重油催化裂化裝置煙氣深度脫硫除塵除霧技術改造效果分析

潘 濤，周燕強，李 欣

(1 中國石油化工股份有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510700；2 中國石化大連(撫順)石油化工研究院，遼寧 大連 116318)

催化裂化再生煙氣含有NOx、SO2、粉塵等污染物，是煉化企業主要的大氣污染物排放源。目前，煉化行業已基本完成FCC再生煙氣脫硫除塵脫硝治理改造，滿足《石油煉制工業污染物排放標準》(GB31570-2015)排放限值的要求，一般控制區(重點控制區)煙氣中氮氧化物、二氧化硫、粉塵排放限值分別為200(100)、100(50)、50(30) mg/m3。濕法脫硫技術具有技術成熟、脫硫效率高及運行穩定等特點，已成為我國催化裂化再生煙氣脫硫除塵的主流技術[1]。

廣州分公司重油催化煙氣脫硫除塵裝置是引進美國貝爾格(BELCO)技術公司的EDV R5000濕法脫硫除塵技術，該系統由煙氣洗滌吸收單元和洗滌液凈化處理單元(PTU)兩部分組成。投產以來，裝置存在運行末期脫硫塔壓降較大；煙囪排放煙氣中帶水；煙囪冷凝水pH值在3左右，煙囪存在腐蝕；煙囪附近地面有落雨，附近地面落有白灰產生等現象。

為了解決以上問題，對脫硫塔進行了改造，實現煙脫排放煙氣進一步的深度脫硫除塵除霧。

1 裝置運行情況分析

1.1 改造前裝置概況

改造前煙氣脫硫塔流程示意圖見圖1，脫硫塔由激冷區、吸收區、濾清模塊區、水珠分離器(除霧器)、煙囪等部分組成。激冷區設置有逆向煙氣噴淋的霧化噴嘴；吸收區設置有5層霧化噴淋噴嘴；濾清模塊設置有循環槽與1層濾清噴嘴；氣液分離器區設置有水珠分離器(除霧器)，由8臺折流向下的氣液分離器構成，均勻布置在煙囪周圍，其入口處的設置固定導葉讓煙氣旋轉，通過離心分離的方式，將煙氣中的水滴分離。分離的水均勻地沖洗管道內壁進行自清潔，并在分離器底部聚集返回濾清模塊區。

其主要流程為130 ℃高溫煙氣進入洗滌塔，在塔入口經過激冷噴淋進行降溫，再進入塔內向上經過五層洗滌噴嘴，脫除煙氣中的大部分SO2與粉塵，再繼續向上穿過濾清模塊的文丘里升氣管，在升氣管內水汽進行凝聚，微小粉塵附著在凝聚的小液滴表面，被濾清噴嘴噴淋洗滌至循環水槽，進一步脫除煙氣中的SO2與粉塵。經過濾清模塊后，煙氣夾帶的霧滴，進入折流水珠分離器(除霧器)進行水汽分離，最后56.7 ℃的煙氣從煙囪(約60 m高)排入大氣。

圖1 原脫硫塔結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the original desulfurization tower

1.2 煙氣脫硫洗滌塔壓降測定

改造前采用手持壓力計分別對改造前脫硫塔的各段壓降進行測量，測量結果見表1。

表1 洗滌塔相關工藝參數Table 1 Related process parameters of washing tower

由表1數據可見，煙氣脫硫洗滌塔主要壓降發生在水珠分離器(除霧器)上，導致脫硫塔總壓降超過了原設計值。

1.3 水珠分離器(除霧器)性能測定

采用氣體快速檢測管對改造前脫硫塔入口煙氣與出口煙氣含水量進行測量，同時皮托管標定改造前脫硫塔煙囪的煙氣流速(測定取樣處煙氣的溫度為56.7 ℃)，見表2。

表2 煙氣中的水含量與皮托管壓降測定值Table 2 Water content in flue gas and pitot tube measured value

根據測量數據，計算改造前脫硫塔煙囪的氣體流量與飽和濕度，從而計算出過飽和水含量，見表3。

表3 過飽和水含量Table 3 Supersaturated water content

1.4 原因分析

脫硫塔壓降偏高的原因是水珠分離器(除霧器)壓降過大。因此，解決壓降問題需要降低除霧器的壓降?！鞍谉煛毙纬墒窍礈焖焽璩隹诘娘柡蜔釤煔?56.7 ℃)進入低溫空氣(10～ 40 ℃)因降溫過飽和出現水汽凝結，并且沒有及時擴散顯現白煙。白煙是濕法洗滌脫硫的正?，F象，在煙囪氣壓較低的情況會出現“下雨”現象。本裝置洗滌塔凈化煙氣霧滴夾帶量為940 mg/Nm3，凈化煙氣攜帶的過飽和水總量為2.28 t/h，加重了煙囪的“白煙”與“下雨”現象。本裝置煙囪附近落有白點，一部分溶于水，一部分不溶于水，因此煙囪附近下的是“塵雨”，煙氣中攜帶的霧滴為含鹽水。因此，為了解決脫硫裝置現有的問題，必須改進水珠分離器(除霧器)。

2 除霧器現有技術

除霧器是FCC濕法煙氣脫硫技術的一個關鍵元件，其功能是脫除煙氣中的液滴，同時將固體顆粒一并脫除。除霧器是煙氣經過脫硫除塵后進入煙囪排放的最后一個關卡，其性能好壞決定了煙氣凈化的最終指標。

目前除霧的方法很多，工業應用較廣除霧器有慣性式、折流式、旋流板式、旋風分離器等。各類除霧器的除霧原理不同，分別適用于不同的粒徑范圍[2]。

2.1 慣性式除霧器

最早普遍應用于工業的除霧器是慣性式除霧器，其依靠改變氣流的方向與速度，使被攜帶的密度較大的液滴因慣性作用而附著在器壁上，靠重力下降。慣性式除霧器主要是依靠直接攔截和慣性碰撞機理達到汽液分離的。由于其本身的結構，慣性式除霧器所能分離的液滴直徑比較大，不適合一些要求很高的場合。

2.2 折流式除霧器

折流板式除霧器同樣屬于慣性式除霧器，利用液滴與固體表面碰撞將霧沫凝聚，通過許多并聯的折流通道，讓液滴在折流通道的垂直壁面及凹槽中聚集后，順壁流下實現氣液分離。由于液滴與壁面的碰撞次數多，分離效率較高。折流板除霧器除霧效率大約在80%～90%左右。

2.3 旋流板式除霧器

圖2 旋流板式除霧器Fig.2 Swirl plate mist eliminator

旋流板式氣液分離器是一種離心式氣液分離器，旋流板由許多按一定角度傾斜的葉片組成。氣體穿過葉片間隙時就形成旋轉氣流，氣流中的液滴在慣性的作用下以一定角度甩向外側，匯集至集液槽內排出，從而達到氣液分離的目的。圖2是一種旋流板式除霧器結構圖。但是現有的旋流除霧器存在液體被二次夾帶的問題，因此，為了保證除霧器效果，需要采用多級結構，導致壓降較高。

2.4 絲網式除霧器

絲網式除霧器通過多層細金屬絲網攔截液滴達到除霧目的，在水霧量小或霧滴不是特別小的情況下，除沫效率一般在97%～98%以上。氣相中的細小水霧滴經過高效絲網除霧器時，水霧碰撞到除霧絲上，被粘附或吸附下來，小霧滴凝聚成較大液滴，重力作用下向下運動，變成液滴滴落下來。絲網凈化器絲網填料的表面積大，自由體積也大，凈化效率可達99%左右。

2.5 濕式靜電除霧器

濕式靜電除霧器包括整流裝置、高壓發生裝置、絕緣箱、陰極框架、陰極線和陽極管等[3]。

電除霧器除霧、除塵工作原理是通過靜電和直流高壓發生裝置，將交流電變成直流電送至除霧裝置中，在電暈線(陰極)和酸霧捕集極板(陽極)間形成強電場，產生大量的電子和正、負離子，在電場力的作用下定向運動捕集酸霧。

采用靜電除霧器對凈化的煙氣進行深度除塵除霧，目前已經在中石化企業有工業裝置。深度除霧/除塵效果較理想，存在設備投資大、電耗高。設備腐蝕漏電等問題。

3 改造方案

3.1 除霧器選擇

根據催化裂化煙氣中含有顆粒直徑很小的粉塵的特性與除霧器的除霧效果[4]，慣性式除霧器、折流板式除霧器都不能達到深度除霧的要求，而絲網式除霧器容易堵塞不能采用，因此能滿足要求的只有濕法電除霧器與旋流除霧器。兩者的性能參數對比如表4所示。

表4 旋流除霧器與電除霧器對比Table 4 Comparison of cyclone mist eliminator and electric mist eliminator

從表4可以看出，采用旋流除霧器，獲得的除霧效果好于電除霧器，并且設備投資與操作費用較低。本次改造采用中石化某研究院開發的FCC濕法煙氣脫硫多效遞增除霧器，單個多效遞增除霧器結構示意圖如圖3所示。

圖3 多效遞增除霧器結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of the multi-effect incremental mist eliminator

多效遞增除霧器主要由塔盤與安裝在塔盤上的多個多效遞增除霧器組成。單個的除霧器由內筒、外筒組成，內筒頂部設置有4個導向筒，外筒內設置若干個凹型排液槽。煙氣從塔盤下方進入內筒，在內筒中上升到內筒頂部，然后進入頂部的導向筒實現加速。加速后的煙氣切向進入外筒實現高速旋轉。在此過程中，煙氣經歷慣性碰撞—聚并—離心分離—重力分離的過程，實現氣液的高效分離。

3.2 除霧器改造情況

為了實現深度脫硫除塵除霧效果，塔體進行改造方案如圖4所示，原除塵脫硫裝置脫硫效果很好，本次改造只更換原裝置的除霧段。在煙氣除塵脫硫塔的濾清模塊上方增設一層升氣塔盤，升氣塔盤上方設置一層高效霧化噴淋層，通過高效霧化噴嘴合理布置，形成覆蓋整個塔徑的噴淋面，該噴淋面對煙氣進行全面的有效攔截，提高對超細粉塵的捕捉能力[5]。噴淋段上部設置高效除霧器，新增兩臺冷洗滌循環泵，用于對冷洗滌循環液增壓后輸送至高效霧化噴淋層對煙氣進行洗滌降溫，進一步脫除煙氣中的超細顆粒物。新增兩臺冷卻器，用于冷卻冷洗滌循環液。

圖4 塔體改造示意圖Fig.4 Schematic diagram of tower reconstruction

4 改造后運行情況分析

4.1 裝置標定條件

表5 標定期間原料油主要分析項目Table 5 Main analysis items of raw oil during calibration

續表5

4.2 裝置操作條件

表6 標定期間的主要操作條件Table 6 Main operating conditions during calibration

4.3 除塵脫硫塔各級壓力

表7 除塵脫硫塔各級壓力Table 7 Pressure at all levels of dust removal and desulfurization tower

4.4 水質分析數據

從表8中數據可以看出，改造前后洗滌塔各段水質分析符合工藝生產需求。循環漿液pH保持在8.0以下，外排廢水COD分析數值為35.6mg/L，能夠滿足現有環保排放要求。

4.5 出入口煙氣分析數據

表9 除塵脫硫塔塔出入口煙氣污染物分析Table 9 Analysis of flue gas pollutants at the entrance and exit of the dust removal and desulfurization tower

表8 除塵脫硫塔各類水質分析Table 8 Analysis of various types of water quality in dust removal and desulfurization towers

從表9中數據可以看出，改造后洗滌塔出口各排放物均滿足環保要求。其中SO2脫除率達99.89%，顆粒物脫除率為98.08%，表明多效遞增除霧器除霧技術改造仍能夠滿足煙氣達標排放。

4.6 標定結果分析

從表10中數據可以看出，改造前后基本操作條件接近。在此條件下，除塵脫硫塔二氧化硫脫除率改造前后分別為99.81%和99.89%，均保持良好的脫硫效果，滿足設計條件要求。

從表中數據可以看出，改造前后基本操作條件接近。在此條件下，除塵脫硫塔煙氣顆粒物脫除率改造前后分別為50.84%和98.08%，除塵效率提高47%以上，滿足設計條件要求。

從表中數據可以看出，改造前后基本操作條件接近。在此條件下，除塵脫硫塔出口煙氣中的過飽和水含量(霧滴)由 4.9 g/m3降低到<5 mg/m3(實際檢不出)，表明多效遞增除霧器除霧效果良好。

從表中可以看出，排煙溫度由改造前的60 ℃降至54 ℃，補水量由原來的16 t/h降至11 t/h，說明通過增加凝結相變吸收段，有效降低排煙溫度，煙氣中的部分過飽和水析出返塔，減少新鮮水補水量5 t/h，每年可節約4.1萬噸水。新鮮水按照3.5元/噸計算，可節約14.7萬元。

表10 改造前后數據對比Table 10 Data comparison before and after transformation

4.7 除塵脫硫塔各層壓降對比

表11 除塵脫硫塔各級壓降Table 11 Pressure drop at all stages of dust removal and desulfurization tower

從表11中可以看出，本次改造段壓降(深度除塵循環段+多效遞增除霧器)為521 Pa，比原來水珠分離器(除霧器)的壓降的1535 Pa減小了1014 Pa，滿足設計要求的≯1 kPa的要求。煙氣后路裝置壓降降低，可提高催化煙氣輪機的效率，進而增加FCC再生煙氣能量回收率。

4.8 煙囪下雨現象對比

表12 煙囪下雨現象對比Table 12 Comparison of chimney rain phenomenon

改造前，鍋爐框架、周邊地面、植物表面存在大量白色粉末(鹽類)，改造后未發現該現象。說明改造后，對降低煙氣中鹽含量有較好的效果。由于本次改造未設置煙氣再熱部分，故未能完全消除白煙，煙囪周邊仍存在少量霧滴。

4.9 長周期運行結果

深度除塵除霧單元循環噴淋系統和多效遞增除霧器于2017年8月與重催裝置同步開工。至2021年7月31日，系統已累計運行1460天。

系統投用期間，重催裝置處理量維持3200 t/d左右，裝置負荷率106%，煙氣脫硫入口煙氣流量維持在150000 Nm3/h左右。入口粉塵濃度維持在150～200 mg/Nm3，出口粉塵濃度維持在1～15 mg/Nm3，粉塵脫除率95%以上。入口SO2維持在1500～3500 mg/Nm3，出口SO2維持在5 mg/Nm3以下，SO2脫除率維持在99.8%以上。運行期間全塔壓降基本控制在2000 Pa以內，多效遞增除霧器壓降維持在200 Pa以內。

系統運行，主要設備運行情況如下：

(1)各組設備未發生過故障停機，設備本體未發生泄漏現象。

(2)高效霧化噴嘴和多效遞增除霧器未發生堵塞現象。

(3)冷卻器未發現效果降低跡象。

(4)噴淋段和除霧器段壓降無升高跡象。

綜合目前裝置運行情況可以推斷，深度除塵除霧系統滿足4年一周期的長周期運行，實現與裝置主體同步大修。

5 結 論

(1)煙氣脫硫系統能保持99%以上的脫硫效率，外排煙氣SO2濃度維持在5 mg/Nm3以內，滿足SO2濃度≤20 mg/Nm3的設計指標。改造后，煙氣脫硫的除塵效率大幅提升，與改造前相比除塵效率提高47%以上，滿足出口顆粒物濃度≯20 mg/Nm3的設計指標。

(2)除塵脫硫塔出口煙氣中的過飽和水含量(霧滴)由 4.9 g/m3降低為5 mg/m3(實測未檢出)，表明多效遞增除霧器除霧效果良好。煙囪排煙溫度從60 ℃降至54 ℃，新鮮水補水量由原來的16 t/h降至11 t/h，補水量降低5 t/h，每年可節約4.1萬噸水。新鮮水按照3.5元/噸計算，可節約14.7萬元。

(3)新增段壓降僅為521 Pa，比原來水珠分離器(除霧器)的壓降1535 Pa減小了1014 Pa，滿足設計要求的≯1 kPa的指標。

(4)煙囪白煙情況有所改善，徹底消除了霧滴(明水)為后續消除白煙奠定了基礎。

(5)周邊環境附著的鹽明顯減少，霧滴量明顯減少，說明項目投用對減少煙氣中的鹽霧氣溶膠等有較好的效果。