WGS煙氣脫硫裝置項目優(yōu)化與實踐

劉勝昔 楊永磊 唐海光 劉衛(wèi)星 崔學(xué)敏（青海油田分公司格爾木煉油廠）

1 現(xiàn)狀及改造目標

格爾木煉油廠（以下簡稱“格煉”）催化裂化裝置的生產(chǎn)能力為90×104t/a，再生煙氣規(guī)模為135 000 Nm3/h。2014年配套WGS濕法煙氣脫硫裝置[1]并投用。利用循環(huán)堿液將煙氣中的SO2、粉塵等從氣相轉(zhuǎn)移至液相。格煉催化煙氣脫硫裝置煙氣SO2濃度設(shè)計值1 313 mg/m3，排放設(shè)計值100 mg/m3。在實際運行時，SO2濃度高達2 400 mg/m3。2015年7月強制執(zhí)行GB 31570—2015石油煉制工業(yè)污染物排放標準[2]，非限制區(qū)域SO2外排值下調(diào)至100 mg/m3，限制區(qū)域的SO2外排值下調(diào)至50 mg/m3。對格煉脫硫裝置而言，設(shè)計的SO2脫除總量是達不到更新的實際需求。實際操作過程中，操作人員通過提高循環(huán)堿液的pH值，勉強實現(xiàn)SO2的達標排放。設(shè)計外排循環(huán)液的pH值在7～9。而格煉循環(huán)液pH值達到9～12.6。這直接導(dǎo)致裝置堿耗大幅增加。同時，增加的堿耗又將增加裝置內(nèi)下游污水處理成本，對格煉降本增效、節(jié)能降耗工作造成了不利影響。作為格爾木當?shù)氐臉藯U企業(yè)，格煉積極響應(yīng)國家環(huán)保政策，以50 mg/m3深度脫硫值作為脫硫的設(shè)定值及維護值，積極樹立國有企業(yè)環(huán)保標桿形象。

中石油內(nèi)部許多催化裂化裝置均采用WGS濕法煙氣洗滌工藝[3]。由于地理、氣候等環(huán)境因素影響，部分WGS裝置存在煙囪落雨的問題。以格煉為例，外排凈化煙氣中攜帶大量的液滴，形成“煙囪雨”，散落在煙氣脫硫洗滌塔周邊的路面、儀表、設(shè)備、及管廊等區(qū)域。含有CO2的酸性液滴將加速碳鋼等材料的腐蝕，造成環(huán)保安全隱患。相比于夏季，冬季溫度越低，煙囪雨密度越大。雨滴遇低溫結(jié)冰，造成了嚴重的安全隱患。而且凈化煙氣帶液造成了新鮮水用量增加，增加裝置運行成本。

脫硫裝置配有循環(huán)堿液PTU裝置。設(shè)計時，PTU裝置污水排放執(zhí)行GB 897—1996的二級標準，排放污水COD設(shè)計值120 mg/L。根據(jù)目前新執(zhí)行的GB 31570—2015，排放污水COD值不超過60 mg/m3。因此，PTU裝置外排污水還面臨環(huán)保問題。

基于以上分析，格煉的脫硫裝置和PTU污水處理裝置需要進行改造達到如下性能：解決煙囪雨問題，消除由煙囪雨帶來的安全環(huán)保隱患；盡可能按照最初的設(shè)計值，維持循環(huán)液pH值6～9，減少10%堿耗，同時實現(xiàn)深度脫硫。并保證外排煙氣中SO2濃度降至100 mg/m3以下；增加PTU裝置氧化能力[4]，將外排COD降至60 mg/L。

2 方案改造

2.1 煙囪雨解決方案

1）方案一。利用不飽和熱空氣與飽和外排煙氣混合，降低外排煙氣濕度，消除冷凝液滴產(chǎn)生的可能，完全消除煙囪雨。為了盡可能減少不飽和熱空氣的補充量，需要將洗滌塔出口的煙氣溫度降低，減少煙氣絕對濕度。該方案需要增加1臺循環(huán)液冷卻器，將循環(huán)液溫度從60℃降低至35℃，將洗滌塔出口的煙氣溫度降至40℃以下；需要增加1臺鼓風(fēng)機，補充冷空氣；需要增加1臺蒸汽加熱器，將冷空氣加熱后與洗滌塔出口的煙氣混合后外排。

2）方案二。利用旋流部件，將煙囪頂部的液滴通過離心旋轉(zhuǎn)分離。分離的液滴沿著特定路線返回至洗滌塔底部。飽和煙氣外排。由于頂部無明顯的液滴，能解決裝置內(nèi)及廠區(qū)內(nèi)煙囪落雨問題。但是，對于微米級液滴分離效果不明顯。該方案需要增加1臺煙囪脫水帽。

3）方案三。在洗滌塔頂煙囪的取樣口下方增設(shè)4層除霧器。利用除霧器將煙氣中攜帶的液滴幾乎全部除去。該方案需要再增設(shè)沖洗系統(tǒng)。并增加2臺高壓沖洗水泵及沖洗管道，對除霧器進行定期沖洗，避免堵塞發(fā)生。按理論分析，改方案能杜絕煙囪雨現(xiàn)象發(fā)生。

考慮到改造成本、實施難度及工期問題，優(yōu)先考慮方案二。

2.2 深度脫硫及堿耗解決方案

1）方案一。在洗滌塔頂部安裝一層滾流除霧器，總量約2 t。滾流除霧器頂部安裝沖洗管道及噴頭，間歇性沖洗除霧器，避免滾流除霧器的堵塞問題。滾流器的應(yīng)用將增加氣液固的接觸面積，高頻更新氣液傳質(zhì)界面，達到深度脫硫的目的。該除霧器將大大增加洗滌塔的壓降，卡邊在上游煙機的做功上限。如果沖洗不能解決堵塞，就需要停工檢修，不利于脫硫裝置的長期穩(wěn)定運行。

2）方案二。原洗滌塔內(nèi)部設(shè)置有1層氣液分離塔盤，1層除霧填料。考慮在氣液分離塔盤下部增設(shè)1層噴淋霧化系統(tǒng)，增加氣液接觸時間。噴淋系統(tǒng)使用了最新的噴淋技術(shù)，使用無堵塞結(jié)構(gòu)設(shè)計的專利技術(shù)噴嘴，循環(huán)液達到細密均勻的霧化。霧化濕基通過噴淋角度對煙氣進行分流翻攪，強化脫硫過程，實現(xiàn)煙氣二次洗滌。循環(huán)液經(jīng)霧化后可對洗滌塔形成200%的全覆蓋噴淋，保證二次洗滌效果。離開霧化區(qū)域的煙氣和二次洗滌循環(huán)液經(jīng)過分離塔盤實現(xiàn)液滴分離。為了保證二次洗滌達到預(yù)期的除霧效果，需要將原有的除霧填料進行更換，以實現(xiàn)更高通量的液體分離。該方案需要增加2臺循環(huán)泵，1層專利霧化噴嘴，更換1層除霧填料。

通過增加洗滌時間，即可實現(xiàn)深度脫硫，而不需要提高循環(huán)液的pH值，增加裝置的堿耗?？紤]到經(jīng)濟因素，施工因素等。優(yōu)先考慮方案二。

2.3 降低污水COD解決方案

PTU污水處理裝置主要由以下3部分組成：一是沉降部分：利用助凝劑，加快澄清器的沉降過程，實現(xiàn)液固分離，將固體懸浮物的濃度降至70 mg/L，上層清液送至污水氧化部分，底部污泥送至污泥脫水部分；二是污水氧化部分：利用鼓風(fēng)機和污水循環(huán)泵，不斷攪動氧化罐，快速更新氣液接觸面，氧化SO32-，降低污水COD至120 mg/L；三是污泥脫水部分：污泥進入污泥脫水機進一步脫除污水，減少污泥質(zhì)量。含濕量60%的污泥作為危廢送出裝置。

1）方案一。芬頓氧化工藝最能有效解決COD濃度高的問題。芬頓試劑是一種強氧化劑，將污水中的有機物氧化分解。芬頓氧化是在酸性條件下進行。同時為了保證反應(yīng)效果，需要控制進水中的Cl-、HCO3-、油類和其它雜質(zhì)的濃度。由于涉及到芬頓試劑的采購，酸性環(huán)境的調(diào)節(jié)等，改造過程復(fù)雜。

2）方案二。在氧化部分，補入的空氣量遠遠超過理論消耗量。經(jīng)過分析，考慮為污水中溶解的氧含量太少。因此，改造方案考慮為停用鼓風(fēng)氧化，使用射流氧化，提高水中的溶解氧濃度。射流氧化是利用文丘里噴射器結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，產(chǎn)生吸力，抽吸空氣。吸入的空氣在文丘里內(nèi)部和污水充分混合后，進入氧化噴嘴，然后以射流形式噴出，提高污水氧化效率。

該方案將新增2套文丘里噴色器，1套氧化噴嘴。同時需要停用原有的2套鼓風(fēng)機，更改原有污水循環(huán)泵的葉片大小，提高揚程至22 m。

考慮到實施簡單，工期短，成本低等優(yōu)勢，優(yōu)選方案二。

3 方案實施

2018年檢維修前期準備中采用帶凝結(jié)水回收功能的煙囪帽、文丘里混合器、及洗滌塔除霧器共同實施。期間經(jīng)過多次修改和完善。改造流程見圖1。

圖1 改造流程Fig.1 Reformation process

某公司的JEV文丘里噴射器，HEV文丘里噴射器[5-6]，煙囪脫水帽[7]，射流文丘里噴射器，氧化噴嘴[8]等專利設(shè)備，基本涵蓋了WGS濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的所有關(guān)鍵設(shè)備。并且針對第一代WGS技術(shù)進行了國產(chǎn)更新[9]，進一步提高裝置的性能，解決許多實際應(yīng)用問題，比如：煙囪雨問題、污泥含濕量過高問題、自動化PTU裝置的過濾部分、COD濃度過高問題等[10]。

3.1 增加煙囪脫水帽

經(jīng)過反復(fù)溝通測算。決定將現(xiàn)有煙囪自頂部割除約10 m，新增煙囪脫水帽重量不大于割除部分的重量，對原有支撐結(jié)構(gòu)件無影響，煙囪帽直接焊接在煙囪上。

煙囪帽帶有液體導(dǎo)流件及儲水部件，最終由管道導(dǎo)入洗滌塔底部。垂直導(dǎo)流管線上設(shè)有玻璃視鏡，方便觀察。

3.2 增加噴淋霧化系統(tǒng)

洗滌塔空氣置換后，拆除舊填料后，從頂部將除霧填料及支撐件吊入洗滌塔內(nèi)部，安裝新增大通量除霧填料，并安裝好其支持件。

從人孔將霧化噴嘴及支撐件送入洗滌塔內(nèi)部，并安裝。安裝2套2次循環(huán)泵及其配套管道。

3.3 增加射流氧化系統(tǒng)

主要內(nèi)容包括：更換氧化罐循環(huán)泵葉片P-902A/B及電動機，將揚程增加至22 m；新增2臺文丘里噴射器J-901A/B（新增），配套管道及管件等；改造氧化罐，氧化罐的2 N（循環(huán)）開口由DN300擴大至DN500，污水從2N（循環(huán)）接口流入氧化罐循環(huán)泵，鋪設(shè)氧化噴嘴1套。

4 改造成果

自改造完成后，催化煙氣脫硫裝置入口再生煙氣中SO2濃度達到2 379.57 mg/m3，凈化煙氣SO2濃度依然能達到25 mg/m3。經(jīng)過該次國產(chǎn)化改造，濕法脫硫裝置能保證煙氣外排SO2濃度穩(wěn)定控制在50 mg/m3以下，PTU裝置凈化污水COD濃度長期穩(wěn)定在60 mg/m3以下，實現(xiàn)了節(jié)能降耗目的，并成功解決環(huán)保安全問題。

4.1 徹底解決煙囪雨問題

新增脫水煙囪帽解決了濕法脫硫裝置的煙囪雨問題。即使在冬季-28℃的低溫下，依然保證了無煙囪雨問題，徹底解決了困擾格煉的煙囪雨問題，達到了既定的改造目標。

根據(jù)實際核算，新增煙囪帽的最大壓降800 Pa。

4.2 降低循環(huán)堿液pH值

新增噴淋霧化系統(tǒng)，通過循環(huán)液的二次洗滌，增加氣液接觸時間，實現(xiàn)了深度脫硫目標。自改造以來，格煉的SO2外排濃度始終保持在50 mg/m3以下，基本維持在20～30 mg/m3。二次洗滌部件的增加解決脫硫裝置自運行以來的高堿耗問題。循環(huán)液的pH平均值由9～12.5降至7～8，實現(xiàn)了年節(jié)堿20%的目標。

裝置堿耗主要來自吸收SO2，減少SO2排放；外排濃鹽水維持系統(tǒng)的鹽平衡。

通過降低循環(huán)液pH可實現(xiàn)節(jié)堿，當pH達到7時，達到最大得節(jié)堿能力20%。pH從12.6降至12，節(jié)堿能力15%，pH從12.6降至8，節(jié)堿能力20%，新增噴淋霧化系統(tǒng)在實際運行過程中，增加壓降500 Pa。具體各部件的壓降，噴淋霧化系統(tǒng)壓降核算見表1。

表1 噴淋霧化系統(tǒng)壓降核算Tab.1 Pressure drop calculation of spray atomization system

4.3 保證外排污水COD合格

催化煙氣脫硫改造前后外排污水COD濃度對比見圖2。圖中藍色折線是改造前外排污水中COD數(shù)值，紅色折線是改造后外排污水中COD（在線監(jiān)測顯示）數(shù)值。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，完成改造以后催化煙氣脫硫外排污水的COD明顯下降，達到此次改造目標，外排COD濃度維持在60 mg/m3以下，達到《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》GB 31570—2015排放標準。

圖2 改造前后外排污水COD濃度對比Fog.2 Comparison of COD concentration of effluent before and after reformation

原有的羅茨鼓風(fēng)機停用，降低了脫硫裝置的噪聲等級。目前，脫硫裝置的噪聲排放達到《工藝企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》（GB 12348—2008）3類標準。

5 總結(jié)

催化裂化裝置煙氣脫硫是煉油廠的核心環(huán)保設(shè)施，煉廠外排煙氣和污水數(shù)據(jù)實時上傳至集團公司和各級政府的安全環(huán)保部門。24 h超標排放責(zé)令停廠，超過48 h則涉嫌環(huán)境違法，在全國都將安全、環(huán)境保護放在工業(yè)生產(chǎn)的頭等大事的大環(huán)境下。運行維護好我們自己的環(huán)保設(shè)施，就是提升煉廠形象的最好詮釋。

此次項目改造，我們在安全環(huán)保，節(jié)能降耗方面獲得了較大的收益。

1）通過國產(chǎn)化專利設(shè)備煙囪脫水帽消除WGS濕法脫硫裝置的“煙囪雨”問題，改善由于“下雨”帶來的設(shè)備、管道、儀表等表面腐蝕、表面結(jié)冰等問題。改善了廠區(qū)的環(huán)境，消除了由于下雨帶來的道路濕滑，道路結(jié)冰等現(xiàn)象。大大改善了脫硫裝置的環(huán)保安全形象。

2）通過國產(chǎn)化專利設(shè)備噴淋霧化噴嘴，在既有設(shè)計值低于實際運行能力的情況下，實現(xiàn)了低濃度循環(huán)堿液的深度脫硫過程。在完成環(huán)保指標的硬性規(guī)定下，將格煉脫硫裝置的堿耗降低了20%，實現(xiàn)了降耗的既定目標。

3）通過國產(chǎn)化專利設(shè)備射流文丘里噴射器的投用，既完成了降低COD濃度的環(huán)保指標，又通過停用羅茨鼓風(fēng)機降低了裝置電耗，降低裝置噪音等級。

4）此次改造所應(yīng)用的國產(chǎn)化專利關(guān)鍵設(shè)備具有重量小、施工簡單、配套少、不需要額外占地面積、改造成果顯著，對于WGS濕法脫硫裝置的升級改造具有深遠意義，值得在其它石油石化煉廠推廣應(yīng)用。