煙氣脫硫裝置污水環保指標優化分析

薦保志

（中國石油廣東石化公司，廣東揭陽 522000）

某石化公司煙氣脫硫裝置采用美國BELCO 的EDV 濕法洗滌脫硫工藝處理含有SO2、NOx和固體顆粒的煙氣。在EDV 系統的凈化污水排放到環境之前對其進行去除懸浮固體處理，同時配備凈化處理裝置（PTU）降低其化學需氧量。GB 31570—2015《石油煉制工業污染物排放標準》規定排放煙氣ρ(NOx)限值為100 mg/m3，排放水氨氮(ρ)限值為8.0 mg/L。煙氣脫硫裝置外排污水中氨氮和懸浮物分別占公司總排污染物排放總量的95%以上，對于污染物排放的管控，國家環保部門規定采取分步實施的辦法。針對催化煙氣，不僅要求治理廢氣，還要兼顧控制排放水污染物。特別是隨著俄羅斯石油（以下簡稱俄油）和海拉爾原油（以下簡稱海油）摻煉比例增加，煙氣脫硫污水氨氮超標將導致總排口中總氮嚴重超標。針對上述情況，筆者對煙氣脫硫裝置排放的污水環保指標進行分析，并提出相應的技改措施。

1 催化裝置再生煙氣特點

催化裝置再生煙氣的NOx和SO2濃度主要與原料性質有關。

原料中約35%～40%的氮進入催化劑的焦炭，再生煙氣ρ(NOx)一般為30～180 mg/m3，隨著俄油摻煉比例提高，ρ(NOx)提高到300～1 000 mg/m3。燒焦過程中，大部分氮生成中間物態HCN 和NH4+，在富氧氛圍下進一步反應生成氮氣和NOx[其中φ(NO)為95%～100%]，隨著CO 含量下降，缺氧還原條件下，NOx濃度隨之增加。貧氧環境下，煙氣中氮大部分以HCN 和NH4+形態存在，經CO 余熱鍋爐高溫富氧燃燒后，又大部分轉化為NOx。

再生煙氣中的SO2主要來源于加工原油中所含的硫，其中w(S) 15%～20%最終沉積在焦炭中。在催化劑再生過程中，焦炭上約90%的硫被氧化成SO2，約10%～15%甚至更多的硫氧化成SO3。催化煙氣脫硫裝置設計最大煙氣流量174 350 m3/h（以濕基計），按照目前3 450 t/d 加工負荷推算，實際煙氣流量已經達到177 314 m3/h（以濕基計）；設計煙氣ρ(SO2)為600 mg/m3，實際已達800 mg/m3左右。

2 EDV 濕法煙氣洗滌脫硫工藝

EDV 濕法煙氣洗滌脫硫工藝主要包括3 部分：洗滌吸收、過濾和污水處理工序。催化裝置再生煙氣脫硫工藝流程見圖1。

含有硫化物的再生煙氣正常流量為75 000 m3/h，溫度170 ℃左右，進入CO 余熱鍋爐吸收余熱后，經水封罐以水平方式進入EDV 濕法洗滌系統的煙氣脫硫塔。脫硫塔入口有一個豎直的BELCO-G-400 噴嘴，噴射出高密度水霧面，對進入脫硫塔的煙氣進行洗滌冷卻并達到飽和狀態，部分SO3和粒徑大于3 μm 的顆粒被吸收。煙氣進入脫硫塔后開始轉向向上，與另一組水平的BELCO-G-400 噴嘴（4 層，共4 個）垂直接觸，大部分SO2和粉塵在此被洗滌吸收。煙氣繼續向上被分配至6 個EDV 過濾模塊，每個過濾模塊都配有一個BELCO-F-130 噴嘴，向下噴至文丘里管發散段，進一步收集酸霧和細粉塵微粒。由濾清模塊來的煙氣經水滴懸空分離器把干凈無水滴的煙氣送至塔上方的煙囪排到大氣中。塔底洗滌的漿液循環利用，為保證吸收效果和設備安全，通過外排一部分洗滌液來控制循環漿液中的總懸浮固體量、總溶解固體量和Cl-濃度。為了平衡吸收過程中蒸發和排液的損失，需要不斷補充新鮮水。

洗滌塔的污水送至污水處理廠處理，工藝流程見圖2。

圖1 催化裝置再生煙氣脫硫工藝流程

圖2 污水處理工藝流程

來自脫硫塔的廢液進入混合器，與絮凝劑混合后進入澄清器。混合液在澄清器內沉淀、濃縮，底流從澄清器底部排至過濾器，經過濾器過濾后的清液由濾液泵送回混合器，污泥送至過濾箱干燥后由環保部門集中處理。澄清器上部溢流的清液進入氧化罐，在氧化罐內被鼓入的空氣氧化，COD 降低。經氧化處理后的廢水進入污水罐，經污水泵送至污水處理廠。

煙氣脫硫的含鹽污水送入排液處理系統處理后，其中的懸浮物和化學需氧量大幅降低。目前，裝置運行平穩，污水COD ≤90 mg/L，懸浮物(ρ)≤120 mg/L，氨氮(ρ)≤8.0 mg/L，達標后送至公司總排進行污水再處理。

3 污水環保指標的控制

3.1 COD的控制

3.1.1 污水COD的來源

含有SO2并帶有催化劑粉塵的熱煙氣，經過管道輸送到煙氣脫硫洗滌系統。在急冷區和吸收區氣液兩相充分接觸，使得SO2進入洗滌液中。過濾系統進一步除去細微顆粒和SO2。SO2脫除反應主要發生在急冷區和吸收區，主要化學反應如下：

反應（1）生成的亞硫酸氫鈉和反應（2）生成的亞硫酸鈉，在富氧條件下會進一步反應生成硫酸鈉，而含鹽污水COD 主要貢獻值來自硫酸鈉。

3.1.2 污水COD的影響因素

催化煙氣脫硫裝置的外排水在PTU 進行處理。氧化系統包含氧化罐、空氣鼓風機、氧化罐攪拌器及pH 控制回路，將污水的COD 降低到90 mg/L 以下。若氧化系統的氧化性能下降，污水的COD 值則會上升，所以必須保證系統的操作參數在規定的范圍內。

隨著催化裝置加工量的提高，含有催化劑粉塵的污水COD 值波動范圍變大，污水各項指標開始連續出現不合格，達不到公司環保要求。為此，該公司組織技術人員通過模擬現場工藝流程，檢測新鮮水、絮凝劑和堿液的氧化性及COD 含量，對外排污水COD 的影響因素進行排查，結果見表1。

由表1 可見：新鮮水COD 為6 mg/L，占總排污水COD 的9.56%，對外排污水COD 的影響不可忽略；氧化后絮凝劑COD 為1 025 mg/L，占總排污水COD 的1.19%，對外排污水COD 影響較小；堿液COD 為1 000 mg/L，占總排污水COD 的46.3%，是外排污水COD 的主要影響因素。

表1 外排污水COD統計數據

經分析，外排污水COD 主要來自兩方面：一是受俄油摻煉比例以及加工負荷影響，煙氣中SO2被堿液吸收后，主要以亞硫酸鈉形式體現的COD，在后續PTU 轉化為硫酸鈉，是可氧化型COD；另外一部分COD 來自煙氣處理過程，主要由洗滌液新鮮水、澄清器絮凝劑、吸收劑堿液等產生，該部分COD 組分未知，但從試驗結果來看，絮凝劑只有約11%可被空氣氧化，近89%的絮凝劑不能被PTU 處理，也是影響污水COD 的關鍵因素。

通過對外排污水COD 的數據分析可知，污水COD 偏高的主要原因有：

1）PTU 的氧化能力不足。催化裝置滿負荷運行后，煙氣脫硫裝置SO2處理量達到設計負荷的125%，PTU 的氧化能力不能滿足最大工況運行需求，PTU 的氧化系統、堿液系統需要改造升級。

2）絮凝劑和堿液等助劑類COD 偏高，PTU 無法將其氧化。

該公司科技部門與中石油東北煉化工程有限公司吉林設計院進行現場考察后提出的技改方案為：①洗滌塔底增設氧化風環，提前降低污水COD；②污水罐增設氧化風環，增加污水中的氧含量；③PTU 氧化風機出口增設凈化風線，在氧化風機故障時可以供風。經過對PTU 技術改造，外排污水的COD 統計數據見表2。

表2 外排污水COD統計數據

由表2 可以看出：隨著俄油摻煉比例、催化加工負荷提高，煙氣脫硫裝置外排污水COD 逐步呈上升趨勢，而儲存外排污水容積500 m3的緩沖罐污水平均COD 基本維持不變。初步判斷，PTU 三組氧化罐共計15 m3，按照目前外甩漿液量推算，氧化時間不足1 h，部分空氣直接排入大氣影響了氧化效果，而500 m3緩沖罐中污水停留的時間較長，且底部通風后可以進行二次氧化，所以污水平均COD 可降至70 mg/L 左右。

3.2 污水氨氮的控制

CO 余熱鍋爐煙氣進入煙氣脫硫裝置后，濕式洗滌把氣相中剩余的HCN 和NH3轉入水相生成，實際上是把煙氣中的部分污染物轉移至水相，形成新的水體污染，然而水中鹽類治理將增加新的投資，且操作成本極高。

改造前催化裝置再生煙氣脫硫單元外排污水污染物數據見表3。

表3 改造前外排污水污染物數據

由表3 可以計算得出：改造前催化裝置煙氣脫硫單元外排污水中氨氮和懸浮物分別占污染物排放總量的98.77%和97.15%。

為了降低外排污水中氨氮的含量，對CO 余熱鍋爐進行操作調整，并進行技術改造：

1）通過調整瓦斯量將爐膛溫度提高至800 ℃，通過調節風機擋板開度提高CO 余熱鍋爐富氧程度，過剩氧含量按照φ(O2)0.6%控制。

2）添加再生煙氣脫硝劑。通過添加低NOx燃燒促進劑或NOx還原添加劑，可減少催化裂化再生煙氣中約75%的NOx排放量[1]。

3）增設選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝裝置。SCR 催化劑能促進NOx與所注入NH3的反應，將NOx選擇性地轉化成N2和H2O。

改造后催化裝置再生煙氣脫硫單元外排污水污染物數據見表4。

由表4 可以看出：改造后催化裝置煙氣脫硫單元外排污水中氨氮(ρ)從約7 mg/L 降至約1 mg/L，懸浮物(ρ)從約25 mg/L 降至約14 mg/L，且氨氮和懸浮物占污染物排放總量的比例也大幅下降，分別從98.77%和97.15%降至48.51%和64.83%。

表4 改造后外排污水污染物數據

3.3 懸浮物的控制

全自動反沖洗過濾器作為終端處理設備，進一步除去污水中的鹽分及其他細微顆粒，使水質可以達標排放。過濾器由2 個分別有55 根濾芯的濾筒組成，濾芯采用5 層燒結網材料，過濾精度為5 μm。在運行過程中，外排污水中的催化劑粉末夾雜絮凝劑聚結在燒結網中間不能被沖刷掉，造成濾芯堵塞。濾芯返廠采用燒結的方式進行處理，但因催化劑骨架中含有的金屬元素無法隨燒結去除，因此濾芯重新處理后的過濾效果僅能達到新濾芯的30%～50%，不能滿足長周期運行的要求。

煙氣脫硫吸收的催化劑粉末粒徑通常在5 μm左右，在二次過濾階段由于加入絮凝劑使催化劑粉末聚集在一起，粉末的實際粒徑達到100 μm 以上。考慮到過于精密的過濾器投運后由于過濾管束容易堵塞，壓差增加，頻繁多次進行反沖洗會使過濾器失去作用，建議采用較大體積砂濾罐進行二次過濾，同時配置大量新鮮水進行反沖洗，定期更換罐內濾袋，清除罐壁結垢物，達到消除絮凝劑的干擾，進一步降低外排污水中懸浮物含量的目的。

在過濾器反吹、反洗過程中，排水量較大，受濾液泵額定流量限制，大量顆粒未經沉淀直接進入泵體，一方面易堵塞入口管線，機泵易抽空，另一方面機泵密封易發生泄漏，需要進一步解決。

4 結語

1）受加工負荷以及俄油摻煉比例影響，PTU氧化能力明顯不足，需要推進技術改造進度。新鮮水COD 值僅為6 mg/L，但加入量大，對外排污水COD 的影響不可忽略。絮凝劑本身COD 偏高，但加入量少，對總體COD 影響較小。堿液是影響外排污水COD 的關鍵因素，隨著每次補堿，COD 出現周期性波動，建議增加新鮮堿液COD 的監控，每次加堿前對氫氧化鈉濃度、氯離子、COD進行檢測，對堿液品質重點關注。

2）CO 余熱鍋爐切換至富氧燃燒模式后，洗滌塔底COD 大幅度降低，對于提高PTU 外排污水的水質有很大幫助。洗滌塔底污水氨氮(ρ)由300 mg/L 降低至1 mg/L，煙氣中ρ(NOx)由30 mg/L 提高至110 mg/L，大量氨氮在高溫富氧條件下，轉化為氮氧化物隨氣相排放至大氣。

3）建議采用較大體積的砂濾罐代替過于精密的過濾器進行二次過濾，進一步除去污水中的細微顆粒，懸浮物可降至約30 mg/L。但在過濾器反吹、反洗過程中排水量較大，會造成濾液泵入口管線堵塞和密封發生泄露，需要進一步解決。