杜邦在亞洲煉油廠中采用濕式洗滌控制技術最新投用項目介紹-中國化工環保協會
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杜邦在亞洲煉油廠中采用濕式洗滌控制技術最新投用項目介紹
 | 日期:2008/9/11
摘要:通過濕式洗滌系統對顆粒物質和SO2 的排放進行控制已經得到了應用和推廣,同時其技術也得到了證實。在過去12個月中,在亞洲的多個煉油裝置中已經采用濕式洗滌塔,降低了煉油裝置大氣污染物的排放。這些項目位于多個國家,包括中國、韓國、菲律賓和臺灣。盡管在這些項目中每個項目都采用了濕式洗滌塔以降低大氣污染物的排放,但是每個項目還有自己獨特的特點。在這些項目中,由一些不同污染源所排放的污染物可以被有效的控制,這些污染源包括煉油裝置的鍋爐、工業爐和流化催化裂化裝置(FCCU)的再生器。在不同的裝置中,污染物的強制排放標準各不相同,因此每個項目的情況也各不相同。
有關所有這些項目采用的濕式洗滌系統將在下面詳細介紹,將重點說明脫除顆粒污染物和SO2的方法以及如何對來自濕式洗滌系統的廢液進行處理。將對每一項目進行詳細介紹,同時還對項目的獨特性加以說明。采用濕式洗滌系統的第一個項目是對兩個采用石油焦作為燃料的鍋爐排放物進行控制,采用濕式洗滌系統的后兩個項目是對煉油裝置的工業爐排放物進行控制。盡管這些工業爐比較小,但還是有必要采用濕式洗滌塔將污染物控制在可接收水平。最后將介紹采用濕式洗滌系統的三個項目,用于對來自FCCU的污染排放物進行控制,其中一個項目的污染物排放 要求非常嚴格,甚至比一般在美國的排放標準還低。另外一個項目被設計為可以使用不同的反應劑。最后一個項目被設計為在將來過渡到再生工藝。在本文最后,將對所有項目的實施情況進行總結,同時為希望采用濕式洗滌系統來降低污染物排放的其它煉油裝置提供一些有價值的參考信息。
 
濕式洗滌基本原理-對顆粒污染物和SOx排放進行有效控制
 
多年以來,在全世界各地的煉油廠采用濕式洗滌系統來控制來自FCCU和其它工藝單元的顆粒污染物和SO2排放。煙道氣中 顆粒污染物和硫的排放同時得到了控制。當工藝裝置擴建、生產能力增大后,該技術已經被證實有很大的靈活性,在煉油裝置中,相對于需要連續運行周期更長的FCCU來說,濕式洗滌系統的不間斷運行時間已經超過了FCCU的連續運行周期。每一煉油裝置選擇濕式洗滌系統的理由各不相同,但是均與環保要求有關。與其它污染物排放控制系統相比,濕式洗滌系統的成本相對較低,而可靠性和靈活性卻更大。
 
EDV.濕式洗滌系統是控制來自FCCU、工業爐和鍋爐顆粒污染物和SO2排放的最新方法,本系統的其中一種布置見圖1。
 
 
圖1:EDV. 濕式洗滌系統
 
此系統可以對熱煙道氣中的催化劑粉末、顆粒物質和SO2進行處理,然后通過煙囪將經過處理的干凈氣體排入大氣。在洗滌塔入口處,通過在噴水塔水平急冷段的噴水區使熱煙道氣急冷和飽和,在通常情況下,煙道氣通過熱回收設備后進入濕式洗滌塔,但是系統的設計也可以保證直接接收來自高溫源的煙道氣,如來自FCCU再生器的高溫煙道氣。LAB-G專利噴嘴產品可以在煙氣必經區產生高密度水幕。從每一噴嘴噴出的水滴相對于煙道氣以交叉方式流動。它涵蓋了整個煙氣的流動。同時,沖洗容器的表面,使其干凈。這些噴嘴采用非堵塞設計,能夠使用濃度比較高的淤漿水。在急冷后,SO2吸收和顆粒物質脫除會立即開始,當煙道氣上升并通過主噴水塔時,煙道氣再次與由其它噴嘴形成的高密度水幕接觸。噴水塔本身是一個開口塔,設置了多級LAB-G噴嘴。正是因為噴水塔是一個開口塔,當出現工藝紊亂時,不會對塔造成任何阻塞。事實上,這種設計已經承受了大量的工藝紊亂考驗,曾經有過在非常短的時間內,對送往濕式洗滌塔的催化劑處理量超過150噸。
通過加入反應劑來加快SO2的吸收,洗滌液被控制在中性pH值。苛性鈉(NaOH)通常被用作堿性反應劑,但是還可以使用其它堿性物質,如碳酸鈉和氫氧化鎂,它們在性能和可靠性方面也有很好的表現。采用多級噴嘴設計可以有效地提高氣體和液體的接觸,以充分脫除顆粒污染物和SO2。
噴水塔和噴嘴示意圖見圖2。
 
 
圖2:噴射塔和LAB-G噴嘴
 
向系統中加入補充水,以補償在急冷區蒸發掉的水份以及排液所需的水源。捕捉到的污染物,包括懸浮催化劑和顆粒污染物粉末,如果使用堿性反應劑時還包括SO2脫除時產生的溶解亞硫酸鹽/硫酸鹽(NaHSO3、Na2SO3和Na2SO4),從噴水塔循環回路中流出. 有關排液的處理將在后面介紹。
為了能過脫除非常細小的顆粒污染物,離開噴水塔的煙道氣將進入一組平行過濾組件。在每一組件中,煙道氣首先加速流動(壓縮),然后減速流動(膨脹),這樣可以使水從煙道氣中凝出,凝結出的水可以均勻地沖洗過濾組件壁,更重要的是煙道氣中細小顆粒和酸霧(H2SO4)上的凝結水可以增大它們的尺寸和質量,這樣會出現聚結。
從過濾組件出口處LAB-F噴嘴所噴出的噴液和煙道氣的氣流成逆向接觸,可以收集已被增大和聚結的細小顆粒和酸霧。該組件有一個特殊的優勢,能夠在非常低的壓降條件下脫除細小顆粒和酸霧.該組件沒有任何內件,不會因為磨損而引起非計劃停車. 同時,該組件對流量波動的敏感度不高.組件的示意圖見圖3。
 
 
圖3:細小顆粒控制過濾組件
 
在通過煙囪排入大氣之前,煙道氣進入一組平行液滴分離器,每一組液滴分離器處理一部分氣體流量,分離/收集游離液滴。進入到分離器的氣體通過一個固定的旋轉葉片,離心加速度將游離水滴甩到分離器壁上。水滴均勻地沖洗分離器壁,并排到底部。收集的水被送到過濾組件或噴水塔在過濾組件或噴射塔中,收集水被循環利用。 在該種設計中,由噴嘴形成大液滴,可以方便地完成液滴分離,而不會造成任何阻塞。液滴分離器示意圖見圖4。
 
 
圖4:多余水滴的分離
 
對濕式洗滌塔排液的處理
捕捉到的污染物,包括懸浮催化劑粉末/顆粒物質以及來自SO2脫除系統的溶解亞硫酸鹽/硫酸鹽(NaHSO3、Na2SO3和 Na2SO4)從噴水塔循環回路中流出,從洗滌塔流出的液體通常在排液處理單元(PTU)中進行處理,澄清器將脫除懸浮固體顆粒,并在澄清槽中形成濃縮淤漿,不含有任何懸浮固體顆粒的水從澄清器中溢出,并通過空氣和攪拌作用在一系列容器中進行氧化,氧化作用將排液中的亞硫酸鹽轉化為硫酸鈉,在排放前降低化學需氧量(COD)。PTU的典型布置見圖5。
 
 
圖5: 排液 ( 流出物 )處理單元(PTU)典型布置
 
第一個應用項目-中國煉油裝置作為本煉油裝置擴建的一部分,將安裝兩臺石油焦燃料鍋爐。鍋爐采用循環流化床鍋爐(CFB),并設置了 濾袋除塵器,以對顆粒進行控制,使收集到的物質再循環。在CFB中,盡管SO2的含量已得到降低,但是還是高于允許值,所以決定采用濕式洗滌塔,以徹底降低SO2的排放含量。
在選擇技術時盡管有許多因素需要考慮,但應重點考慮關鍵因素。在本項目中,有兩個特別重要的因素,一是洗滌系統的壓降必須保證最小,這樣可以不需要在系統中安裝增壓風機,二是可靠性非常重要,因為只使用一臺洗滌塔來控制兩臺CFB鍋爐的污染物排放,而且兩臺鍋爐可能大約每5年在同一時間停用,所以濕式洗滌系統的可靠性非常重要,其連續運行的時間不能低于5年。為了滿足這一要求,該煉油裝置選擇了EDV. 1000濕式洗滌系統。運行經驗已經證明,本系統的設計可以保證系統能夠連續運行5年以上,不會出現任何停車。因為洗滌塔采用了開口設計,其壓降降低也非常小,在這種情況下,在設計條件下,壓降低于1.5 kPag。本設計示意圖見圖6。
 
 
 
圖6:EDV. 1000濕式洗滌系統
 
本濕式洗滌系統的設計要求見表1。
 
 
表1:設計和性能要求
 
應該注意的是,盡管本系統的設計不是用于脫除顆粒污染物,但預計大約有50%進入系統的顆粒物質也會被沖洗到濕式洗滌系統的吸收容器中。
在本煉油裝置中,有兩臺工業爐,一個用于減壓蒸餾單元(VDU),一個用于煤油加氫單元(KHU),這兩臺工業爐均要求對顆粒污染物和SO2排放含量進行控制,所以選擇了濕式洗滌系統作為其控制技術。
兩套濕式洗滌系統的性能要求見下表2。VDU顆粒污染物的排放要求約為KHU排放要求的50%。
 
 
表2:設計和性能要求
 
在本項目中有一個特殊的要求,當上游設備走旁路時,因為無法獲得足夠的煙道氣壓力,使煙道氣進入濕式洗滌系統,煙道氣也得通過濕式洗滌系統的旁路。同樣又不希望安裝第二個煙囪,能夠使濕式洗滌塔既能在旁路條件下運行又能在正常條件下運行。在旁路條件下,無需打開濕式洗滌塔進行檢查或維護,因為洗滌塔的可靠性比其它工藝設備的可靠性高。
 
 
正常運行 旁路模式運行
 
圖7:濕式洗滌系統的旁路模式
 
第三個應用項目-在中國臺灣煉油裝置中用于新建FCCU
在臺灣的一個煉油裝置中,正在新建一個渣油流化催化裂化裝置(RFCC)。
 
2.6 kg/hr 143 mg/Nm3干,在6%氧氣含量時25.2 kg/小時
 
在旁路模式下的建議配置是對洗滌塔進行隔離,在濕式洗滌塔有正常氣體流量時,氣體進入液滴分離器,然后進入并升至煙囪,在旁路模式,氣體直接進入煙囪。在旁路模式下,通過在煙囪最底部和液滴分離器中注水,形成水封,防治煙道氣回流到濕式洗滌塔中。這是一個非常可靠又非常經濟的方法,見圖7。
 
從上圖可以看出,左側的洗滌塔為正常運行模式,右側的洗滌塔為旁路運行模式。在旁路運行模式下,在煙囪底部和液滴分離器中已經注入了水,如上面的討論,形成了水封。
本新建裝置的一個重要組成部分是對污染物的排放進行控制。
 
下表3列出了本濕式洗滌系統的入口和出口設計條件。
 
SO2的含量被限制在30ppm,這也是在美國FCCU裝置中對新建洗滌塔的設計要求。顆粒污染物排放被限制在30 mg/Nm3, 或大約為美國限定要求的60%。
 
 
由于環境排放標準十分嚴格,同時還要求有最大的可靠性,選擇了濕式洗滌系統作為其控制技術。
 
 
為了滿足嚴格的排放要求,在對EDV. 濕式洗滌系統進行配置時,還選用了Agglo過濾組件,以對細小顆粒進行控制。Agglo過濾組件與上述介紹的過濾組件的區別在于在設計中增加了第二個過濾噴嘴。該噴嘴位于過濾組件的入口處,目的在于增強在過濾組件中的凝結/聚結效果,同時還提高了過濾組件的性能,從而能夠達到更高的顆粒污染物排放要求。
 
第四個應用項目-在韓國煉油裝置中用于新建FCCU
 
在韓國的一個煉油裝置中,正在新建一個RFCC裝置,選擇濕式洗滌技術控制顆粒污染物和SO2的排放,以達到強制性排放標準要求。
 
 
僅采用苛性鈉洗滌 采用苛性鈉或氫氧化鎂洗滌
 
圖8:可采用氫氧化鎂進行洗滌的設計差異
 
在本濕式洗滌系統設計中考慮的主要問題是系統既可以采用苛性鈉/氫氧化鎂進行洗滌,又可以使用中和劑。由于苛性鈉的價格波動,同時取決于煉油裝置所在的地區,考慮該特性將非常重要。盡管氫氧化鎂的反應性很好,在降低SO2含量方面也不存在任何重大問題,但是在中和過程中生成的鎂鹽的化學和物理特性卻不同,這些問題必須引起關注。
 
最后一個應用項目-在菲律賓煉油裝置中用于新建FCCU
在這里討論的最后一個濕式洗滌系統是用于在菲律賓煉油裝置中的新建FCCU。
盡管FCCU裝置很小,但SO2的排放量卻很高,所以有必要采用濕式洗滌系統來控制SO2和顆粒污染物的排放量。相關的設計條件見下表5。
 
 
在洗滌塔溶液中,亞硫酸鎂的溶解能力是有限的,為了減小對濕式洗滌系統的腐蝕和結垢,在吸收容器中鎂必須被部分氧化成硫酸鹽,以對亞硫酸鹽的含量進行控制,從防治出現結構和腐蝕問題,這可以通過修改設計來實現-向吸收容器的儲液槽中加入氧化空氣,因此,儲液槽的尺寸會增大。從而提供足夠的時間確保充分氧化。僅使用苛性鈉以及既可以使用苛性鈉又可以使用氫氧化鎂進行洗滌的設計見上圖8。
 
 
表5:設計和性能要求
 
LABSORB. 是一個再生系統,它采用了EDV. 濕式洗滌系統,以一種可再生的無幾稀緩沖溶液來脫除煙道氣中的SO2。緩生成的濃緩沖溶液送至再生裝置,在再生裝置中,濃緩沖溶液被再生,同時SO2被萃取. 濃縮SO2被送往硫磺回收單元回收硫。該種方法在降低了操作成本的同時還生產出了副產品,脫除了SO2的稀緩沖溶液還可以重新利用。
專利EDV. 再生濕式洗滌工藝采用磷酸鈉,它可以從兩種普通的產品苛性鈉和磷酸進行反應獲得。磷酸鈉在EDV. 洗滌塔中循環,與煙道氣中的SO2反應,將SO2脫除。生成的濃緩沖溶液富含SO2被送往LABSORB.再生裝置。富含SO2的 濃緩沖溶液從吸收容器中泵送到再生裝置,在進入再生裝置前,通過一系列換熱器加熱,第一個換熱器由返回到吸收容器中的已再生緩沖溶液加熱,第二個換熱器采用蒸汽作為熱源。在加熱后,富含SO2的濃緩沖溶液被送往單效或雙效蒸發回路,該蒸發回路通過換熱器、分離器和冷凝器將富含SO2濃緩沖溶液中的水和SO2分離出來,不含SO2的液體被送至緩沖溶液混合槽,而蒸發水分和SO2被送往汽提塔。一定量的濃緩沖溶液會定期從蒸發回路中排出,同時部分凝液也會從汽提塔中流出,這樣做是為了保證在緩沖溶液中磷酸鈉的恒定濃度。通過采用了一系列過濾器的專利工藝將該部分排放液中的硫酸鹽脫除,從該工藝中收集到的濾出固體物為本工藝所生產的廢物量很少,僅為在工藝中脫除的硫的1%-2%。這些廢物可以通過一般的固體廢物處理技術進行處理,濾出液可以作為緩沖溶液使用,使其返回到緩沖溶液混合槽。在緩沖溶液混合槽中,將加入少量的苛性鈉和磷酸,通常小于2%,以補充在工藝過程中失去的緩沖溶液。經過再生的緩沖溶液返回到吸收容器中,用于脫除煙道氣中的SO2。整個工藝過程見圖9。
上述介紹的工藝是對來自一個洗滌塔的緩沖溶液進行再生,同樣可以將來自多個洗滌塔的緩沖溶液匯集起來,送入煉油裝置的同一再生單元中。
因為SO2的排放量相對較大,同時大量的鹽也將排放到廢液中,煉油裝置希望濕式洗滌系統的設計具有一定的靈活性,能夠在將來將濕式洗滌系統轉變為再生洗滌系統。在汽提塔/冷凝器中,氣體由來自冷凝器的逆流凝液冷卻。來自冷凝器SO2氣體的溫度用于控制送入冷凝器的冷卻介質的流量,來自汽提塔的凝液返回到緩沖溶液混合槽。含有至少90%SO2的富SO2氣體連同剩余的水分將被送入一個工藝處理單元,通常為SRU(硫磺回收單元),回收單體硫。被送往SRU的SO2可以消除SRU的運行瓶頸,尤其是當SRU接近其生產能力時。
為了能夠在將來將堿洗洗滌塔轉換為再生洗滌塔,需要拆除堿洗洗滌塔的過濾組件,安裝多個泵送回路,取代原來的單一回路,相關配置見圖10。
 
 
圖9:再生洗滌塔工藝流程圖
 
堿洗配置 再生配置
為了保證再生洗滌系統的正常運行,需要在洗滌塔的上游安裝一個預洗滌塔,因為SO2以外的其它污染物(主要是SO3和其它顆粒污染物)會影響緩沖溶液再生工藝,產生大量的耐熱鹽,造成緩沖溶液的大量損失,否則還需要一個更大的系統來脫除這些耐熱鹽。在緩沖溶液再生裝置中的顆粒污染物還會造成大量的問題,為了防治出現這些問題,就需要在洗滌塔的上游安裝預洗滌塔,其作用僅用于脫除顆粒污染物和SO3。該洗滌塔的操作介質僅采用水,所以SO2不會被脫除,否則就會影響到再生洗滌塔,完整的洗滌配置見圖11。除對洗滌系統的設計進行修改外,還應該設置再生裝置,這在前面已經介紹過,再生裝置可以遠離濕式洗滌系統。事實上,如果在將來需要安裝多個洗滌塔,再生裝置最好設置在所有這些洗滌塔的中心位置。
 
圖10:第一步-堿洗洗滌塔轉換為再生洗滌塔
 
總結
濕式洗滌系統有著極高的靈活性,可以滿足不同煉油裝置的特定要求。濕式洗滌系統的部分特點和優勢如下:
1. 長期可靠運行、長在線率;
2. 低壓降;
3. 可以將洗滌塔煙囪作為旁路煙囪;
4. 達到非常低的污染物排放標準;
5. 可使用多種反應劑(苛性鈉和氫氧化鎂);
6. 在將來可以轉換為再生洗滌系統;
圖11:完整的再生洗滌塔配置
 
煉油公司必須明確其對污染物的排放控制要求,這樣就可對濕式洗滌系統的配置進行優化,以滿足不同條件的需要。

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