油田注汽鍋爐煙氣脫硫除塵系統(tǒng)的設計

巖 征，李增強，張亞琦，王偉斌，李 媛

（1.中國石化勝利油田分公司安全環(huán)保質量管理部，山東東營 257045；2.中國石化勝利油田分公司技術檢測中心，山東東營 257045）

油田高壓注汽鍋爐多以原油作為基本燃料，原油中含有硫、灰分等雜質，在冷爐啟動及正常運行時由于原油燃燒不夠充分及缺少煙氣治理設施等原因，導致鍋爐污染物排放超標，造成大氣污染。本文采用雙堿法設計了注汽鍋爐脫硫除塵裝置，確保注汽鍋爐的煙氣達標排放，保護周邊的生態(tài)環(huán)境，為油田節(jié)能減排工作及正常生產運行提供保障，具有較大的經濟效益和社會效益。

1 脫硫除塵系統(tǒng)工藝原理

雙堿法煙氣脫硫除塵技術是指首先應用堿性溶液氫氧化鈉作為第一遍脫硫藥劑：首先將適當pH值的氫氧化鈉堿性藥劑通過設備噴灑至脫硫塔中對SO2進行吸收反應，反應后的產物經過藥劑再生池，重新生成氫氧化鈉堿液藥劑以循環(huán)使用[1]。工藝主要包含5個部分：①藥劑的制備；②藥劑的噴淋；③塔內藥劑與煙氣化學反應；④反應溶液的藥劑再生循環(huán)；⑤石膏的脫水處理。

雙堿法煙氣脫硫除塵工藝的反應方程式如下：

脫硫反應：

氧化過程（副反應）：

再生過程：

氧化過程：

煙氣經過脫硫除塵工藝后，煙氣中的硫以亞硫酸鈣和硫酸鈣的狀態(tài)析出，接下來將亞硫酸鈣和硫酸鈣溶液輸送至石膏脫水處理系統(tǒng)中進行再生循環(huán)[2]。

鍋爐煙氣先經煙道進入降溫分配器，再經煙道進入引風機使鍋爐保持微正壓，再經煙道進入噴淋塔。Na2CO3作為啟動脫硫劑一次性加入堿液池內，配制好的堿性溶液直接打入混合液池中，由循環(huán)泵將其打入噴淋塔內，與煙氣中的SO2充分反應，脫硫、除塵、脫霧后的氣體經加熱通過煙囪排到大氣中，見圖1。

圖1 工藝流程框圖

生石灰則在石灰漿液池中消化成熟石灰，制成20%的石灰漿液，并用泵將其打入到反應池中，使其與噴淋塔內回液反應，將亞硫酸鈉和硫酸鈉進行還原。為使石灰漿液能夠有效地還原硫酸鈉和亞硫酸鈉，應將反應池的pH值控制在10左右（反應池中采用pH值在線分析儀實時檢測反應池的pH值及溫度，以此來控制石灰漿液的加入量）。再生的漿液進入沉淀池，反應生成的亞硫酸鈣、硫酸鈣、石灰渣和未反應的石灰以及脫硫過程中除去的灰塵同時被清除，運至油泥砂貯存場進行干化處理。過濾的清液則回流到混合池中繼續(xù)循環(huán)吸收煙氣中的硫氧化物。

2 油田注汽鍋爐脫硫除塵系統(tǒng)技術設計方案

針對油田注汽鍋爐煙氣脫硫除塵狀況，本文分步對脫硫除塵裝置進行設計。注汽鍋爐脫硫除塵系統(tǒng)裝置主要由脫硫劑制備系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、脫硫液再生循環(huán)系統(tǒng)、脫硫渣處理系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等六個主要部分組成。

2.1 脫硫劑制備系統(tǒng)設計

脫硫劑制備系統(tǒng)由以下幾種主要設備組成：堿液配置池、石灰漿液池、攪拌器、脫硫劑輸送泵，見圖2。

圖2 脫硫劑制備系統(tǒng)

堿性料劑通過運輸車或傳送帶運輸至堿液配置池后加水通過攪拌器進行攪拌使pH值達到均勻要求，繼而通過藥劑輸送泵把配置好的堿性藥劑輸送至噴淋塔中對煙氣進行脫硫。

成品石灰料劑通過運輸車或傳送帶運輸至石灰漿液池中，后加水通過攪拌器進行攪拌使pH值達到均勻要求，繼而通過藥劑輸送泵輸送至再生池中進行脫硫液的再生反應。

2.2 煙氣系統(tǒng)設計

煙氣系統(tǒng)主要包括煙囪、煙道及煙氣通過系統(tǒng)。

熱煙氣自鍋爐出來后通過引風機的動力使煙氣通過煙道進入降溫系統(tǒng)，煙氣降溫后經過煙道進入噴淋塔，煙氣由塔底向上流穿過噴淋層時，煙氣中的SO2等污染物與藥劑充分反應吸收[3]。脫硫后的煙氣經過除霧器除去水霧后，通過煙道經引風機進入煙囪進行排空。

（1）煙道的設計。這里的煙道部分主要是指自注汽鍋爐出口至脫硫塔（煙囪）之間用于連接相關設備的管道，管道內部一律采用專用乙烯基酯樹脂鱗片膠泥（附底、表漆）防腐。

煙道直徑：Φ700 mm

煙道壁厚：δ6 mm

（2）煙囪及其扶正架。煙囪立于噴淋塔一側，直接與混泥土地面的預埋件連接，噴淋塔與煙鹵之間通過煙道連接。煙鹵的直徑、壁厚及內外防腐均采用煙道標準執(zhí)行，其高度可根據對煙氣排放高度的要求而定。

（3）前端降溫系統(tǒng)。為降低脫硫塔入口煙氣溫度，在煙氣進入脫硫塔的水平煙道上安裝降溫裝置。降溫裝置是在吸收世界最先進的熱交換技術的基礎上更新改進、研制開發(fā)的一種高效換熱設備。高溫煙氣與水分配系統(tǒng)進行熱交換，外部設循環(huán)水泵、冷卻池、煙氣加熱器，盤管側面設導流板；在混配器下面安裝電動底流閥，定期排放煙塵。工藝如圖3所示。

圖3 降溫裝置示意圖

擬采用引風機參數：額定功率15 kW；風量18 226～26 717 m3/h；風壓656～1 076 Pa；工作溫度250℃；轉速1 410 r/min。

2.3 SO2吸收系統(tǒng)設計

SO2吸收系統(tǒng)主要是指噴淋塔系統(tǒng)架構。

（1）噴淋塔的設計。噴淋塔是整個系統(tǒng)的核心，簡單的脫硫塔不僅降低維護成本，而且減少易腐蝕點，其系統(tǒng)內部結構主要由噴淋裝置、除霧裝置、除霧器沖洗器等組成。

脫硫塔技術參數：直徑2 m，高度12 m，壁厚6 mm，塔內采用專用乙烯基酯樹脂鱗片膠泥（附底、表漆）防腐。

噴淋塔呈圓柱狀，內部空間主要用來滿足煙氣與霧化后的堿液進行反應，所以要求空間通暢。噴淋塔底部為煙氣對沖緩沖區(qū)，以保證煙氣在上行過程中等層壓差均勻平穩(wěn)與噴淋液混合，這部分高度約占整個噴淋塔高度的六分之一，其內部結構主要有底部上側煙氣對沖入口及最底部設有的噴淋液溢流口組成；噴淋塔上部為噴淋后煙氣脫水除霧區(qū)，以保證噴淋后的煙氣在上行過程中快速去除霧水[4]，這部分高度約占整個噴淋塔高度的十分之一，主要由脫水除霧器、除霧器噴淋器組成；中間部分為噴淋物化反應空間，煙氣的脫硫除塵工作主要在這個空間完成，其內部結構主要為三級九噴頭的噴淋裝置。

（2）噴淋系統(tǒng)。噴淋塔內部主要是由噴淋系統(tǒng)組成，噴淋系統(tǒng)是煙氣脫硫除塵的主要反應基地，由輸送管道和噴嘴組成。本方案中采用了三級噴淋的形式，每一級噴淋層對稱安裝3個錐形噴嘴，形成煙氣流通范圍全覆蓋。噴嘴確保每一級噴淋均能霧化均勻，使煙氣中的污染物能夠均勻有效地和堿性藥劑進行反應，達到脫硫的目的；每一級噴淋層配備一臺壓力循環(huán)泵，保證堿性藥劑流經每一級噴淋層的劑量相等。

（3）噴嘴布置設計原理。噴嘴數確定：噴嘴的分布設計基準是在保證覆蓋率達到100%的同時，還能使?jié){液的霧化效果最好，能更加有效地起到脫硫除塵作用[5]。本設計中采用三點對稱（各自成120°夾角）的方案，每層設置三個噴嘴，噴嘴成錐形，這種設計霧化效果明顯，且覆蓋率達到了100%。

噴嘴布局的確定：為提高脫硫塔內噴淋效果，減少噴淋死角，建議脫硫塔裝置中的第二級噴淋層（原設備有三層噴淋板）中噴嘴安裝角度與一、三層噴淋層相對水平旋轉60°（圖4～圖6）。

由表2可知，16種怪味胡豆樣品在風味特征上差異較大，除鮮(f)與油炸(f)以外，其余風味特征均在0.05水平上有顯著性的差異，其中豆味的差異與原料有關，甜、辣、咸、麻、胡椒等調料味與配料的比例、添加時間、投放次序有關[26]，而燒烤、焦糊則受油炸溫度和油炸時間的影響。

圖4 三層噴淋板噴嘴布置俯視圖

圖6 除霧器結構圖

噴嘴布置圖：

圖5 塔板噴嘴布置圖

（4）除霧裝置。除霧裝置是指位于噴淋塔頂層的除霧器，主要用于除去反應煙氣中攜帶的反應液滴，同時降低煙氣中的粉塵含量。煙氣經噴淋層反應后再流經除霧器時，煙氣中的液滴或粉塵由于慣性作用被阻擋而留在旋流擋板上[6]。

除霧沖洗器：除霧器設計了沖洗水，考慮到本裝置較小及二次攜帶，建議除霧器噴水沖洗運行壓力為0.02～0.25 MPa，流量4 m3/h（按照2 m3/h設計）。水源由新增加的清水泵（同時提供減溫水）提供，一用一備；其目的是除去除霧器旋流板上形成的污垢，確保煙氣排放流通。

2.4 循環(huán)系統(tǒng)

循環(huán)系統(tǒng)主要包括循環(huán)池（混合液池、沉淀池、反應池）、循環(huán)泵、加藥設備、pH檢測儀及循環(huán)管線，其主要功能是完成對噴淋液科學合理的配制，為噴淋液的循環(huán)提供輸送途徑和動力[7]，見圖7。

圖7 循環(huán)系統(tǒng)結構圖

2.5 熱工自控系統(tǒng)

為了保證煙氣脫硫的效果和煙氣脫硫設備的安全經濟運行，系統(tǒng)配置了熱工測量、自動調節(jié)、控制、保護及熱工信號報警裝置系統(tǒng)。

鍋爐微正壓控制技術：PUC電子監(jiān)控系統(tǒng)連接鍋爐爐膛壓力傳感器，通過分析傳來的信號分別做出對引風機實施風量調節(jié)的指令或發(fā)出強行開啟電動執(zhí)行器的命令，確保鍋爐正常運轉。

煙氣循環(huán)液溫度監(jiān)控：PUC電子監(jiān)控系統(tǒng)收集安裝在鍋爐煙氣出口端附近和降溫器前端之間、噴淋塔與降溫器之間、煙鹵與噴淋塔之間、噴淋塔循環(huán)液回流出口端的四個不同煙氣運行通道上的溫度傳感器，以及安裝在循環(huán)泵出口端和清水泵出口端的溫度和壓力傳感器等一系列傳感器傳遞的各類信號，通過對一系列信號處理、分析、判斷，更好地調整噴淋降溫清水泵和循環(huán)泵的參數，使其更具有針對性[8]。

煙氣壓力監(jiān)控：PUC電子監(jiān)控系統(tǒng)接收安裝在噴淋塔進出口兩端以及煙鹵排放出口端三個不同煙氣運行通道上的壓力傳感器傳遞的信號，實時監(jiān)控和分析壓力變化情況，以便更好地調整和優(yōu)化系統(tǒng)內各個設備的運行參數。

pH值監(jiān)測：在反應池中安裝pH值在線監(jiān)測儀，確保噴淋液pH值科學合理。

通過以上對系統(tǒng)煙氣通道壓力、溫度變化的科學采集和分析，更好地掌握系統(tǒng)的運行規(guī)律，確保脫硫除塵效果更突出[9]。

3 油田注汽鍋爐脫硫除塵系統(tǒng)工程實驗

在油田注汽站對雙堿法煙氣脫硫除塵系統(tǒng)的效果進行工程實驗驗證，并依據驗證結果對注汽鍋爐脫硫除塵裝置進行改進研究。

3.1 脫硫除塵工程實驗裝置

雙堿法脫硫除塵裝置流程見圖8所示。

圖8 雙堿法脫硫除塵裝置工藝流程框圖

3.2 脫硫除塵工程實驗工藝特點

（1）噴淋塔采用大通道減阻設計結構，排煙通暢，氣流流向變化小，阻力較小。

（2）噴淋塔采用美國噴霧系統(tǒng)公司除塵脫硫專用霧化噴嘴，除塵脫硫效率較高（除塵效率≥95%，脫硫效率≥80%）。

（3）噴淋塔采用三級噴淋結構形式，對煙塵濃度適應能力強，可滿足冷爐啟動或脈沖周期性瞬間排塵濃度較大的工況。

（4）通過電動調節(jié)風門的啟閉，能方便地將煙氣引入“除塵脫硫噴淋塔”中或恢復原來系統(tǒng)。

（5）循環(huán)堿液中定期加堿（NaOH或NaHCO3），對于未完全燃燒的油煙治理效果更佳。

（6）洗滌液通過耐腐蝕泵自動循環(huán)進行，無外排污水，但應定期補水。

（7）通過改變備用調速風機的轉速，改變調速風機的風量與風壓，確保燃油鍋爐爐膛壓力與燃燒狀態(tài)不變[10]。

3.3 脫硫除塵工程實驗測試結果（表1）

表1 脫硫除塵工程實驗測試結果

由測試結果可以看出，該雙堿法脫硫除塵系統(tǒng)有效減少了排放煙氣中的煙塵及SO2污染氣體。

4 總結與展望

本文依據雙堿法脫硫原理對油田注汽鍋爐煙氣脫硫除塵裝置進行了設計研究，并得出以下結論：

（1）脫硫除塵裝置的噴淋塔部分現采用三級噴淋除塵脫硫，該方法具有一定的局限性，藥液與煙氣中的SO2不能進行充分的化學反應，并隨著煙氣流速和溫度不同，其化學反應的效果不同。

（2）雙堿法脫硫除塵效果與堿液的濃度和液氣比值有非常大的關聯，通過實驗結果確定最佳濃度和比值，已達到最佳的脫硫效果。

通過對油田注汽鍋爐煙氣脫硫除塵技術的設計研究，依據結論及提出的問題進一步對項目進行實驗研究分析，建設適于稠油油藏開發(fā)的注汽鍋爐煙氣脫硫除塵綜合處理裝置，建議進一步擴大開展現場試驗，為稠油熱采工藝的工程實施提供技術支持。