1、工程应用石油化工设计PetrochemicalDesign2023，40(2)32 35超低排放新型塔内件在重油催化裂化烟气达标处理中的应用李星，杨松(中海石油中捷石化有限公司，河北 黄骅 061101)摘要:某 FCC 催化裂化装置建设年限早，未设置配套烟气处理环保设施，催化烟气 SO2排放浓度和颗粒物排放浓度远超出规范要求，导致装置停工闲置。为确保达标排放，帮助装置复产，通过采用超低排放新型塔内件，保证烟气达标排放，激发装置活力。在塔内件压降负荷满足生产要求时，烟气排放指标远低于当地环保要求，烟囱无飘雨落雨现象，应用效果良好。关键词:催化裂化装置超低排放烟气治理塔内件doi:10 3969
2、/j issn 1005 8168 2023 02 008目前国内共有 150 多套催化裂化装置，总加工能力约为200 Mt/a1。催化裂化工艺是油品深度加工，提高炼厂经济效益的有效途径。在高温和催化剂的作用下，重质油在催化裂化装置内发生裂化反应，转变为裂化气、汽油和柴油等。催化裂化装置产生的烟气主要来源于催化剂再生过程(通过向待生催化剂中通入空气，用燃烧法除去催化剂上附着的焦炭)，其产生的再生烟气中含有大量 SO2、NOX和颗粒物等，成为炼化行业大气污染物的主要来源。十四五规划纲要2(2021 年 3 月13 日)中明确提出:持续改善京津冀及周边地区汾渭平原、长三角地区空气质量，因地制宜推动
3、北方地区清洁取暖、工业窑炉治理、非电行业超低排放改造，加快挥发性有机物排放综合整治，氮氧化物和挥发性有机物排放总量分别下降 10%以上。因此炼化企业也应提早规划，开展催化烟气超低排放改造。某公司催化裂化装置 2005 年建成投产，未配备烟气治理设施，烟气中 SO2、颗粒物浓度较高，其排放浓度远达不到国家规范和当地环保局要求。国家环境保护部在 2018 年 1 月 16 日发布的关于京津冀大气污染传输通道城市执行大气污染物特别排放限值的公告(2018 年第 9 号)下称特别排放限值公告 要求及相应地方性污染物排放限值要求:SO2排放浓度50 mg/m3(干基)，颗粒物排放浓度30 mg/m3(干
4、基)3。表 1 为催化烟气排放表以及与相关标准的比较。表 1烟气排放数据项目烟气污染物排放浓度/(mgm3)SO2颗粒物催化裂化装置650200GB 315702015 大气污染物排放限值3 10050执行大气污染物特别排放限值4 5030由表 1 可看出:催化再生烟气中的 SO2和颗粒物均已经超出标准要求，属于超标排放，故该装置自 2014 年以来停工闲置。随着国家和社会各界对石油装置排放物的浓度要求日益严苛，则对京津冀地区炼化企业污染物排放要求也越来越严格。为使烟气达标排放，该公司提质增效，致力于裂化装置的烟气超低排放设施技术升级，以满足现阶段烟气排放要求，适应公司后续发展规划。1原工艺流
5、程催化裂化装置为同轴催化裂化装置，催化裂化装置由反应 再生部分、主风机组部分、分馏部分、气压机部分、吸收稳定部分、产汽系统和余热收稿日期:2022 08 22。作者简介:李星，女，2013 年毕业于常州大学化学工程与工艺专业，学士，工程师，主要从事炼油技术管理工作。E mail:lixing6 cnooc com cn2023 年第 2 期(第 40 卷)李星等 超低排放新型塔内件在重油催化裂化烟气达标处理中的应用 33 锅炉部分组成。2019 年装置开展复工环保设施改造，除尘脱硫单元工艺包技术为中石化自主知识产权的“新型湍冲文丘里除尘脱硫技术”。原烟气从主烟道接出后自上而下垂直进入除尘激冷塔
6、，首先经过溢流堰段，随后进入逆喷段，与溢流段浆液和逆喷喷嘴喷淋的循环浆液逆向充分接触，烟气中的大部分 SO2、颗粒物以及其他酸性气体被吸收。经逆喷洗涤降温至饱和状态的烟气经过渡段进入综合塔，烟气上行进入消泡器组件，在此烟气中的细微颗粒与水汽发生碰撞和凝聚，经消泡器喷嘴喷出的水帘进一步洗涤后，去除烟气中剩余的 SO2、细微颗粒物以及其他酸性气体。经过消泡器洗涤后的烟气依次经一级除雾器除水、水洗段以及二级除雾器深度除尘除雾，最终的净烟气经设置在综合塔顶部的烟囱(总高约 60 m)排入大气。图 1 为综合塔 C 3002 原设计结构。图 1综合塔 C 3002 原设计结构示意1:C 3001 除尘激
7、冷塔;2:逆喷段;3:C 3002 综合塔釜;4:消泡器段;5/7:一级/二级除雾段;6:水洗段;8:溢流堰段2优化综合塔内件该公司另一套催化装置脱硫单元在运行过程中经常出现烟囱飘雨落雨问题，每逢冬季气温降低，地面大面积结冰，给装置操作人员巡检带来巨大安全隐患。通过原因分析，脱硫脱硝设施 2015年 10 月投产使用，除尘效率 75%以上，主要是除雾效率低，脱硫塔内件采用两层折流板除雾器和除雾器喷淋，除雾效率低，现有除雾器上的雾滴和烟尘有部分被烟气二次夹带进入烟气形成落雨。除尘效率低致使雾滴浓度高。困扰设计人员的核心难题是湿法烟气脱硫伴有化学反应的过程强化，需要研发更高效的强化传质装置以提高传
8、质速率5。为实现较高的脱硫除尘效率，达到超低排放效果，技术人员特别针对塔内件实施了升级改造。原有脱硫工艺包综合塔内部构件从下至上分别为:消泡器(工艺包专利设备)、一级除雾器段、水洗段、二级除雾器段;为大幅提高脱硫效率，采用某公司专利技术，更新后的内部构件从下至上分别为:消泡器(工艺包专利设备)、升气盘、扰动传质件(专利设备)、水洗段、曲面锥除雾器(专利设备)、集水环。2 1升气盘升气盘实际上是一个小型积液装置，主要收集综合塔上部喷淋层喷下的浆液，使其不直接落入下层消泡器中，由循环泵往复喷淋，起到浆液回收的作用。2 2扰动传质件1)采用扰动传质专利技术，扰动的烟气气流使吸收液碱液在气流中形成多尺
9、度的非均相、立体空间的混沌自稳定系统。气液在混沌态混合、传质和传热，可达到自稳的混沌态，提高脱硫塔的可靠性和稳定性。烟气和碱液在扰动传质件表面发生强烈掺混，液膜表面不断更新，气液接触充分，增加了碱液与烟气的接触时间，加强碱液利用率从而减少碱液循环量。保障了 SO2的吸收效率，同时也将塔内烟气进行均流，提高了喷淋层的脱硫效率。2)扰动传质件还有很高的除尘效率，由于扰动传质件增加了液气接触时间，增加了碱液的比表面积，延长液相在烟气里的停留时间，增加了碱液捕捉粉尘能力，对于 PM25 去除率高达80%以上。3)传质件极大提高了气液传质传热的效率，且系统结构简化，减少了设备的投资成本和运行成本，精简的
10、工艺和设备也提高了系统可靠性，维持混沌态只需要烟气通过扰动传质件增加轻微的扰动即可。2 3曲面锥除雾器FCC 再生烟气是炼化行业最主要的颗粒物排 34 石 油 化 工 设 计2023 年第 2 期(第 40 卷)放源，排放的颗粒物占全厂颗粒物排放量的60%70%，颗粒物除了硅铝催化剂细粉以外，还有原料油中重金属(如镍和钒等)沉积其上，随颗粒物一起排放到大气中6。再生烟气中的颗粒物分布见表 27。该公司催化裂化装置再生烟气颗粒物粒径分布与中国石化企业 2 的分布类似。1)更新塔内件后，液滴的大小及其分布取决于它们的形成机理和物系的性质8，对除雾器性能影响极大。通过脱硫后烟气携带的液滴是在脱硫塔内
11、原有的大颗粒液滴经过粗筛后剩余下来的，因此粒径较大，一般在10 50 m;而从烟气中冷凝下来的液滴是由水蒸气相变、成核、团聚作用下形成的，因此颗粒粒径较小，液滴粒径范围在0 1 30 m，其中约 85%以上是粒径 15 m 的超细颗粒雾滴9 10。常规普通除雾器有效分离粒径见表 3。表 2FCC 再生烟气中颗粒物粒径分布粒径/m中国石化企业 1中石化企业 2地方炼油厂 1地方炼油厂 2单级占比累计占比单级占比累计占比单级占比累计占比单级占比累计占比0 248448485085063763775675 62 545093485085030093775675 65 106 5100 0128978
12、4998622297 8102210001410002 2100 0表 3不同除雾器的分离粒径项目折板式旋流式旋风式重力式丝网式分离粒径/m201051003优点适用范围广结构简单不易堵塞处理量大效率高结构简单操作弹性大表面积大分离效率高缺点叶片易堵难清洗分离效率不稳定体积大阻力大体积大，分离粒径大易堵难清洗2)再生烟气中大部分颗粒粒径集中在 0 5m，这部分微粒在烟气冷凝过程中作为冷凝核，对烟气冷凝起催化助推作用，促使冷凝液团聚长大形成飘雨。表 3 中的除雾器分离粒径无法满足工艺要求，需要寻找更高效率的除雾器。通过调研分析，该公司选择使用专利曲面锥除雾器。3)曲面锥除雾器的工作原理是采用一种
13、特殊的曲面，能使气流中裹挟的细微颗粒物(烟、雾)从气流中逐步侧向移动;利用此特性将烟雾捕集到曲面形成液膜，再借助气流的推力将液膜甩到叶片外面的筒壁上。4)筒壁采用有进一步除尘除雾的锥筒，锥筒上开设凹槽，可实现气液两相分离。同时，锥筒继续旋转捕集烟尘和水雾，捕集的液体及烟尘通过锥筒的排液槽排出，防止已经捕集的烟雾重新被气流夹带进入气流中。由于使用了特殊的曲面、叶片、锥筒、排液装置等多重除尘除雾，因此可以将纳米级别的烟雾去除。曲面锥除雾器利用锥筒分液槽解决了二次夹带问题;利用叶片根部冲洗避免了堵塞结垢，为装置长周期连续稳定可靠运行提供了可能。5)为防止捕集的粉尘堵塞除雾器和干湿界面结垢，设计了定时
14、、巡回和自动冲洗除雾器。除雾器的效率大幅提高，减少雾滴排放的同时，冷凝核的数量相应减少，冷凝液团聚长成大液滴的数量也减少了，不会形成大颗粒落入地面，高效地解决了烟囱烟雾排放难题。另外曲面锥除雾器具有耐腐蚀，抗结垢、阻力小、抗堵塞、抗沉积等特点，投资成本低、装置可靠、易拆装。2 4集水环为避免烟气进入烟囱后冷凝，落下的冷凝液被烟囱入口烟气重新吹入烟气形成飘雨，本项目在综合塔锥段设置冷凝集水环，收集依靠重力落下的液膜液滴，减少飘雨，冷凝液回收至脱硫塔，也可减少一部分水耗。优化后的综合塔见图 2。3改造后装置运行情况装置正常投产后平稳运行，采用新型塔内件后 SO2平均排放浓度为 1 03 mg/m3
15、，烟气颗粒物平均排放浓度为 10 55 mg/m3，远低于特别排放限值公告 要求的限值 SO2浓度50 mg/m3(干基);颗粒物排放浓度30 mg/m3(干基)，同时烟囱不再飘雨，周围地面无落雨结冰现象，达到超低排放要求。2023 年第 2 期(第 40 卷)李星等 超低排放新型塔内件在重油催化裂化烟气达标处理中的应用 35 3 1SO2和颗粒物排放浓度烟气主要污染物排放浓度均达标，表 4 为 SO2和颗粒物排放浓度数据。图 2综合塔 C 3002 改造后结构示意1:C 3001 除尘激冷塔;2:逆喷段;3:C 3002 综合塔釜;4:消泡器段;5:升气盘;6:传质件;7:曲面锥除雾器;8:
16、溢流堰段表 4SO2和颗粒物排放浓度数据时间(年 月)颗粒物(折算)/(mgm3)SO2(折算)/(mgm3)流量/(m3h1)O2，%2021 127 8505677 725 334432022 018 8618066 217 435112022 029 7606860 385 375302022 039 6404965 259 374592022 04121710056 441 624032022 06127108545 756 603892022 07128618146 326 17335平均值105510359 730 274393 2除雾器压降装置平稳运行后，扰动传质件压降不大于0 25 kPa，水洗段压力降不大于 0 3 kPa，除雾器段压力降不大于 0 5 kPa，高负荷阻力增加，低负荷时阻力减少，除雾效率几乎不受影响。3 3烟雨情况该装置在消缺检修后的首个冬季生产中，脱硫脱硝单元设备运行状态良好。可明显看到装置的烟雨情况得到了有效控制，烟囱附近无飘雨、落雨现象，地面无积水，消除了危及人身安全的隐患，即装置巡检人员可无后顾之忧地正常巡检。与该公司目前 120 万 t/a
