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        深度除塵除霧系統(tǒng)在重油催化裂化煙氣脫硫除塵中的應(yīng)用

        2020-04-21 02:43:20周梓楊關(guān)永恒
        石油煉制與化工 2020年4期
        關(guān)鍵詞:白霧除塵降溫

        周梓楊,潘 濤,關(guān)永恒

        (中國(guó)石化廣州分公司,廣州 510726)

        催化裂化是實(shí)現(xiàn)重質(zhì)油輕質(zhì)化的重要工藝過程,催化裂化裝置是石化廠企業(yè)的主要生產(chǎn)裝置之一。催化裂化再生器排放的再生煙氣含有大量的SOx、NOx和顆粒物等,已成為石油煉化企業(yè)最大的大氣污染源[1-3]。

        中國(guó)石化廣州分公司(簡(jiǎn)稱廣州分公司)重油催化裂化(RFCC)煙氣脫硫除塵裝置于2010年1月8日建成投用。該裝置采用模塊化設(shè)計(jì),大修改造前主要由急冷區(qū)、吸收區(qū)、濾清模塊區(qū)和氣液分離區(qū)組成,采用鈉堿法脫硫除塵工藝,煙氣在塔內(nèi)與循環(huán)堿液逆向充分接觸,以除去煙氣中的SO2、洗滌顆粒物,從而凈化煙氣。

        2015年我國(guó)環(huán)境保護(hù)部出臺(tái)《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 31570—2015)》,提出了更加嚴(yán)格的再生煙氣排放要求,并明確要求現(xiàn)有企業(yè)自2017年7月起執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn),石化企業(yè)普遍面臨著再生煙氣排放難以達(dá)標(biāo)的難題。廣州分公司地處污染物排放敏感區(qū),執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)GB 31570—2015中敏感區(qū)特別限值排放標(biāo)準(zhǔn)(如表1所示),比GB 31570—2015中的一般標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。因此,對(duì)已有脫硫除塵工藝的升級(jí)改造已迫在眉睫。

        此前,廣州分公司已在CO余熱鍋爐處加裝了SCR系統(tǒng),煙氣的NOx濃度已得到有效控制,煙氣排放的難題主要在于顆粒物濃度和SO2的濃度。為解決排放難題,該裝置于2017年5月大修,并將洗滌塔的原氣液分離區(qū)改造為深度除塵除霧區(qū),在

        表1 催化裂化再生煙氣主要污染物排放標(biāo)準(zhǔn)

        提高除霧效果和SO2去除能力的同時(shí)重點(diǎn)加強(qiáng)了除塵能力,以適應(yīng)新的環(huán)保要求。2017年7月初裝置重新投入運(yùn)行,共累計(jì)運(yùn)行15個(gè)月,1年多以來裝置運(yùn)行比較平穩(wěn),各污染物排放濃度有了比較大的下降,達(dá)到了達(dá)標(biāo)排放的目的。

        1 洗滌塔改造前流程簡(jiǎn)介

        洗滌塔(C7101)是脫硫除塵裝置中的核心裝置,煙氣的脫硫除塵主要發(fā)生于洗滌塔的內(nèi)部。如圖1所示,C7101改造前主要由急冷區(qū)、吸收區(qū)、濾清模塊區(qū)和氣液分離區(qū)組成。

        圖1 C7101原工藝流程

        煙氣來自RFCC的CO余熱鍋爐,其最大流量為2.47×105m3/h,溫度為140 ℃左右。高溫條件下的煙氣特性變化較大,需要進(jìn)行降溫使其性質(zhì)穩(wěn)定下來[4]。首先煙氣水平進(jìn)入吸收塔的急冷區(qū),形成的煙氣進(jìn)入方向垂直的高密度水簾,急冷區(qū)設(shè)有一個(gè)G400噴嘴,以156 m3/h的流速噴射循環(huán)漿液,當(dāng)煙氣進(jìn)入噴淋區(qū)時(shí),與循環(huán)漿液充分接觸,在大大降低煙氣溫度使之飽和的同時(shí)脫除大粒徑顆粒物和大部分SO3。然后,降溫后的煙氣進(jìn)入吸收區(qū)。吸收區(qū)設(shè)有5個(gè)G400噴嘴,流速為833.3 m3/h,在此形成與煙氣上升方向垂直的高密度水簾。噴淋液和煙氣充分混合,顆粒物、SO2及其他酸性氣體被吸收,煙氣得到凈化。濾清模塊區(qū)由13個(gè)濾清模塊組成,每個(gè)模塊通道上方均設(shè)有一個(gè)F130噴嘴。煙氣進(jìn)入每個(gè)濾清模塊的文氏管時(shí)會(huì)降溫降壓而膨脹加速,之后再減速而使水氣濃縮,煙氣中難以被急冷區(qū)吸收的微小顆粒(直徑小于2 nm)和霧氣凝聚變大,并被F130噴嘴噴出的高密度噴淋液進(jìn)行過濾,使煙氣得到進(jìn)一步凈化。最后煙氣進(jìn)入氣液分離器,該區(qū)域由8個(gè)向下的水珠分離器構(gòu)成,水珠分離器入口處的導(dǎo)葉會(huì)帶動(dòng)煙氣旋轉(zhuǎn),通過離心分離除去煙氣中的水珠,脫水后的凈化煙氣最終排入大氣。

        2 洗滌塔工藝的優(yōu)化

        2.1 流程的優(yōu)化

        為了加強(qiáng)對(duì)污染物的脫除效果,大修改造時(shí)將C7101濾清模塊區(qū)上方的氣液分離區(qū)拆除,更換了新塔節(jié)。新塔節(jié)由下至上分別安裝了升氣塔盤、噴淋管、多效遞增旋流除霧器和新的煙囪。并新增了兩臺(tái)急冷水漿液循環(huán)泵和兩臺(tái)列管式冷卻器,循環(huán)泵布置在原吸收塔的東側(cè),兩臺(tái)冷卻器置于循環(huán)泵上方的平臺(tái)上,由此組成新的深度除塵除霧區(qū)。此外,為保證深度除塵除霧系統(tǒng)中循環(huán)冷卻液的pH和液位在可控范圍之中,深度除塵除霧系統(tǒng)底部加裝了堿液管線入口,上部加裝了補(bǔ)給水管線入口,最終流程如圖2所示。

        煙氣經(jīng)過濾清模塊區(qū)處理后,進(jìn)入深度除塵除霧區(qū)。煙氣向上穿過升氣塔盤,與噴淋管噴淋的冷洗滌液逆向接觸,形成的漿液落到升氣塔盤上,經(jīng)過塔盤收集,進(jìn)入急冷水漿液循環(huán)泵。然后漿液被輸送至兩臺(tái)列管式冷卻器冷卻,經(jīng)冷卻后被噴淋管噴出,對(duì)煙氣進(jìn)行循環(huán)洗滌。新鮮水作為補(bǔ)給水補(bǔ)充到升氣塔盤上,升氣塔盤上布置有降液管,通過降液管漿液可溢流至洗滌塔的濾清模塊區(qū)。通過洗滌,煙氣被進(jìn)一步降溫,煙氣中的顆粒物和SO2被進(jìn)一步脫除。最后進(jìn)入多效遞增旋流除霧器,通過捕集煙氣夾帶的霧粒和漿液滴,達(dá)到深度除塵除霧的效果,凈化后的煙氣從煙囪排放。

        兩臺(tái)列管式冷卻器的冷媒現(xiàn)由循環(huán)水提供,裝置目前有一臺(tái)閑置的熱水型溴化鋰?yán)渌畽C(jī),后期將會(huì)對(duì)其進(jìn)行改造,并將冷水機(jī)的冷凍水作為列管式冷卻器的冷媒,加強(qiáng)降溫效果,盡可能完全消滅煙囪排放口的白霧,優(yōu)化排煙視覺效果。

        圖2 改造后C7101的工藝流程

        2.2 工藝參數(shù)的優(yōu)化

        裝置于2017年7月改造完成并正式投用,因改造后的深度除塵除霧系統(tǒng)為首次使用,裝置運(yùn)行初期有較大波動(dòng),在現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的努力攻關(guān)下,通過不斷的摸索和改進(jìn),對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,基本攻克了運(yùn)行初期波動(dòng)大、無法達(dá)標(biāo)排放的難題,并于9月開始實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行,主要工藝參數(shù)如表2所示。

        表2 改造后C7101的操作參數(shù)

        從表2可以看出:工藝參數(shù)得到優(yōu)化以后,各污染物濃度都有了比較大的下降;因設(shè)備供貨原因,列管式冷卻器于2017年11月才安裝完畢,使得深度除塵除霧系統(tǒng)的降溫效果在12月開始之后才得到體現(xiàn)(工況三所示),此時(shí)煙氣出口溫度已降至54.1 ℃。

        3 流程及工藝參數(shù)優(yōu)化后的效果分析

        與其他鍋爐煙氣相比,RFCC煙氣脫硫除塵裝置進(jìn)氣的SO2含量、顆粒物含量、溫度、壓力、流量的變化受RFCC裝置生產(chǎn)波動(dòng)的影響比較大,因此,實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行并達(dá)標(biāo)排放是此次大修改造的最終目的。為了對(duì)大修改造后裝置的脫硫除塵效果進(jìn)行評(píng)價(jià),查閱了DCS煙氣脫硫除塵系統(tǒng)的數(shù)據(jù),并選取了大修改造后一年多以來每月4日17:00的數(shù)據(jù),參照《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 31570—2015)》中第六項(xiàng)“大氣污染物監(jiān)測(cè)與分析”的方法進(jìn)行分析。

        3.1 顆粒物脫除效果分析

        RFCC再生煙氣的主要特點(diǎn)是顆粒物濃度較高,粉塵粒徑小、硬度大、溫度高。尤其是近年來由于原料油重質(zhì)化、劣質(zhì)化趨勢(shì)明顯,在降低了原料油采購成本的同時(shí)使反應(yīng)-再生系統(tǒng)的操作條件更為苛刻,第二再生器密相溫度控制在730 ℃左右,稀相溫度可達(dá)到770 ℃以上,催化劑容易熱崩,導(dǎo)致入口煙氣中細(xì)粉含量較高,其顆粒物濃度波動(dòng)較大,加大了后續(xù)煙氣脫硫除塵裝置的除塵難度。表3為C7101對(duì)再生煙氣中顆粒物的脫除效果。

        表3 C7101對(duì)顆粒物的脫除效果

        由表3可以看出,經(jīng)過大修改造以后,2018年7月4日和8月4日C7101入口的顆粒物濃度比較大,這可能因?yàn)榉磻?yīng)-再生系統(tǒng)中催化劑熱崩所致,造成凈化氣中顆粒物含量有了小幅度增高。而當(dāng)天的DCS數(shù)據(jù)顯示第二再生器床層溫度為736 ℃,稀相溫度更是達(dá)到了777 ℃,催化劑溫度較高,高溫催化劑遇到反應(yīng)-再生系統(tǒng)中的水時(shí)會(huì)造成水迅速汽化大量吸熱,引起催化劑熱崩并破碎成更細(xì)小的顆粒[5],第三旋風(fēng)分離器不能有效地除去細(xì)小顆粒(直徑小于20 μm),造成煙氣脫硫除塵裝置入口煙氣顆粒物含量偏高,在裝置處理效率大致相同的情況下,凈化氣中的顆粒物含量也因此有了小幅度增高。一年多以來,盡管洗滌塔入口煙氣的顆粒物質(zhì)量濃度在66.3~241.3 mg/m3之間波動(dòng),平均質(zhì)量濃度達(dá)到126.6 mg/m3,但凈化氣中的顆粒物平均質(zhì)量濃度僅為12.8 mg/m3,脫除率比較高且十分穩(wěn)定,始終保持在90%左右。此外,廣州分公司于2018年5月28日委托了國(guó)家認(rèn)可的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)出口煙氣進(jìn)行采樣分析,分析報(bào)告顯示當(dāng)天凈化氣中顆粒物質(zhì)量濃度僅為3.7 mg/m3,達(dá)到《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 31570—2015)》中敏感區(qū)特別限值排放標(biāo)準(zhǔn)。

        3.2 SO2脫除效果分析

        影響脫硫除塵裝置脫硫效果的決定性因素是循環(huán)漿液的pH。循環(huán)漿液pH越高,其吸收SO2和其他酸性氣體的效果越好。由表2可知,大修改造后循環(huán)漿液pH的設(shè)計(jì)值相應(yīng)提高,控制在7.0~7.7之間,可在吸收區(qū)脫除大部分SO2;煙氣到達(dá)濾清模塊時(shí)SO2濃度已大幅降低,故濾清模塊漿液的pH應(yīng)降低,控制在6.5~7.5之間。

        近年來由于原油的劣質(zhì)化趨勢(shì)明顯,RFCC裝置所加工的原料油硫含量偏高,產(chǎn)生的煙氣中SO2也增多,加大了脫硫除塵裝置的脫硫難度[6]。表4為C7101對(duì)再生煙氣中SO2的脫除效果。由表4可以看出,2017年12月4日和2018年11月4日的SO2脫除率有小幅下降,經(jīng)查閱DCS數(shù)據(jù),注堿量正常,這可能是由于堿液濃度偏低造成堿量相對(duì)不足,SO2脫除率因此有所下降。廣州分公司RFCC煙氣脫硫除塵裝置堿液設(shè)計(jì)濃度為30%,2017年12月4日和2018年11月4日當(dāng)天堿灌收堿后堿液濃度并未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致注堿量相對(duì)不足,使脫硫效果有小幅降低。一年多以來,盡管裝置入口煙氣SO2質(zhì)量濃度在1 542.1~3 463.1 mg/m3之間波動(dòng),平均達(dá)到2 832.4 mg/m3,但SO2脫除率依然較高,并始終保持在99%以上,裝置出口SO2質(zhì)量濃度始終保持在12.2 mg/m3以下,平均僅為3.7 mg/m3,遠(yuǎn)優(yōu)于《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 31570—2015)》中敏感區(qū)特別限值所要求的不大于50 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)。此外,如圖2所示,裝置大修改造后于深度除塵除霧區(qū)加裝了堿液管線,可以進(jìn)一步去除煙氣中剩余的SO2,達(dá)到二次脫硫的效果,由于SO2脫除效果已能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)階段新增的堿液管線還不需要正式投用。

        表4 C7101對(duì)SO2的脫除效果

        3.3 白霧脫除效果分析

        濕法處理煙氣的排放溫度通常為60 ℃左右[7],煙氣中的水分處于飽和狀態(tài),改造前洗滌塔出口平均溫度為61.2 ℃,會(huì)產(chǎn)生煙囪雨和白霧的現(xiàn)象。白霧的本質(zhì)是水霧,基本不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,故排放標(biāo)準(zhǔn)中并沒有白霧處理的相關(guān)要求,也沒有白霧含量的分析方法,白霧含量是一個(gè)感官指標(biāo)。然而,廣州分公司地處污染物排放敏感區(qū),加上煉油化工廠排放煙氣的特殊性質(zhì)[8],周圍的群眾難免對(duì)煙囪排放白霧帶有恐懼與排斥。所以,白霧的處理更多是為了優(yōu)化群眾的視覺效果,提高周圍群眾對(duì)煉油化工廠的接受程度。

        為減少白霧排放,本次大修改造主要采用2種方法:一是增加除霧器捕捉霧粒;二是通過排放前降溫,減少排放口煙氣溫度與環(huán)境溫度的差值,使煙氣排放時(shí)凝結(jié)出來的白霧減少。視覺上,多效遞增旋流除霧器的加裝已減少了白霧排放,煙氣在穿過除霧器板葉片間隙時(shí)會(huì)被轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)氣流,其中的霧粒在慣性作用下,以一定的仰角射出做螺旋運(yùn)動(dòng),從而被甩向外側(cè)并匯集流到溢流槽內(nèi),達(dá)到捕抓霧粒的目的;理論上,在其他條件不變的情況下,降溫可以通過減少排放口煙氣與環(huán)境溫度差來減少白霧,所以可通過降溫效果來表征裝置的除霧效果。圖2所示的兩臺(tái)列管式冷卻器具有一定的降溫效果,其冷媒現(xiàn)由循環(huán)水提供。表5為C7101的降溫效果。從表5可以看出,通過一年來對(duì)工藝參數(shù)的不斷優(yōu)化,從2018年9月起,洗滌塔出口溫度已經(jīng)穩(wěn)定地降低至52~55 ℃。

        表5 C7101的降溫效果

        此外,裝置目前還有一臺(tái)閑置的熱水型溴化鋰?yán)渌畽C(jī),后期將會(huì)考慮對(duì)其進(jìn)行改造,并將冷水機(jī)的冷凍水作為列管式冷卻器的冷媒,進(jìn)一步加強(qiáng)降溫效果,盡可能完全消滅煙囪排放口的白霧,進(jìn)一步優(yōu)化排煙視覺效果。

        4 結(jié) 論

        廣州分公司1.0 Mt/a RFCC裝置在加裝深度除塵除霧系統(tǒng)后,外排煙氣中顆粒物和SO2的濃度顯著降低,除霧效果有所提高,排煙視覺效果得到優(yōu)化,并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。工程應(yīng)用狀況表明,改造后各污染組分含量明顯下降,顆粒物平均質(zhì)量濃度由126.6 mg/m3降低到12.8 mg/m3,脫除率穩(wěn)定在90%;SO2平均質(zhì)量濃度由2 832.4 mg/m3降低到3.7 mg/m3,脫除率達(dá)到99%以上;煙氣各項(xiàng)重要指標(biāo)均達(dá)到《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 31570—2015)》中敏感區(qū)特別限值排放標(biāo)準(zhǔn)的要求,凈化后煙氣可直接排放于大氣中。

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