重油催化裂化装置烟气深度脱硫除尘除雾技术改造效果分析

潘 涛，周燕强，李 欣

(1 中国石油化工股份有限公司广州分公司，广东 广州 510700；2 中国石化大连(抚顺)石油化工研究院，辽宁 大连 116318)

催化裂化再生烟气含有NOx、SO2、粉尘等污染物，是炼化企业主要的大气污染物排放源。目前，炼化行业已基本完成FCC再生烟气脱硫除尘脱硝治理改造，满足《石油炼制工业污染物排放标准》(GB31570-2015)排放限值的要求，一般控制区(重点控制区)烟气中氮氧化物、二氧化硫、粉尘排放限值分别为200(100)、100(50)、50(30) mg/m3。湿法脱硫技术具有技术成熟、脱硫效率高及运行稳定等特点，已成为我国催化裂化再生烟气脱硫除尘的主流技术[1]。

广州分公司重油催化烟气脱硫除尘装置是引进美国贝尔格(BELCO)技术公司的EDV R5000湿法脱硫除尘技术，该系统由烟气洗涤吸收单元和洗涤液净化处理单元(PTU)两部分组成。投产以来，装置存在运行末期脱硫塔压降较大；烟囱排放烟气中带水；烟囱冷凝水pH值在3左右，烟囱存在腐蚀；烟囱附近地面有落雨，附近地面落有白灰产生等现象。

为了解决以上问题，对脱硫塔进行了改造，实现烟脱排放烟气进一步的深度脱硫除尘除雾。

1 装置运行情况分析

1.1 改造前装置概况

改造前烟气脱硫塔流程示意图见图1，脱硫塔由激冷区、吸收区、滤清模块区、水珠分离器(除雾器)、烟囱等部分组成。激冷区设置有逆向烟气喷淋的雾化喷嘴；吸收区设置有5层雾化喷淋喷嘴；滤清模块设置有循环槽与1层滤清喷嘴；气液分离器区设置有水珠分离器(除雾器)，由8台折流向下的气液分离器构成，均匀布置在烟囱周围，其入口处的设置固定导叶让烟气旋转，通过离心分离的方式，将烟气中的水滴分离。分离的水均匀地冲洗管道内壁进行自清洁，并在分离器底部聚集返回滤清模块区。

其主要流程为130 ℃高温烟气进入洗涤塔，在塔入口经过激冷喷淋进行降温，再进入塔内向上经过五层洗涤喷嘴，脱除烟气中的大部分SO2与粉尘，再继续向上穿过滤清模块的文丘里升气管，在升气管内水汽进行凝聚，微小粉尘附着在凝聚的小液滴表面，被滤清喷嘴喷淋洗涤至循环水槽，进一步脱除烟气中的SO2与粉尘。经过滤清模块后，烟气夹带的雾滴，进入折流水珠分离器(除雾器)进行水汽分离，最后56.7 ℃的烟气从烟囱(约60 m高)排入大气。

图1 原脱硫塔结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of the original desulfurization tower

1.2 烟气脱硫洗涤塔压降测定

改造前采用手持压力计分别对改造前脱硫塔的各段压降进行测量，测量结果见表1。

表1 洗涤塔相关工艺参数Table 1 Related process parameters of washing tower

由表1数据可见，烟气脱硫洗涤塔主要压降发生在水珠分离器(除雾器)上，导致脱硫塔总压降超过了原设计值。

1.3 水珠分离器(除雾器)性能测定

采用气体快速检测管对改造前脱硫塔入口烟气与出口烟气含水量进行测量，同时皮托管标定改造前脱硫塔烟囱的烟气流速(测定取样处烟气的温度为56.7 ℃)，见表2。

表2 烟气中的水含量与皮托管压降测定值Table 2 Water content in flue gas and pitot tube measured value

根据测量数据，计算改造前脱硫塔烟囱的气体流量与饱和湿度，从而计算出过饱和水含量，见表3。

表3 过饱和水含量Table 3 Supersaturated water content

1.4 原因分析

脱硫塔压降偏高的原因是水珠分离器(除雾器)压降过大。因此，解决压降问题需要降低除雾器的压降。“白烟”形成是洗涤塔烟囱出口的饱和热烟气(56.7 ℃)进入低温空气(10～ 40 ℃)因降温过饱和出现水汽凝结，并且没有及时扩散显现白烟。白烟是湿法洗涤脱硫的正常现象，在烟囱气压较低的情况会出现“下雨”现象。本装置洗涤塔净化烟气雾滴夹带量为940 mg/Nm3，净化烟气携带的过饱和水总量为2.28 t/h，加重了烟囱的“白烟”与“下雨”现象。本装置烟囱附近落有白点，一部分溶于水，一部分不溶于水，因此烟囱附近下的是“尘雨”，烟气中携带的雾滴为含盐水。因此，为了解决脱硫装置现有的问题，必须改进水珠分离器(除雾器)。

2 除雾器现有技术

除雾器是FCC湿法烟气脱硫技术的一个关键元件，其功能是脱除烟气中的液滴，同时将固体颗粒一并脱除。除雾器是烟气经过脱硫除尘后进入烟囱排放的最后一个关卡，其性能好坏决定了烟气净化的最终指标。

目前除雾的方法很多，工业应用较广除雾器有惯性式、折流式、旋流板式、旋风分离器等。各类除雾器的除雾原理不同，分别适用于不同的粒径范围[2]。

2.1 惯性式除雾器

最早普遍应用于工业的除雾器是惯性式除雾器，其依靠改变气流的方向与速度，使被携带的密度较大的液滴因惯性作用而附着在器壁上，靠重力下降。惯性式除雾器主要是依靠直接拦截和惯性碰撞机理达到汽液分离的。由于其本身的结构，惯性式除雾器所能分离的液滴直径比较大，不适合一些要求很高的场合。

2.2 折流式除雾器

折流板式除雾器同样属于惯性式除雾器，利用液滴与固体表面碰撞将雾沫凝聚，通过许多并联的折流通道，让液滴在折流通道的垂直壁面及凹槽中聚集后，顺壁流下实现气液分离。由于液滴与壁面的碰撞次数多，分离效率较高。折流板除雾器除雾效率大约在80%～90%左右。

2.3 旋流板式除雾器

图2 旋流板式除雾器Fig.2 Swirl plate mist eliminator

旋流板式气液分离器是一种离心式气液分离器，旋流板由许多按一定角度倾斜的叶片组成。气体穿过叶片间隙时就形成旋转气流，气流中的液滴在惯性的作用下以一定角度甩向外侧，汇集至集液槽内排出，从而达到气液分离的目的。图2是一种旋流板式除雾器结构图。但是现有的旋流除雾器存在液体被二次夹带的问题，因此，为了保证除雾器效果，需要采用多级结构，导致压降较高。

2.4 丝网式除雾器

丝网式除雾器通过多层细金属丝网拦截液滴达到除雾目的，在水雾量小或雾滴不是特别小的情况下，除沫效率一般在97%～98%以上。气相中的细小水雾滴经过高效丝网除雾器时，水雾碰撞到除雾丝上，被粘附或吸附下来，小雾滴凝聚成较大液滴，重力作用下向下运动，变成液滴滴落下来。丝网净化器丝网填料的表面积大，自由体积也大，净化效率可达99%左右。

2.5 湿式静电除雾器

湿式静电除雾器包括整流装置、高压发生装置、绝缘箱、阴极框架、阴极线和阳极管等[3]。

电除雾器除雾、除尘工作原理是通过静电和直流高压发生装置，将交流电变成直流电送至除雾装置中，在电晕线(阴极)和酸雾捕集极板(阳极)间形成强电场，产生大量的电子和正、负离子，在电场力的作用下定向运动捕集酸雾。

采用静电除雾器对净化的烟气进行深度除尘除雾，目前已经在中石化企业有工业装置。深度除雾/除尘效果较理想，存在设备投资大、电耗高。设备腐蚀漏电等问题。

3 改造方案

3.1 除雾器选择

根据催化裂化烟气中含有颗粒直径很小的粉尘的特性与除雾器的除雾效果[4]，惯性式除雾器、折流板式除雾器都不能达到深度除雾的要求，而丝网式除雾器容易堵塞不能采用，因此能满足要求的只有湿法电除雾器与旋流除雾器。两者的性能参数对比如表4所示。

表4 旋流除雾器与电除雾器对比Table 4 Comparison of cyclone mist eliminator and electric mist eliminator

从表4可以看出，采用旋流除雾器，获得的除雾效果好于电除雾器，并且设备投资与操作费用较低。本次改造采用中石化某研究院开发的FCC湿法烟气脱硫多效递增除雾器，单个多效递增除雾器结构示意图如图3所示。

图3 多效递增除雾器结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the structure of the multi-effect incremental mist eliminator

多效递增除雾器主要由塔盘与安装在塔盘上的多个多效递增除雾器组成。单个的除雾器由内筒、外筒组成，内筒顶部设置有4个导向筒，外筒内设置若干个凹型排液槽。烟气从塔盘下方进入内筒，在内筒中上升到内筒顶部，然后进入顶部的导向筒实现加速。加速后的烟气切向进入外筒实现高速旋转。在此过程中，烟气经历惯性碰撞—聚并—离心分离—重力分离的过程，实现气液的高效分离。

3.2 除雾器改造情况

为了实现深度脱硫除尘除雾效果，塔体进行改造方案如图4所示，原除尘脱硫装置脱硫效果很好，本次改造只更换原装置的除雾段。在烟气除尘脱硫塔的滤清模块上方增设一层升气塔盘，升气塔盘上方设置一层高效雾化喷淋层，通过高效雾化喷嘴合理布置，形成覆盖整个塔径的喷淋面，该喷淋面对烟气进行全面的有效拦截，提高对超细粉尘的捕捉能力[5]。喷淋段上部设置高效除雾器，新增两台冷洗涤循环泵，用于对冷洗涤循环液增压后输送至高效雾化喷淋层对烟气进行洗涤降温，进一步脱除烟气中的超细颗粒物。新增两台冷却器，用于冷却冷洗涤循环液。

图4 塔体改造示意图Fig.4 Schematic diagram of tower reconstruction

4 改造后运行情况分析

4.1 装置标定条件

表5 标定期间原料油主要分析项目Table 5 Main analysis items of raw oil during calibration

续表5

4.2 装置操作条件

表6 标定期间的主要操作条件Table 6 Main operating conditions during calibration

4.3 除尘脱硫塔各级压力

表7 除尘脱硫塔各级压力Table 7 Pressure at all levels of dust removal and desulfurization tower

4.4 水质分析数据

从表8中数据可以看出，改造前后洗涤塔各段水质分析符合工艺生产需求。循环浆液pH保持在8.0以下，外排废水COD分析数值为35.6mg/L，能够满足现有环保排放要求。

4.5 出入口烟气分析数据

表9 除尘脱硫塔塔出入口烟气污染物分析Table 9 Analysis of flue gas pollutants at the entrance and exit of the dust removal and desulfurization tower

表8 除尘脱硫塔各类水质分析Table 8 Analysis of various types of water quality in dust removal and desulfurization towers

从表9中数据可以看出，改造后洗涤塔出口各排放物均满足环保要求。其中SO2脱除率达99.89%，颗粒物脱除率为98.08%，表明多效递增除雾器除雾技术改造仍能够满足烟气达标排放。

4.6 标定结果分析

从表10中数据可以看出，改造前后基本操作条件接近。在此条件下，除尘脱硫塔二氧化硫脱除率改造前后分别为99.81%和99.89%，均保持良好的脱硫效果，满足设计条件要求。

从表中数据可以看出，改造前后基本操作条件接近。在此条件下，除尘脱硫塔烟气颗粒物脱除率改造前后分别为50.84%和98.08%，除尘效率提高47%以上，满足设计条件要求。

从表中数据可以看出，改造前后基本操作条件接近。在此条件下，除尘脱硫塔出口烟气中的过饱和水含量(雾滴)由 4.9 g/m3降低到<5 mg/m3(实际检不出)，表明多效递增除雾器除雾效果良好。

从表中可以看出，排烟温度由改造前的60 ℃降至54 ℃，补水量由原来的16 t/h降至11 t/h，说明通过增加凝结相变吸收段，有效降低排烟温度，烟气中的部分过饱和水析出返塔，减少新鲜水补水量5 t/h，每年可节约4.1万吨水。新鲜水按照3.5元/吨计算，可节约14.7万元。

表10 改造前后数据对比Table 10 Data comparison before and after transformation

4.7 除尘脱硫塔各层压降对比

表11 除尘脱硫塔各级压降Table 11 Pressure drop at all stages of dust removal and desulfurization tower

从表11中可以看出，本次改造段压降(深度除尘循环段+多效递增除雾器)为521 Pa，比原来水珠分离器(除雾器)的压降的1535 Pa减小了1014 Pa，满足设计要求的≯1 kPa的要求。烟气后路装置压降降低，可提高催化烟气轮机的效率，进而增加FCC再生烟气能量回收率。

4.8 烟囱下雨现象对比

表12 烟囱下雨现象对比Table 12 Comparison of chimney rain phenomenon

改造前，锅炉框架、周边地面、植物表面存在大量白色粉末(盐类)，改造后未发现该现象。说明改造后，对降低烟气中盐含量有较好的效果。由于本次改造未设置烟气再热部分，故未能完全消除白烟，烟囱周边仍存在少量雾滴。

4.9 长周期运行结果

深度除尘除雾单元循环喷淋系统和多效递增除雾器于2017年8月与重催装置同步开工。至2021年7月31日，系统已累计运行1460天。

系统投用期间，重催装置处理量维持3200 t/d左右，装置负荷率106%，烟气脱硫入口烟气流量维持在150000 Nm3/h左右。入口粉尘浓度维持在150～200 mg/Nm3，出口粉尘浓度维持在1～15 mg/Nm3，粉尘脱除率95%以上。入口SO2维持在1500～3500 mg/Nm3，出口SO2维持在5 mg/Nm3以下，SO2脱除率维持在99.8%以上。运行期间全塔压降基本控制在2000 Pa以内，多效递增除雾器压降维持在200 Pa以内。

系统运行，主要设备运行情况如下：

(1)各组设备未发生过故障停机，设备本体未发生泄漏现象。

(2)高效雾化喷嘴和多效递增除雾器未发生堵塞现象。

(3)冷却器未发现效果降低迹象。

(4)喷淋段和除雾器段压降无升高迹象。

综合目前装置运行情况可以推断，深度除尘除雾系统满足4年一周期的长周期运行，实现与装置主体同步大修。

5 结 论

(1)烟气脱硫系统能保持99%以上的脱硫效率，外排烟气SO2浓度维持在5 mg/Nm3以内，满足SO2浓度≤20 mg/Nm3的设计指标。改造后，烟气脱硫的除尘效率大幅提升，与改造前相比除尘效率提高47%以上，满足出口颗粒物浓度≯20 mg/Nm3的设计指标。

(2)除尘脱硫塔出口烟气中的过饱和水含量(雾滴)由 4.9 g/m3降低为5 mg/m3(实测未检出)，表明多效递增除雾器除雾效果良好。烟囱排烟温度从60 ℃降至54 ℃，新鲜水补水量由原来的16 t/h降至11 t/h，补水量降低5 t/h，每年可节约4.1万吨水。新鲜水按照3.5元/吨计算，可节约14.7万元。

(3)新增段压降仅为521 Pa，比原来水珠分离器(除雾器)的压降1535 Pa减小了1014 Pa，满足设计要求的≯1 kPa的指标。

(4)烟囱白烟情况有所改善，彻底消除了雾滴(明水)为后续消除白烟奠定了基础。

(5)周边环境附着的盐明显减少，雾滴量明显减少，说明项目投用对减少烟气中的盐雾气溶胶等有较好的效果。