活性焦脫硫在催化裂化煙氣凈化中的應(yīng)用

樊騰飛，邢德山，孟春強(qiáng)，谷建功

（國電科學(xué)技術(shù)研究院清潔高效燃煤發(fā)電與污染控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210031）

引言

催化裂化是重油輕質(zhì)化和改質(zhì)的重要手段，是當(dāng)今石油煉制的核心工藝之一。催化裂化生產(chǎn)過程中排放的煙氣中含有大量的硫氧化物（SOx），已經(jīng)成為重要的大氣污染源[1]。隨著我國對(duì)能源的需求愈來愈旺盛，高硫重質(zhì)原油加工煉制比例不斷增加，SOx排放量越來越大；另一方面，國家對(duì)包括催化裂化裝置在內(nèi)的各種工業(yè)設(shè)施的氣體污染物排放量的限制日趨嚴(yán)格，因此催化裂化煙氣的脫硫任務(wù)十分緊迫。

石油煉制過程催化裂化煙氣主要來源于再生器中的燒焦過程[2]，產(chǎn)生的煙氣具有如下特點(diǎn)：1）煙氣中的SOx等污染物濃度范圍較寬，極端情況下濃度較高，一般為700～4500mg/Nm3；2）催化裂化裝置的余熱鍋爐或一氧化碳焚燒爐需定期吹灰，導(dǎo)致進(jìn)入煙氣脫硫裝置時(shí)煙氣中顆粒物濃度增加，吹灰時(shí)最大濃度可達(dá)到3000～4000mg/Nm3。

現(xiàn)有石油煉制過程催化裂化煙氣脫硫多采用濕法工藝，存在耗水量大、易產(chǎn)生二次污染、國外專利許可費(fèi)用高昂、運(yùn)行設(shè)備腐蝕嚴(yán)重等問題[3、4]?；钚越刮矫摿蚬に囀且环N基本不耗水、無二次污染的先進(jìn)高效干法脫硫工藝，在冶金、電力等行業(yè)的煙氣凈化中已有工程應(yīng)用[5～8]。本文從技術(shù)原理、工藝流程和工藝特點(diǎn)等方面對(duì)活性焦吸附脫硫工藝進(jìn)行了闡述，希望為其未來在石化行業(yè)催化裂化煙氣凈化領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 活性焦吸附脫硫工藝反應(yīng)機(jī)理

活性焦吸附脫硫是一種脫硫效率高、脫硫過程不產(chǎn)生廢氣廢水廢渣排放、可實(shí)現(xiàn)硫資源化利用的先進(jìn)干法脫硫工藝。含硫煙氣在穿過吸附塔時(shí)被緩慢向下移動(dòng)的活性焦床層吸附SO2而得到凈化，吸附后的活性焦通過在脫附塔中將所吸附的SO2析出而恢復(fù)吸附能力，析出的高濃度SO2氣體在后續(xù)流程中得到資源化利用。其反應(yīng)機(jī)理如下。

1.1 吸附脫硫反應(yīng)機(jī)理

通過脫硫吸附塔內(nèi)活性焦表面的物理吸附和化學(xué)吸附過程，煙氣中的SO2轉(zhuǎn)變?yōu)镠2SO4儲(chǔ)存在活性焦微孔中，發(fā)生的反應(yīng)如下（*表示吸附態(tài)）：

1.2 脫附再生反應(yīng)機(jī)理

在脫附再生塔，吸附飽和的活性焦被加熱至400℃以上，釋放出SO2，活性焦表面碳元素參與反應(yīng)如下

（*表示吸附態(tài)）：

2 活性焦吸附脫硫工藝系統(tǒng)

活性焦煙氣脫硫工藝系統(tǒng)主要由煙氣吸附脫硫系統(tǒng)、活性焦輸運(yùn)系統(tǒng)、活性焦脫附再生系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 活性焦吸附脫硫工藝流程圖

含硫煙氣經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)升壓后通過吸附塔活性焦床層，SO2等污染物被吸附凈化，處理后的潔凈煙氣送往煙囪排放；吸附多種污染物后趨于飽和的活性焦從吸附塔底部排出，由輸運(yùn)系統(tǒng)送到脫附再生塔加熱再生，再生活性焦經(jīng)冷卻、篩分和補(bǔ)充新鮮活性焦后再次被輸運(yùn)至吸附塔循環(huán)利用；活性焦加熱再生時(shí)釋放出的高濃度SO2氣體在下游的硫資源化利用系統(tǒng)被加工成硫酸、硫磺等多種產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)污染物的資源化利用。重金屬、二英等污染物一部分沉積在循環(huán)活性焦顆粒內(nèi)，一部分隨活性焦粉末被篩分排出，在污染物積累量較多后進(jìn)行沉淀或深埋，實(shí)現(xiàn)無害化處理。

2.1 煙氣吸附脫硫系統(tǒng)

利用增壓風(fēng)機(jī)將煙氣引至吸附塔，吸附SO2后，凈化后的煙氣通過煙囪排入大氣，如圖2所示。

實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)煙氣量狀況，吸附塔可采用多塔并聯(lián)或串聯(lián)運(yùn)行方式，活性焦從上向下緩慢移動(dòng)，煙氣錯(cuò)流或逆流穿過活性焦床層完成吸附凈化?；钚越勾矊颖旧碛幸欢ǖ奈匠龎m作用，但過多的煙塵會(huì)堵塞活性焦孔隙，造成吸附凈化效率損失。實(shí)際應(yīng)用中，在活性焦吸附脫硫裝置和上游布置的除塵裝置共同作用下，可實(shí)現(xiàn)煙塵的高效脫除。為提高凈化效率降低活性焦磨損，可在吸附塔內(nèi)沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向設(shè)置多個(gè)吸附倉[9]，各倉內(nèi)活性焦移動(dòng)速度分別通過各倉底部的輥式下料機(jī)調(diào)節(jié)。針對(duì)催化裂化煙氣中SO2濃度范圍較大、極端工況下濃度較高的特點(diǎn)，通過加大前倉、中倉內(nèi)活性焦流量就可以方便地降低SO2濃度波動(dòng)的影響。

圖2 活性焦吸附脫硫系統(tǒng)

2.2 活性焦輸運(yùn)系統(tǒng)

活性焦輸運(yùn)系統(tǒng)主要由活性焦儲(chǔ)倉、給料閥、水平輸送機(jī)、提升機(jī)、振蕩篩和控制系統(tǒng)等組成（如圖3所示）。通過輸運(yùn)系統(tǒng)，活性焦在吸附塔和脫附再生塔之間循環(huán)利用，磨損的細(xì)小顆?；钚越乖谡袷幒Y被除去后補(bǔ)充新鮮活性焦，以保持系統(tǒng)內(nèi)活性焦優(yōu)良的吸附性能。

圖3 活性焦輸運(yùn)系統(tǒng)

2.3 活性焦脫附再生系統(tǒng)

活性焦脫附再生塔主要由加熱段、過渡抽氣段和冷卻段組成，自上而下連接而成。加熱段和冷卻段采用管殼式換熱器形式，活性焦在加熱段管程內(nèi)被加熱至400℃以上完成脫附，在冷卻段管程內(nèi)被冷卻至130℃以下排出，可避免高溫活性焦與空氣接觸引發(fā)著火風(fēng)險(xiǎn)。加熱和冷卻的熱源和介質(zhì)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝條件選用電加熱、蒸汽加熱、空氣循環(huán)、水循環(huán)等方式。脫附再生塔管程同時(shí)通入N2，攜帶活性焦高溫解析出的SO2氣體從過渡抽氣段排出塔外。高濃度SO2氣體被輸送至下游開發(fā)成硫磺、硫酸等副產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)污染物SO2的資源化利用，提高工藝的運(yùn)行效益，如圖4所示。

圖4 活性焦脫附再生系統(tǒng)

2.4 工藝特點(diǎn)

（1）節(jié)水：脫硫過程基本不消耗水，特別適合在半干旱、干旱等地區(qū)應(yīng)用。

（2）對(duì)SO2濃度變化不敏感，可方便地實(shí)現(xiàn)變工況變負(fù)荷調(diào)節(jié)。

（3）硫資源化利用程度高：脫硫副產(chǎn)品是高濃度SO2，可采用成熟工藝制成濃硫酸、硫磺等高附加值產(chǎn)品。

（4）無二次污染：脫硫過程無廢氣、廢水、廢渣排放，無二次污染產(chǎn)生。

（6）系統(tǒng)運(yùn)行可靠：脫硫過程煙氣溫度不降低，下游設(shè)備腐蝕減輕，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

3 結(jié)語

經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，國外活性焦吸附脫硫工藝已應(yīng)用于600MW燃煤機(jī)組煙氣脫硫，國內(nèi)的鋼鐵冶金和垃圾焚燒行業(yè)也已有穩(wěn)定的運(yùn)行業(yè)績(jī)[5、10]，這表明活性焦吸附脫硫工藝是可行的。通過流程優(yōu)化和運(yùn)行調(diào)節(jié)，活性焦脫硫工藝可解決催化裂化煙氣SO2濃度波動(dòng)大、煙塵濃度大等問題，同時(shí)還有節(jié)水、無二次污染、硫資源化利用等優(yōu)點(diǎn)。

將活性焦吸附脫硫工藝應(yīng)用于催化裂化裝置煙氣凈化還有很多工作要做：一方面需推進(jìn)工藝優(yōu)化和相關(guān)技術(shù)設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程，降低工程投資、活性焦損耗和運(yùn)行能耗；另一方面，要針對(duì)催化裂化裝置的特點(diǎn)，綜合考慮對(duì)上游的催化煙氣、余熱鍋爐和下游的硫資源化利用裝置的影響，形成催化裂化裝置、活性焦吸附脫硫裝置、硫資源化利用裝置的一體化解決方案。

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