催化裂化催化劑氣流干燥尾氣處理技術(shù)研究

張蓬蓬

(中國(guó)石化催化劑有限公司齊魯分公司催化劑一車間，山東 淄博 255300)

催化裂化(FCC)是石油煉制過(guò)程中最重要的二次加工過(guò)程[1]，在我國(guó)，催化裂化一直占據(jù)著原油加工過(guò)程的主導(dǎo)地位。隨著重質(zhì)原料油加工量的逐年上升，F(xiàn)CC催化劑的需求量不斷增加。在提高FCC催化劑質(zhì)量的同時(shí)，隨著國(guó)家環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，催化劑生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的尾氣處理問題也引起了研究者的廣泛關(guān)注。

氣流干燥是FCC催化劑制備過(guò)程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)產(chǎn)品的灼燒減量有著直接的影響。氣流干燥尾氣經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離得到成品后排入大氣，受旋風(fēng)分離器分離效率的限制，外排尾氣中仍含有部分催化劑顆粒物，且由于洗滌過(guò)濾過(guò)程中引入的銨鹽洗滌液，導(dǎo)致尾氣中含有一定量的氨。含有上述有害物質(zhì)的尾氣進(jìn)入大氣中，對(duì)環(huán)境造成污染、破壞生態(tài)平衡。因此，本文對(duì)氣流干燥尾氣處理技術(shù)進(jìn)行研究，以降低外排尾氣中顆粒物和氨含量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置為中國(guó)石化催化劑有限公司齊魯分公司半合成催化劑生產(chǎn)裝置。

1.1 氣流干燥尾氣組成分析

表1 氣流干燥尾氣組分

由表1可以看出，氣流干燥尾氣經(jīng)旋風(fēng)分離器除塵后，尾氣中的顆粒物和氨直接排放對(duì)環(huán)境污染較大。

1.2 濕法除塵工藝原理

本文所述濕法除塵工藝是指一級(jí)急冷+二級(jí)吸收工藝。

1.2.1 氣體吸收過(guò)程分析

研究發(fā)現(xiàn)，NH3氣體分子穿越氣液兩相界面進(jìn)入水中，同時(shí)進(jìn)入到水中的氣體分子也會(huì)有一部分返回氣相，傳質(zhì)過(guò)程初期氣體分子進(jìn)入液相的量大于液相中氣體分子的逸出量。隨著液相中溶解的氣體分子越多，濃度越大，氣體分子從液相逸出的速率也逐漸增大，直至最后，氣體分子從氣相進(jìn)入液相的速率等于從液相返回氣相的速率，此時(shí)氣體分子不再溶解進(jìn)入液相，溶液的濃度也不再變化，達(dá)到相平衡狀態(tài)。

1.2.2 粉塵捕集過(guò)程分析

濕法除塵通過(guò)液相捕集粉塵，主要有慣性碰撞、截留和布朗擴(kuò)散三種方式。根據(jù)氣液接觸方式和流速不同，這三種方式對(duì)粉塵捕集效率的貢獻(xiàn)也存在差異[2]。

圖1 含塵氣流與液滴相遇運(yùn)動(dòng)分布模擬圖

含塵氣流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與液滴相遇，在液滴前一定距離處氣流開始改變方向，繞過(guò)液滴運(yùn)動(dòng)，而慣性較大的粉塵顆粒繼續(xù)保持其原來(lái)直線運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。從氣流中脫離出來(lái)的粉塵顆粒主要受本身的慣性力和周圍氣體對(duì)它的阻力這兩個(gè)力支配。在阻力的作用下，粉塵顆粒最終將停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)粉塵顆粒與液滴碰撞時(shí)，若其能夠被液體潤(rùn)濕，則可以進(jìn)入液體內(nèi)部，若不能被潤(rùn)濕，則粘附在液滴的表面，如圖2所示。

圖2 粉塵潤(rùn)濕與未潤(rùn)濕對(duì)比圖

一般來(lái)說(shuō)，粉塵的濕潤(rùn)性越好，越容易被捕集。濕法除塵主要是利用了粉塵的潤(rùn)濕性這一特點(diǎn)。粉塵的化學(xué)性質(zhì)、顆粒大小、帶電情況、溫度和接觸時(shí)間的長(zhǎng)短等因素均對(duì)粉塵的潤(rùn)濕性有影響。粉塵顆粒有較強(qiáng)的吸附能力，可以吸附空氣中的粒子在表面形成一層比較牢固的氣膜。特別是粒度較小的粉塵顆粒，具有較高的有效孔隙率、表面自由能和比表面積，因而其吸附能力更強(qiáng)、表面形成的氣膜更牢固，這對(duì)粉塵的潤(rùn)濕十分不利，將極大影響粉塵捕集效率[3]。影響粉塵潤(rùn)濕性的另外一個(gè)重要因素是懸浮于氣流中的粉塵質(zhì)量很小，與噴淋水霧滴接觸時(shí)，由于產(chǎn)生環(huán)繞作用使粉塵不易與水滴接觸。因此通過(guò)提高水滴的分布密度和粉塵與水滴相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度都可以改善水對(duì)粉塵的潤(rùn)濕效果，從而提高粉塵捕集效率。

1.3 干法除塵工藝原理

圖3 脈沖式布袋除塵器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本文所述干法除塵工藝是指脈沖式布袋除塵器(結(jié)構(gòu)圖見圖3)，具有處理能力大、性能穩(wěn)定且操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此選用脈沖式布袋除塵器對(duì)氣流尾氣進(jìn)行預(yù)除塵。

含粉塵顆粒的氣流干燥尾氣從底部進(jìn)入脈沖式布袋除塵器，受較大的箱內(nèi)截面積和變動(dòng)氣流的影響，部分大顆粒粉塵在慣性作用下下落從而被除去。氣流繼續(xù)上升到達(dá)箱體中的濾袋時(shí)，由于擴(kuò)散和篩分作用，粉塵在濾袋表面吸附聚集，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流干燥尾氣的預(yù)除塵[4]。濾袋表面吸附的粉塵顆粒通過(guò)反吹風(fēng)作用從濾袋脫下，收集后回用至催化劑生產(chǎn)裝置。

1.4 氣流干燥尾氣處理技術(shù)試驗(yàn)

根據(jù)氣流干燥工序的特點(diǎn)及濕法除塵工藝原理，采用一級(jí)急冷+二級(jí)吸收工藝技術(shù)對(duì)尾氣進(jìn)行處理，尾氣首先進(jìn)入急冷塔與霧化的軟化水接觸降溫，然后依次進(jìn)入一級(jí)和二級(jí)吸收塔，在吸收塔內(nèi)與噴淋水接觸，顆粒物遇到噴淋水形成的液滴或者液膜后，通過(guò)溶解、碰撞、擴(kuò)散和慣性攔截等作用留在液相得到捕集。

圖4 氣流干燥尾氣處理工藝流程簡(jiǎn)圖

1.5 氣流干燥尾氣處理工藝改進(jìn)

隨著國(guó)家環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，單純通過(guò)噴淋水對(duì)尾氣進(jìn)行除塵，很難滿足環(huán)保要求。結(jié)合氣流干燥尾氣的特點(diǎn)，對(duì)尾氣處理系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在原有濕法處理工藝前，增加布袋除塵器進(jìn)行預(yù)除塵后再吸收處理。

1.5.1 干法加濕法相結(jié)合處理工藝

高溫氣流干燥尾氣經(jīng)過(guò)脈沖布袋除塵器初次凈化后，首先進(jìn)入急冷塔與霧化的軟化水接觸降溫，然后依次進(jìn)入一級(jí)和二級(jí)吸收塔，在吸收塔內(nèi)對(duì)尾氣中的粉塵和有害氣體進(jìn)行吸收處理。增加布袋除塵器后，氣流干燥尾氣實(shí)現(xiàn)了干法除塵(布袋除塵)和濕法吸收(一級(jí)急冷+二級(jí)吸收)相結(jié)合的處理方式，具體流程見圖5。

圖5 改進(jìn)后氣流干燥尾氣處理工藝流程簡(jiǎn)圖

Fig.5 Diagram of the improved treatment process of waste gas generated by airflow drying

1.5.2 濕法除塵工藝流程優(yōu)化

采用干法和濕法相結(jié)合的尾氣處理工藝，可以實(shí)現(xiàn)尾氣粉塵含量低于地方政府的排放標(biāo)準(zhǔn)，但隨著地方政府對(duì)尾氣排放日趨嚴(yán)格，為了進(jìn)一步降低氣流干燥尾氣中的粉塵和有害氣體含量，在對(duì)濕法除塵機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，對(duì)其工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化。

優(yōu)化之后的尾氣吸收工藝流程如圖6。二級(jí)吸收塔頂部除塵水使用新鮮酸性水，將二級(jí)吸收塔除塵后的水部分進(jìn)行自循環(huán)除塵，部分打至一級(jí)吸收塔。除塵水通過(guò)一級(jí)吸收塔溢流至酸性水罐，沉降之后上層清液用于急冷塔除塵水。優(yōu)化之后的工藝流程，各級(jí)除塵水濃度形成梯度除塵，即二級(jí)塔<一級(jí)塔<急冷塔。氣流尾氣依次經(jīng)過(guò)急冷塔、一級(jí)和二級(jí)吸收塔處理后，尾氣中粉塵等物質(zhì)濃度依次降低，而所用除塵水濃度也依次降低，因而優(yōu)化后的工藝流程更有利于除塵水對(duì)尾氣中各物質(zhì)的吸收。

圖6 優(yōu)化后工藝流程簡(jiǎn)圖

Fig.6 Diagram of the improved process

2 結(jié)果與討論

2.1 濕法除塵工藝處理尾氣

表2 濕法除塵工藝處理尾氣數(shù)據(jù)分析

由表2可以看出，尾氣經(jīng)一級(jí)急冷+二級(jí)吸收工藝處理后，顆粒物含量降至100 mg/m3左右。

2.2 干法加濕法除塵工藝處理尾氣

表3 干法加濕法處理尾氣數(shù)據(jù)分析

從表3中可以看出，增加布袋除塵器后，通過(guò)干法(布袋除塵)和濕法(一級(jí)急冷+二級(jí)吸收)相結(jié)合的處理方式，顆粒物含量顯著降低。

2.3 濕法工藝流程優(yōu)化后尾氣處理效果

通過(guò)對(duì)干法和濕法相結(jié)合處理方式中濕法流程的優(yōu)化，顆粒物含量有所降低，均值達(dá)到20 mg/m3以下，氨含量也有所減少。

表4 氣流干燥尾氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

(1)氣流干燥尾氣處理采用布袋除塵和一級(jí)急冷+二級(jí)吸收相結(jié)合的處理工藝，顆粒物含量顯著降低。

(2)通過(guò)對(duì)濕法除塵工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，尾氣吸收各級(jí)除塵水形成濃度梯度，有利于對(duì)顆粒物的捕集和NH3的吸收，進(jìn)一步降低了顆粒物含量。

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[3]溫祿淳,劉邱祖.粒徑對(duì)礦井粉塵表面潤(rùn)濕性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)粉體技術(shù),2015,21(4):99-102.

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