蒸汽噴射油泥處理設(shè)備的節(jié)能優(yōu)化分析

李穎王占生李春曉李秀敏滿春志張春剛

（1．中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院；2．中國石油大學(xué)（北京）；3．中國石油冀東油田安全環(huán)保處；4．中國石油冀東油田集輸公司）

蒸汽噴射油泥處理設(shè)備的節(jié)能優(yōu)化分析

李穎1，2王占生1李春曉1李秀敏1滿春志3張春剛4

（1．中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院；2．中國石油大學(xué)（北京）；3．中國石油冀東油田安全環(huán)保處；4．中國石油冀東油田集輸公司）

超熱蒸汽噴射法是一種不產(chǎn)生二次污染、處理后的殘?jiān)秃实偷暮臀勰嗵幚砑夹g(shù)。針對(duì)其能耗大的缺點(diǎn)，文章通過設(shè)計(jì)新型換熱流程，并在原有工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增設(shè)預(yù)熱換熱器，回收過程氣的中高溫位（350℃左右），用于加熱鍋爐進(jìn)水，預(yù)熱反應(yīng)原料，從而提高系統(tǒng)效率。余熱回收效率為12．7%，預(yù)計(jì)節(jié)約70 400元／a，投資回收期僅為2個(gè)多月。

超熱蒸汽噴射；含油污泥處理設(shè)備；節(jié)能優(yōu)化；余熱回收

0 引 言

超熱蒸汽噴射技術(shù)是近幾年涌現(xiàn)出的一種新型含油污泥處理方法，具有設(shè)備緊湊、簡單，易于維護(hù)，不產(chǎn)生二次污染；可回收污泥中的石油資源、處理后的殘?jiān)秃实偷膬?yōu)勢，有效避免了普通處理排放后的高額污染費(fèi)用，提高了經(jīng)濟(jì)效益［1］。

超熱蒸汽噴射處理含油污泥技術(shù)已較為成熟，目前處于推廣階段，但其設(shè)備能耗還有待改進(jìn)。為此開展超熱蒸汽噴射法含油污泥處理技術(shù)裝備的節(jié)能優(yōu)化分析與設(shè)計(jì)，優(yōu)化工藝流程，提高能量利用效率，進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備性能，降低綜合能耗。

1 工藝介紹與用能分析

1．1工藝原理

超熱蒸汽技術(shù)是利用500～600℃超熱蒸汽對(duì)濃縮脫水后的含油污泥進(jìn)行干化處理。經(jīng)過脫水后的泥餅或泥渣被送入超熱蒸汽處理室，即干化室，同時(shí)高溫蒸汽以音速或亞音速從特制噴嘴中噴出，與油泥顆粒碰撞。高溫環(huán)境使得液體從顆粒表面蒸發(fā)的速度加快，同時(shí)蒸汽蘊(yùn)含的巨大動(dòng)能提高了石油類和水分從顆粒內(nèi)部滲出的速度，使油分和水分與顆粒物質(zhì)瞬時(shí)分開［2］。被粉碎的污泥小顆粒和油氣連同蒸汽一起進(jìn)入旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離。分離后的氣相經(jīng)過冷凝進(jìn)入管道輸至油氣回收單元，經(jīng)冷卻后在重力作用下實(shí)現(xiàn)油水分離，油分可直接回收使用，廢水經(jīng)處理后外排或回用［3］。回收的油中含水率低于0．5%。固相為污泥殘?jiān)?/p>

1．2工藝流程

煉化三泥和污水處理廠產(chǎn)生的含油污泥首先需要預(yù)濃縮處理。經(jīng)過濃縮罐沉降和絮凝反應(yīng)后，含油污泥被輸送到脫水機(jī)中，脫水后的泥餅或泥渣被輸送至干化處理設(shè)備進(jìn)行干化處理［4］。干化室處理后的混合氣體經(jīng)旋風(fēng)分離器去除污泥殘?jiān)?，進(jìn)入油水分離罐，實(shí)現(xiàn)油水分離；污泥殘?jiān)苯舆M(jìn)入回收槽，冷卻后外運(yùn)以進(jìn)一步綜合利用［5］。超熱蒸汽干化系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 超熱蒸汽干化系統(tǒng)工藝流程

1．3用能分析

考察某油田現(xiàn)場超熱蒸汽干化處理設(shè)備的用能情況。該設(shè)備處理對(duì)象為落地油形成的油砂，油砂含油率為15．4%，含水率為25．6%。

試驗(yàn)條件：超熱蒸汽溫度600℃，旋風(fēng)分離器部位設(shè)定控制溫度為360℃。

實(shí)際處理能力試驗(yàn)過程記錄：30 min內(nèi)處理135 L油泥，油泥密度約為1．6 kg／L，折合處理量為432 kg／h。

根據(jù)現(xiàn)場使用情況和設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)該設(shè)備用能狀況進(jìn)行分析。分析主要內(nèi)容有：①確定設(shè)備現(xiàn)生產(chǎn)能力下的能耗總量；②確定設(shè)備能耗的主要流向和分布狀況（電、蒸汽、燃料氣、綜合能耗）；③分析系統(tǒng)用能的不合理環(huán)節(jié)，確定設(shè)備節(jié)能的主要方向。

根據(jù)各設(shè)備項(xiàng)目的耗電量與進(jìn)氣量，可以將能量統(tǒng)一折算成標(biāo)煤，進(jìn)行綜合比較。表1為該設(shè)備能源消耗量及總能耗所占比例匯總。根據(jù)表1中所示各項(xiàng)目的用能情況，可以得到用能現(xiàn)狀分析結(jié)果如下：

◆超熱蒸汽噴射系統(tǒng)能源消耗總量為230．13 kg標(biāo)煤／h，能源的實(shí)物消耗主要為天然氣。蒸汽鍋爐和超熱鍋爐燃?xì)庀暮嫌?jì)131．6 m3／h，折合159．81 kg標(biāo)煤／h，占系統(tǒng)能耗的69．44%，因此降低天然氣消耗量是設(shè)備節(jié)能的重點(diǎn)方向。

◆電力耗能占系統(tǒng)總耗能的19．35%，主要用電項(xiàng)目為冷卻塔循環(huán)泵和離心脫水設(shè)備。冷卻塔循環(huán)泵循環(huán)水量大而耗能高，減小冷卻循環(huán)水使用量即可降低冷卻塔循環(huán)泵功率。

◆冷卻循環(huán)水使用量為300 m3／h，水量大且耗能比例大，占系統(tǒng)總耗能的11．17%，因此降低冷卻循環(huán)水用水量也是節(jié)能的一個(gè)方向。

2 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2．1節(jié)能優(yōu)化思路

◆由于超熱蒸汽噴射的工作原理，為保證超熱鍋爐產(chǎn)生足夠高溫高壓的蒸汽，超熱鍋爐的天然氣消耗量不做改變。但是對(duì)于蒸汽鍋爐，可以通過預(yù)熱鍋爐進(jìn)水，提高進(jìn)水溫度，從而達(dá)到節(jié)省蒸汽鍋爐燃?xì)馐褂昧康哪康摹?/p>

◆經(jīng)過雙旋風(fēng)分離器的過程氣仍有350℃左右的中高溫位，直接進(jìn)入油水分離槽，不僅要求后續(xù)設(shè)備具備耐高溫高壓的性能，而且需要大量的冷卻循環(huán)水對(duì)其降溫。降低過程氣的溫度，可以節(jié)省冷卻水循環(huán)量，同時(shí)更換小功率的冷卻塔循環(huán)泵。

◆在旋風(fēng)分離器和油水分離槽中間加設(shè)換熱器，回收過程氣的剩余熱量，用于加熱蒸汽鍋爐的進(jìn)水。過量的熱水可以流經(jīng)污泥進(jìn)料管線，提高污泥進(jìn)料溫度，或者儲(chǔ)備用于設(shè)備清洗。

2．2節(jié)能優(yōu)化流程

在旋風(fēng)分離器和油水分離器之間，加裝熱管換熱器，可以從旋風(fēng)分離器出口的高溫過程氣中提取熱值。節(jié)能優(yōu)化后的工藝流程如圖2所示。

表1 能源消耗量及能耗所占比例匯總

圖2 節(jié)能優(yōu)化后的工藝流程

◆在旋風(fēng)分離器與熱管換熱器之間加裝三通閥，設(shè)置旁路，將過程氣旁路直接進(jìn)入油水分離器冷卻分離。這樣可以保證在換熱器故障時(shí)含油污泥處理設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也有利于換熱器的檢修。

◆熱管換熱器的熱流體為旋風(fēng)分離器出口的過程氣，冷流體為軟化水。軟化水經(jīng)換熱器換熱一部分直接送入蒸汽鍋爐產(chǎn)生蒸汽，另一部分經(jīng)過污泥伴熱管線對(duì)污泥伴熱之后再進(jìn)入蒸汽鍋爐。

◆水箱存儲(chǔ)軟化水，為換熱器提供冷流體，同時(shí)在必要的情況下為蒸汽鍋爐補(bǔ)水。

2．3節(jié)能設(shè)備設(shè)計(jì)

根據(jù)熱管換熱器設(shè)計(jì)原理［6］，設(shè)定起始參數(shù)：熱流體質(zhì)量流量Mh＝1 000 kg／h。旋風(fēng)分離器出口熱流體溫度th1＝350℃，換熱器出口溫度th2＝180℃；冷流體的質(zhì)量流量Mc＝1 200 kg／h，換熱器進(jìn)口水溫tc1＝20℃，根據(jù)能量平衡計(jì)算可得出口水溫最高tc2＝65℃；熱管采取等邊三角形排列方式。

經(jīng)過傳熱量計(jì)算及熱管具體參數(shù)設(shè)計(jì)等計(jì)算，得到換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)，見表2。

表2 熱管換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)匯總

3 節(jié)能優(yōu)化可行性分析

針對(duì)該項(xiàng)目的工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和經(jīng)濟(jì)效益是否可行，將從以下幾個(gè)方面分析討論。

◆可利用的溫差

換熱器的冷流體——軟化水的進(jìn)口溫度為20～25℃，出口溫度為80～90℃，平均溫度55℃左右；換熱器的熱流體——過程氣的進(jìn)口溫度為320～350℃，出口溫度為180～220℃，其平均溫度為240℃左右，溫差非常大，有利于傳熱，是換熱器實(shí)現(xiàn)換熱的基本前提。

◆適宜的熱管工作溫度

超熱蒸汽噴射處理含油污泥設(shè)備的超熱蒸汽溫度控制在500～600℃，經(jīng)旋風(fēng)分離器出來的過程氣溫度約為300～360℃，該溫度在中溫?zé)峁艿墓ぷ鳒囟确秶鷥?nèi)，因此工作介質(zhì)可以選擇導(dǎo)熱姆，從而保證熱管在可靠溫度下工作，防止熱管的工作溫度過高或者過低造成熱管失效、低效。

◆可變的調(diào)控系統(tǒng)

對(duì)于穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備而言，過程氣排量和溫度接近穩(wěn)定的數(shù)值。但當(dāng)處理的含油污泥成分變化或進(jìn)料量調(diào)整時(shí)，排氣量和溫度就會(huì)改變，該換熱器的換熱量也相應(yīng)改變。因此，可以通過控制冷卻水的流量控制出水溫度。為了滿足鍋爐進(jìn)水需求，需要調(diào)節(jié)鍋爐進(jìn)水和污泥伴熱水比例。同時(shí)設(shè)置軟化水直接進(jìn)入鍋爐的旁線，以備換熱器停工、檢修和設(shè)備開工時(shí)使用。

◆對(duì)設(shè)備整體運(yùn)行的影響

換熱器安裝在旋風(fēng)分離器與油水分離器之間，因加入換熱器而增加的排氣阻力對(duì)旋風(fēng)分離器可能有一定影響，因此可以調(diào)節(jié)旋風(fēng)分離器的參數(shù)或加設(shè)鼓風(fēng)機(jī)以適應(yīng)設(shè)備的要求。

由于降低了過程氣溫度，油水分離器的冷卻水使用量大大減小，因此需要相應(yīng)調(diào)整冷卻水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

◆經(jīng)濟(jì)效益

以一套超熱蒸汽噴射處理設(shè)備為例，旋風(fēng)分離器出口溫度為350℃時(shí)，每噸過程氣帶走的熱量為3．09× 106kJ，將溫度降為180℃時(shí)，每噸過程氣攜帶的熱量為2．67×106kJ，因此每噸過程氣溫度由350℃降至180℃可以回收的能量為39 270 kJ，回收率為12．7%，折合標(biāo)煤13．42 kg，可以節(jié)省14．43%的蒸汽鍋爐天然氣用量。

過程氣由350℃降為180℃后，冷卻循環(huán)水用量也將下降。根據(jù)氣體溫度和熱值計(jì)算，預(yù)計(jì)冷卻循環(huán)水使用量將降為250 m3／h。若按此計(jì)算，節(jié)省50 m3／h冷卻循環(huán)水節(jié)省的能量可以折合為4．375 kg標(biāo)煤。

以1 t／h蒸汽發(fā)生量，每天運(yùn)行24 h，每年運(yùn)轉(zhuǎn)330 d計(jì)算，每年可回收利用標(biāo)煤140．94 t，以每噸標(biāo)煤500元計(jì)算，可節(jié)約價(jià)值70 400元／a，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

熱管換熱器的總價(jià)為8 000元，換熱流程增設(shè)的管道費(fèi)用預(yù)計(jì)為5 000元。設(shè)備投資回收時(shí)間τ＝（8 000＋5 000）／70 400＝0．185（a），2個(gè)多月就可回收成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

綜上所述，采用熱管換熱器回收超熱蒸汽噴射處理含油污泥設(shè)備中的過程氣余熱時(shí)，節(jié)能空間大，換熱流程設(shè)計(jì)合理，換熱設(shè)備有較高的安全性，同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益顯著，此套設(shè)計(jì)方案及設(shè)備具有可行性。

4 風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策

對(duì)于引進(jìn)熱管換熱器是否會(huì)對(duì)整套裝置產(chǎn)生影響，以及可能遇到的問題，分以下幾個(gè)方面討論：

◆積灰和結(jié)垢的影響

如果換熱器的熱管積灰和水的結(jié)垢速度過快，會(huì)嚴(yán)重影響到換熱器的換熱性能。對(duì)于熱管的熱端，經(jīng)過雙旋風(fēng)分離已經(jīng)去除大部分灰塵，產(chǎn)生的積灰是細(xì)顆粒松散型的，較易清除。此外，熱管工作時(shí)會(huì)發(fā)生震動(dòng)，不利于積灰。因此，在換熱器設(shè)計(jì)時(shí)考慮積灰問題，留出適當(dāng)余量，并在換熱器內(nèi)加裝一定的清灰設(shè)施，就可以保證換熱器不受積灰的影響。對(duì)于冷的軟化水，提前做好水質(zhì)處理，加入適當(dāng)?shù)姆澜Y(jié)垢藥劑，可以保證熱管冷端的清潔度。

◆換熱器的腐蝕問題

含油污泥成分復(fù)雜，處理后的過程氣難免含有SO2等酸性氣體，金屬壁面溫度低于硫酸蒸汽的凝結(jié)點(diǎn)時(shí)，酸性蒸汽將凝結(jié)成硫酸，勢必腐蝕換熱器，影響換熱器的運(yùn)行安全。因此將換熱器熱端出口溫度設(shè)定高于160℃，即硫酸蒸汽的露點(diǎn)，可減緩換熱器腐蝕。

◆石油類蒸汽的凝結(jié)焦化問題

過程氣中含有的石油餾分氣體可能為輕餾分和煤柴油餾分，含量因含油污泥的含油量不同而不同。石油餾分凝結(jié)在熱管表面，將會(huì)影響熱管傳熱效率。若長時(shí)間不清理，附著在熱管表面的石油餾分可能焦化，會(huì)進(jìn)一步降低熱管效率，甚至可能堵塞熱管翅片間隙甚至熱管間的通道，威脅設(shè)備使用安全。提高換熱器的工作溫度和熱流體出口溫度有利于減少輕餾分的凝結(jié)。挑選含油量較低的含油污泥進(jìn)行處理也可減少換熱器內(nèi)的結(jié)焦。因此可以先使用含油量低的污泥試運(yùn)行，一段時(shí)間后查看熱管結(jié)焦?fàn)顩r，再根據(jù)具體結(jié)焦?fàn)顩r制定清焦時(shí)間間隔。若結(jié)焦情況不明顯可以再處理含油量較高的含油污泥。

5 結(jié) 論

◆超熱蒸汽噴射系統(tǒng)能量消耗集中于天然氣、電力和冷卻循環(huán)水，節(jié)能的重點(diǎn)方向是減少天然氣消耗量和冷卻水循環(huán)量。

◆通過增設(shè)余熱回收換熱器和換熱流程，回收超熱蒸汽噴射處理含油污泥設(shè)備中的過程氣余熱，換熱流程設(shè)計(jì)合理，換熱設(shè)備有較高的安全性，余熱回收效率為12．7%，預(yù)計(jì)節(jié)約70 400元／a，投資回收期僅為2個(gè)多月，具有可行性。

◆換熱設(shè)備可能遇到的主要風(fēng)險(xiǎn)為積灰、腐蝕和結(jié)焦問題，設(shè)定較高的氣體出口溫度和定期清灰可以預(yù)防積灰和腐蝕。

［1］ 于紅玉，李曉華，監(jiān)青占．超熱蒸汽處理含油污泥技術(shù)［J］．科技風(fēng)，2011（11）：10．

［2］ 鄒大寧．煉油廠“三泥”處理技術(shù)與應(yīng)用研究［D］．大慶：東北石油大學(xué)，2011．

［3］ 趙杰，杜海波，叢飆，等．克拉瑪依石化公司煉油污水“三泥”的無害化處置解決方案［C］．第二屆中國綠色財(cái)富論壇暨科技創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展研討會(huì)．2006．

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1005-3158（2014）04-0031-04

2013-12-16）

（編輯 王蕊）

10．3969／j．issn．1005-3158．2014．04．011

李穎，2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程與工藝專業(yè)，碩士，現(xiàn)在中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院從事含油污泥資源化利用研究工作。通信地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)中國石油大學(xué)（北京），102249