文氏棒塔煙氣脫硫技術(shù)及其在煉油廠的應(yīng)用

摘要：闡述了文氏棒塔煙氣脫硫技術(shù)的傳質(zhì)(傳熱)原理及特點，并介紹了該技術(shù)在某煉油廠35t/h燃煤鍋爐煙氣脫硫塔和120萬噸/年催化裂化再生煙氣脫硫塔中的應(yīng)用情況。試驗及模擬研究表明，煙氣與噴淋液在文氏棒層接觸產(chǎn)生強烈的湍流層，提高了傳質(zhì)傳熱效率，并且文氏棒塔壓降相對較低。文氏棒層可有效改善塔內(nèi)煙氣分布情況，同時有較好的“自清潔”作用。煉油廠工業(yè)應(yīng)用表明，文氏棒塔脫硫效率高、阻力小、裝置運行穩(wěn)定。(作者：王曉晗，孫國剛中國石油大學(xué)(北京)化工學(xué)院過程裝備實驗室)

關(guān)鍵詞：煙氣脫硫 文氏棒塔 工業(yè)應(yīng)用

催化裂化是現(xiàn)代煉油工業(yè)的核心工藝，為原料油深度加工、提高輕質(zhì)油收率發(fā)揮了重要的作用，但由于原油品質(zhì)日益變劣變重，催化裂化裝置產(chǎn)生的煙氣含硫成分明顯升高，煉廠環(huán)保壓力也隨之增加，提高煙氣脫硫效率已經(jīng)成為當(dāng)前面臨的重要問題。濕法煙氣脫硫技術(shù)以其脫硫效率高、裝置運行可靠、處理成本低等特點，在現(xiàn)有催化裂化煙氣脫硫技術(shù)中占據(jù)主流地位。煙氣洗滌脫硫塔是濕法煙氣脫硫的核心設(shè)備，脫硫效率和能耗是脫硫塔主要參數(shù)。早期的填料塔氣液傳質(zhì)效率高，但阻力較大，易結(jié)垢堵塞，影響裝置的穩(wěn)定運行;傳統(tǒng)噴淋空塔雖有壓降低、不易堵塞的特點，但噴淋空塔存在著煙氣分布不均勻、氣體易形成短路流、脫硫效率不高的缺陷。文氏棒塔是在傳統(tǒng)噴淋空塔的煙氣上行通道中添加一層或多層文丘里棒層作為內(nèi)構(gòu)件，不僅有壓降低、不易結(jié)垢堵塞、運行穩(wěn)定的優(yōu)點，同時還可保證較高的脫硫效率。

文氏棒噴淋塔煙氣脫硫工藝流程見圖1。煙氣由一側(cè)入口進入脫硫塔內(nèi)部，自下而上流動，脫硫漿液經(jīng)噴嘴以一定速度和角度噴射下落，在文氏棒層上方與逆流而上的煙氣接觸并形成強烈湍流，洗滌煙氣中的SO2、NOx等有害組分，凈化后的煙氣經(jīng)塔頂除霧器除去氣體中夾帶的液滴，通過煙囪排入大氣。

1、文氏棒塔脫硫原理

在傳統(tǒng)的噴淋空塔內(nèi)，噴淋液滴在煙氣作用下，表面發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化，液滴表面的水吸收煙氣中的SO2，SO2逐漸向液滴內(nèi)部擴散，形成外高內(nèi)低的SO2濃度梯度;同時吸收過程中，液滴表面的水分蒸發(fā)減少，而SO2的濃度逐步升高，液滴飽和，吸收過程趨于停止。并且液滴在下降過程中相互碰撞，小液滴聚并為大液滴，減少了吸收表面。結(jié)果是液滴在下落過程中，吸收速度逐漸變慢，這是造成噴淋空塔脫硫率低的原因。

設(shè)置文氏棒層后，在相鄰文氏棒之間形成無數(shù)個文丘里，如圖2所示。當(dāng)煙氣通過文丘里棒層時，與下落的液滴接觸發(fā)生反應(yīng)，并在文氏棒層上方形成高速傳質(zhì)的泡沫層。在泡沫層內(nèi)，漿液被高速向上的氣流擊碎，產(chǎn)生新的傳質(zhì)表面，極大地增加了氣液相之間的傳質(zhì)和傳熱表面。另外，煙氣通過文氏棒層時，以“液體包圍氣體”的鼓泡傳質(zhì)過程，提高了傳質(zhì)效率。減小文氏棒間距可增加文氏棒層上泡沫層的高度，可在低液氣比下達到較高的脫硫效率，并且文氏棒塔相對于其他板式塔、填料塔等壓降較低，從而達到了高效低阻的脫硫效果。

2、文氏棒塔技術(shù)優(yōu)點

01、均化塔內(nèi)煙氣分布

噴淋空塔內(nèi)煙氣分布不易均勻，如圖3a所示，含硫煙氣由噴淋空塔一側(cè)橫向進入塔內(nèi)，受到圓柱壁的阻擋，煙氣折流向上沿塔壁形成高速氣流帶，出現(xiàn)明顯的偏流現(xiàn)象，并且在入口上方產(chǎn)生旋渦，形成回流。煙氣速度越高、塔徑越大，塔內(nèi)煙氣分布就越不均勻。當(dāng)加入脫硫劑之后，會造成脫硫液滴在橫向截面分布嚴(yán)重不均勻，減小了氣液接觸時間和接觸面積，大大降低了脫硫效率。

設(shè)置文氏棒層后，如圖3b所示，由于其均布作用，煙氣在塔內(nèi)的分布明顯改善，高速氣流帶消失，煙氣回流現(xiàn)象也得到改善。中國石油大學(xué)(北京)設(shè)計了一種非均勻棒距的文丘里棒層，通過文氏棒層對氣流的均化作用，使煙氣在文氏棒層下游呈現(xiàn)接近“平推流”的流動，改善氣液接觸，減少煙氣“短路流”。

02、脫硫效率高

1)低液氣比

噴淋空塔為了達到較高的脫硫效率，需要采取增加脫硫塔高度、增大液氣比等措施來增加氣液接觸的時間，這會造成設(shè)備投資高、能耗加大、裝置運行成本上升。文氏棒塔可以改善塔內(nèi)煙氣分布，并且在文氏棒層上方形成高速湍動的泡沫層，使常規(guī)的“氣包液”變?yōu)?ldquo;液包氣”傳質(zhì)過程，極大地增加了氣液反應(yīng)吸收表面，減輕了吸收區(qū)的脫硫負(fù)荷，可有效降低脫硫所需的液氣比。例如，常規(guī)噴淋空塔，石灰石—石膏法脫硫效率達到95%，需要液氣比為15～20L/m3，一般需要4～6層噴淋;如果采用文氏棒塔，達到相同的脫硫效率，只需液氣比8～12L/m3，一般只需要3層噴淋，因此循環(huán)泵的數(shù)量也相應(yīng)減少。在相同脫硫效率下，文氏棒噴淋塔的循環(huán)漿液量相比于空塔減少20%～25%，同時功率消耗減少15%～20%，從而節(jié)約了生產(chǎn)成本。

2)低壓降

加入文氏棒層后會使脫硫塔的壓降有所升高，但相對于其他板式塔、填料塔等壓降增加的幅度較小。試驗表明，加入文氏棒層后，全塔壓降僅增加了100～200Pa(見圖4)，對脫硫塔的操作幾乎沒有影響。

03、運行穩(wěn)定可靠

1)自清潔作用

構(gòu)成文氏棒層的管或棒截面一般為圓形，表面光滑，不易黏接固形物，間隙處過流氣速大，兩棒間漸縮漸擴的文丘里過流效應(yīng)形成強烈的氣液兩相湍動，煙氣高速通過相鄰文氏棒間隙，不斷沖刷文氏棒，使文氏棒的邊界層減薄，有較好的“自清潔”作用，可以避免結(jié)垢現(xiàn)象(見圖5)。

2)負(fù)荷適應(yīng)性

文氏棒塔對系統(tǒng)的適應(yīng)性較強。在文氏棒塔中，文氏棒層是一個獨立完整的部件，對煙氣負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強。即使煙氣流量較低的情況下，文氏棒塔也能保證較大的煙氣流速，形成強烈湍流，強化氣液傳質(zhì)，提高脫硫劑的利用率。當(dāng)預(yù)計煙氣中SO2含量會長期增加時，可以適當(dāng)降低文氏棒層的空隙率，增大過縫煙氣流速，增加棒層上方泡沫層的高度，從而保證較高的脫硫效率;當(dāng)SO2濃度降低時，可以去除部分文氏棒，增加文氏棒層開孔面積，這樣可以降低風(fēng)機壓頭，減少能耗。

3、工業(yè)示范應(yīng)用

某煉油廠35t/h燃煤鍋爐排放的煙氣中SO2濃度為1280mg/m3、NOx濃度為365mg/m3、粉塵濃度為126mg/m3。根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求，需要對煙氣脫硫處理。2013年設(shè)計建造了雙層文氏棒脫硫塔VRT3100，脫硫塔直徑3.1m，高度17.5m，進口煙氣流量9萬m3/h。用15%氨水作吸收劑脫除煙氣中的SO2，同時降低煙氣中的氮氧化物與粉塵的排放。

脫硫塔底部收集副產(chǎn)物溶液，經(jīng)過沉淀、氧化、過濾處理后，通過泵送回脫硫塔繼續(xù)循環(huán)使用，直至飽和后，富含硫銨的廢水進入到廠區(qū)污水處理系統(tǒng)，在不影響原污水處理系統(tǒng)運行的同時，能夠為污水處理細(xì)菌提供部分營養(yǎng)成分，實現(xiàn)了硫銨資源的高效利用。此外，氨法煙氣脫硫在實際運行過程中容易產(chǎn)生富含硫酸銨的氣溶膠顆粒，在一定程度上增加了排放煙氣中的顆粒物濃度，需要考慮提高塔內(nèi)的除霧效果。

脫硫塔運行測試數(shù)據(jù)見表1，經(jīng)洗滌后煙氣SO2排放濃度小于90mg/m3，脫硫效率93.0%～98.5%，同時NOx的排放濃度小于160mg/m3，脫除效率在55%以上。脫硫裝置操作壓降小于1200Pa，脫硫塔操作運行液氣比在2L/m3左右，通過整個脫硫裝置物料衡算表明，脫硫過程平均每小時消耗商品氨液量在0.3t以下，氨利用率達到97%以上。裝置的處理能力、脫硫效率均達到預(yù)期目標(biāo)。

2014年底，該廠120萬噸/年催化裂化裝置再生煙氣脫硫系統(tǒng)的文氏棒塔煙氣洗滌吸收設(shè)備建成，煙氣脫硫塔直徑5m，高度25m，含塔頂煙囪總高約60m。進口煙氣流量為16萬m3/h，SO2含量為620mg/m3。采用NaOH作為脫硫劑，NaOH溶液作為強堿，活性高、反應(yīng)快且充分，吸收劑利用率高，逆流噴淋同時具有除塵作用。脫硫塔于2015年10月一次投運成功，運行平穩(wěn)，測試數(shù)據(jù)見表2。煙囪出口煙氣監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，SO2排放濃度小于35mg/m3，脫硫效率94.5%～98.0%，顆粒物濃度30～50mg/m3，煙氣出口溫度50～55℃，達到了設(shè)計目標(biāo)，SO2排放達到了超凈排放的環(huán)保要求。

4、結(jié)論

1)煙氣通過文氏棒層時，產(chǎn)生強烈的文丘里效應(yīng)，下落的液滴在文氏棒層被高速向上的氣流擊碎，產(chǎn)生新的傳質(zhì)表面。在文氏棒層上方產(chǎn)生強烈湍動的泡沫層，使常規(guī)的“氣包液”變?yōu)?ldquo;液包氣”的傳質(zhì)過程，增加了氣液反應(yīng)吸收表面，減輕了吸收去的脫硫負(fù)荷，提高了脫硫效率。

2)空塔內(nèi)加入文氏棒層后，吸收區(qū)煙氣分布得到改善，降低了脫硫所需液氣比，并且文氏棒層有較好的“自清潔”作用，可有效減少結(jié)垢現(xiàn)象，對系統(tǒng)也有較強的適應(yīng)性。

3)煉油廠35t/h燃煤鍋爐煙氣脫硫工程以及120萬噸/年催化裂化裝置再生煙氣脫硫系統(tǒng)應(yīng)用表明，文氏棒塔脫硫裝置運行穩(wěn)定、脫硫效率高、能夠滿足煉油廠最新的煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，同時系統(tǒng)具有較低的操作液氣比與系統(tǒng)壓降，性能優(yōu)于同類的煙氣脫硫塔。