;⑦煙氣脫硫設施的連續(xù)運行周期應與催化裂化裝置主體一致（達到3a以上，年開工8400h以上）［1-2］。從上述裝置特點來看，催化裂化煙氣脫硫（脫硝）的難度低于燃煤、冶金煙氣，但要求其設施中脫硫（脫硝）系統(tǒng)的煙氣阻力低、除塵效率高、結構緊湊占地少，并且實現(xiàn)脫硫（脫硝）除塵以及脫重金屬一體化治理。降低催化裂化煙氣中SOx,NOx排放主要有3種途徑:①原料油加氫脫硫（脫硝），因受氫源、投資費用因素限制，目前國內僅有少量裝置使用。②使用硫/氮轉移劑，該方法僅適用于原料油中硫質量分數(shù)低于0.2%~0.3%且煙氣中SOx,NOx含量較低的裝置，對減少煙氣顆粒物排放沒有效果，但該方法容易實施且費用低，目前應用較多。③煙氣脫硫（脫硝），該方法具有脫除效率高、適用范圍廣的優(yōu)點，應用曰Q最多。目前國內夕卜普遍采用煙氣濕法洗滌（WFGD）技術，即將煙氣與一種吸收劑（鈉堿、石灰石、氧化鎂及海水等）反應來消除煙氣中SOx與顆粒物。工藝上有Exxon公司的濕法洗滌技術（WGS）,BelcoTechnologies公司的EDV濕法洗滌技術以及UOP公司的THIOPAQ生物技術等。2009年以來，國內多套催化裂化裝置投運了催化裂化WFGD系統(tǒng)，部分裝置還配置了臭氧氧化脫硝系統(tǒng)，減排效果較好。但是目前這些系統(tǒng)基本上為國外工藝技術（EDV濕法洗滌技術或WGS濕法洗滌技術），普遍存在一次建設投資高（主要是進口技術費用高）、操作運行費用高的問題。煙氣洗滌設備采用文丘里管，煙氣阻力較高（大于1.8kPa，最高可達4.0kPa）,易導致再生器增壓及余熱鍋爐漏風，且存在關鍵部件磨損嚴重、水耗過大、廢渣量大等問題［3-4］。氣液吸收洗滌塔是濕法煙氣脫硫工藝的核心設備，脫硫效率及操作消耗直接決定于塔內吸收液與SO2的混合與傳質效率。中國石油大學（北京）針對催化裂化煙氣脫硫問題［5-7］，提出了文氏棒噴淋塔［8］和文氏棒液柱塔［9］兩種高效低阻的新型煙氣洗滌吸收設備，即在氣液吸收塔內設置文丘里棒層，將文丘里棒與空塔噴淋或液柱噴射技術有機結合，使新的文氏棒塔具有噴淋空塔壓力降低、填料塔氣液分布好、鼓泡塔〃液包氣”傳熱及傳質推動力大、脫硫效率高等特點，同時由于氣液流經(jīng)文氏棒層所產(chǎn)生的文丘里過流效應，強烈的氣液湍動、沖刷增強了氣液傳質效果，降低了操作液氣比，該技術還具有〃自清潔”作用，顯著降低吸收塔內結垢堵塞風險。3.1文氏棒噴淋塔圖1為雙循環(huán)文氏棒噴淋塔煙氣脫硫系統(tǒng)示意。由圖1可知，熱煙氣經(jīng)煙氣進口進入吸收塔，首先在下塔節(jié)中遇到下塔節(jié)文氏棒層，經(jīng)文氏棒層調制后與噴淋落下的循環(huán)液接觸（與文氏棒層上表面的液體薄層鼓泡接觸及噴淋液滴接觸），使熱煙氣降溫冷卻（可使煙氣溫度降低到60°C左右，視具體氣液操作參數(shù)而略有差別）并脫除約98%（質量分數(shù)）的煙塵、HCl、部分SO2等有害氣體。然后經(jīng)冷卻降溫、除塵、除Cl-及預脫硫后的煙氣繼續(xù)上行，由百葉錐的間隙通道分配升入上塔節(jié)，在百葉錐處煙氣不但被折流分配，而且還與百葉錐表面流落的吸收液完成一次錯流接觸，有助于提高脫硫效率。在上塔節(jié)內，通過吸收液參數(shù)pH值調整，可使煙氣在接近最佳的脫硫反應條件下完成高效的鼓泡、噴淋吸收SO2反應，實現(xiàn)約98%的脫硫率。除塵、脫硫凈化后的煙氣，再經(jīng)除霧器除去夾帶的液霧，最后從煙囪排出。吸收液循環(huán)系統(tǒng)由下循環(huán)和上循環(huán)兩個系統(tǒng)組成，①下循環(huán)系統(tǒng):塔底下循環(huán)液池內的漿液通過下循環(huán)液泵輸送至下循環(huán)液噴淋層，完成煙氣冷卻降溫、除塵、預脫硫等目標后返回到塔底下循環(huán)液池內;②上循環(huán)系統(tǒng):上循環(huán)液池內的脫硫吸收液通過上循環(huán)液泵輸送至上循環(huán)液噴淋層，完成高精度脫硫后由百葉窗式分隔錐收集通過管道返回到上循環(huán)液池。上、下循環(huán)液池內分別設有氧化風機及攪拌器，以及渣漿液排出泵。為了便于調整下循環(huán)液池中的pH值，設置了吸收液循環(huán)泵，將上循環(huán)液池內的部分漿液強制送至下循環(huán)液池;當塔底下循環(huán)液池中的漿液固體質量分數(shù)達到15%以上時，用渣漿泵送入吸收液后處理單元處理。3.2文氏棒液柱塔液柱塔是近年發(fā)展起來的一種新型高效濕法煙氣脫硫塔，該塔采用噴嘴由下向上噴射吸收液，形成一個個液柱噴泉，與煙氣完成一次并流接觸。液柱頂端速率為0，液體傘形下落，與煙氣又進行一次逆流接觸。下落的液滴與上噴的液滴相撞形成更細的液滴，從而增加氣液接觸表面。吸收液上噴時湍動加速SO2吸收與除塵。煙氣被液體射流卷吸，增加氣液混合，因而脫硫效率高，循環(huán)泵數(shù)量少，設備投資低，且結構簡單易于維護，處理量大，不易結垢。但循環(huán)液量較大，對煙氣負荷變化的適應能力較差。文氏棒液柱塔在煙氣入口段設置文氏棒層，將文氏棒均勻布氣，〃液包氣”鼓泡傳質及“自潔”作用與液柱噴射洗滌耦合，使脫硫、除塵效率和操作經(jīng)濟性獲得全面提升（見圖2）。由圖2可知，熱煙氣經(jīng)煙氣進口管道從塔的一側進入，轉向后以塔截面平均速率2.5~4.5m/s向上流動。煙氣向上首先遇到文氏棒層，與液柱噴射裝置噴射下落液體在棒層處相撞并托舉液體，產(chǎn)生劇烈的液層鼓泡流態(tài)化傳質，完成第一次脫硫、除塵，并吸收脫除HCl等酸性氣體，同時使文氏棒層下游煙氣分布趨于均勻。然后煙氣繼續(xù)上行與液柱噴射裝置噴出的液柱及回落的液滴發(fā)生充分接觸，完成第二次脫硫反應，在此過程中，噴射的液柱流也會對煙氣卷吸夾帶，促進氣液混合，對提高脫硫率有益。由于煙氣已通過文氏棒層的降溫、除塵、流動均化等一次處理，再與液柱塔接觸的二次脫硫反應則更接近理想反應條件，因而脫硫效率更高。脫硫后的煙氣再進入除霧段除霧后從凈化煙氣出口排出。循環(huán)液經(jīng)循環(huán)液泵抽出后輸送到液柱噴射裝置，經(jīng)噴頭噴出、下落，經(jīng)由文氏棒層，最終回落入循環(huán)液池。2013年，1臺直徑3100mm的文氏棒噴淋塔已成功應用于中海油某煉油廠35t/h煤粉爐煙氣脫硫裝置。該塔進口的煙氣流量為90dam3/h,SOx,NOx和粉塵質量濃度分別為1280,356,126mg/m3。用氨水作為吸收劑脫除煙氣中的SO2，同時降低煙氣中的粉塵與氮氧化物排放。脫硫塔操作運行液氣比（體積比濰持在2L/m3左右，整個脫硫裝置操作壓力降小于1.20kPa。運行測試數(shù)據(jù)見表1。脫硫率在93.05%~98.59%,NOx脫除率在55.62%以上。整個脫硫裝置物料衡算表明，脫硫過程消耗商品氨液量在0.3t/h以下，氨利用率達到97%以上。循環(huán)使用至飽和后多余的硫酸銨溶液用作污水菌種的氮肥，無二次污染。裝置的處理能力，脫硫效果均達到預期目標。目前，我國催化裂化煙氣脫硫系統(tǒng)建設正在密集展開，國外引進的工藝技術成熟但技術費用昂貴，且存在煙氣阻力高、對上游設備操作影響大、操作運行費用高等問題。目前國內研發(fā)的文氏棒噴淋塔、文氏棒液柱塔煙氣洗滌技術具有噴淋空塔壓力降低，填料塔氣液分布好、鼓泡塔〃液包氣”傳熱傳質推動力大、脫硫效率高等特點，且操作液氣比低、結垢堵塞風險小，可望用于國外引進工藝的脫硫塔改造或整體替代國外工藝，也可與脫硝設施耦合，實現(xiàn)對催化裂化煙氣除塵、脫硫一體化治理?！鞠嚓P文獻】[1]胡松偉.煉油廠催化裂化裝置煙氣污染物的治理與建議[J].石油化工安全環(huán)保技術，2011,27(2):47-51.[2]胡敏.催化裂化煙氣排放控制技術現(xiàn)狀及面臨問題的分析[J].中夕卜能源，2012,17(5):77-83.[3]潘全旺，仝明，陳昕.RFCC煙氣脫硫除塵裝置運行效果分析[J].煉油技術與工程，2011,41(8):59-64.[4]劉發(fā)強，齊國慶，劉光利.國內引進催化裂化再生煙氣脫硫裝置存在問題及對策[J].T業(yè)安全與環(huán)保，2012,38(6):25-27.[5]潘利祥，孫國剛.液柱脫硫塔流動特性的實驗研究[J].煤炭轉化，2004,27(3):64-67.[6]潘利祥，孫國剛.液柱脫硫