文氏棒塔烟气脱硫技术介绍及其在炼油厂的应用

文章来源:石油石化绿色低碳 发布时间:2016-11-24
本文阐述了文氏棒塔烟气脱硫技术的传质(传热)原理及特点,并介绍了该技术在某炼油厂35t/h燃煤锅炉烟气脱硫塔和120万吨/年催化裂化再生烟气脱硫塔中的应用情况。

试验及模拟研究表明,烟气与喷淋液在文氏棒层接触产生强烈的湍流层,提高了传质传热效率,并且文氏棒塔压降相对较低。文氏棒层可有效改善塔内烟气分布情况,同时有较好的“自清洁”作用。炼油厂工业应用表明,文氏棒塔脱硫效率高、阻力小、装置运行稳定。(作者:王晓晗,孙国刚中国石油大学(北京)化工学院过程装备实验室)

催化裂化是现代炼油工业的核心工艺,为原料油深度加工、提高轻质油收率发挥了重要的作用,但由于原油品质日益变劣变重,催化裂化装置产生的烟气含硫成分明显升高,炼厂环保压力也随之增加,提高烟气脱硫效率已经成为当前面临的重要问题。湿法烟气脱硫技术以其脱硫效率高、装置运行可靠、处理成本低等特点,在现有催化裂化烟气脱硫技术中占据主流地位。烟气洗涤脱硫塔是湿法烟气脱硫的核心设备,脱硫效率和能耗是脱硫塔主要参数。早期的填料塔气液传质效率高,但阻力较大,易结垢堵塞,影响装置的稳定运行;传统喷淋空塔虽有压降低、不易堵塞的特点,但喷淋空塔存在着烟气分布不均匀、气体易形成短路流、脱硫效率不高的缺陷。文氏棒塔是在传统喷淋空塔的烟气上行通道中添加一层或多层文丘里棒层作为内构件,不仅有压降低、不易结垢堵塞、运行稳定的优点,同时还可保证较高的脱硫效率。

文氏棒喷淋塔烟气脱硫工艺流程见图1.烟气由一侧入口进入脱硫塔内部,自下而上流动,脱硫浆液经喷嘴以一定速度和角度喷射下落,在文氏棒层上方与逆流而上的烟气接触并形成强烈湍流,洗涤烟气中的SO2、NOx等有害组分,净化后的烟气经塔顶除雾器除去气体中夹带的液滴,通过烟囱排入大气。

1、文氏棒塔脱硫原理

在传统的喷淋空塔内,喷淋液滴在烟气作用下,表面发生了复杂的物理化学变化,液滴表面的水吸收烟气中的SO2,SO2逐渐向液滴内部扩散,形成外高内低的SO2浓度梯度;同时吸收过程中,液滴表面的水分蒸发减少,而SO2的浓度逐步升高,液滴饱和,吸收过程趋于停止。并且液滴在下降过程中相互碰撞,小液滴聚并为大液滴,减少了吸收表面。结果是液滴在下落过程中,吸收速度逐渐变慢,这是造成喷淋空塔脱硫率低的原因。

设置文氏棒层后,在相邻文氏棒之间形成无数个文丘里,如图2所示。当烟气通过文丘里棒层时,与下落的液滴接触发生反应,并在文氏棒层上方形成高速传质的泡沫层。在泡沫层内,浆液被高速向上的气流击碎,产生新的传质表面,极大地增加了气液相之间的传质和传热表面。另外,烟气通过文氏棒层时,以“液体包围气体”的鼓泡传质过程,提高了传质效率。减小文氏棒间距可增加文氏棒层上泡沫层的高度,可在低液气比下达到较高的脱硫效率,并且文氏棒塔相对于其他板式塔、填料塔等压降较低,从而达到了高效低阻的脱硫效果。

2、文氏棒塔技术优点

01、均化塔内烟气分布

喷淋空塔内烟气分布不易均匀,如图3a所示,含硫烟气由喷淋空塔一侧横向进入塔内,受到圆柱壁的阻挡,烟气折流向上沿塔壁形成高速气流带,出现明显的偏流现象,并且在入口上方产生旋涡,形成回流。烟气速度越高、塔径越大,塔内烟气分布就越不均匀。当加入脱硫剂之后,会造成脱硫液滴在横向截面分布严重不均匀,减小了气液接触时间和接触面积,大大降低了脱硫效率。

设置文氏棒层后,如图3b所示,由于其均布作用,烟气在塔内的分布明显改善,高速气流带消失,烟气回流现象也得到改善。中国石油大学(北京)设计了一种非均匀棒距的文丘里棒层,通过文氏棒层对气流的均化作用,使烟气在文氏棒层下游呈现接近“平推流”的流动,改善气液接触,减少烟气“短路流”。

02、脱硫效率高

1)低液气比

喷淋空塔为了达到较高的脱硫效率,需要采取增加脱硫塔高度、增大液气比等措施来增加气液接触的时间,这会造成设备投资高、能耗加大、装置运行成本上升。文氏棒塔可以改善塔内烟气分布,并且在文氏棒层上方形成高速湍动的泡沫层,使常规的“气包液”变为“液包气”传质过程,极大地增加了气液反应吸收表面,减轻了吸收区的脱硫负荷,可有效降低脱硫所需的液气比。例如,常规喷淋空塔,石灰石—石膏法脱硫效率达到95%,需要液气比为15~20L/m3,一般需要4~6层喷淋;如果采用文氏棒塔,达到相同的脱硫效率,只需液气比8~12L/m3,一般只需要3层喷淋,因此循环泵的数量也相应减少。在相同脱硫效率下,文氏棒喷淋塔的循环浆液量相比于空塔减少20%~25%,同时功率消耗减少15%~20%,从而节约了生产成本。

2)低压降

加入文氏棒层后会使脱硫塔的压降有所升高,但相对于其他板式塔、填料塔等压降增加的幅度较小。试验表明,加入文氏棒层后,全塔压降仅增加了100~200Pa(见图4),对脱硫塔的操作几乎没有影响。

03、运行稳定可靠

1)自清洁作用

构成文氏棒层的管或棒截面一般为圆形,表面光滑,不易黏接固形物,间隙处过流气速大,两棒间渐缩渐扩的文丘里过流效应形成强烈的气液两相湍动,烟气高速通过相邻文氏棒间隙,不断冲刷文氏棒,使文氏棒的边界层减薄,有较好的“自清洁”作用,可以避免结垢现象(见图5)。

2)负荷适应性

文氏棒塔对系统的适应性较强。在文氏棒塔中,文氏棒层是一个独立完整的部件,对烟气负荷变化的适应性较强。即使烟气流量较低的情况下,文氏棒塔也能保证较大的烟气流速,形成强烈湍流,强化气液传质,提高脱硫剂的利用率。当预计烟气中SO2含量会长期增加时,可以适当降低文氏棒层的空隙率,增大过缝烟气流速,增加棒层上方泡沫层的高度,从而保证较高的脱硫效率;当SO2浓度降低时,可以去除部分文氏棒,增加文氏棒层开孔面积,这样可以降低风机压头,减少能耗。

3、工业示范应用

某炼油厂35t/h燃煤锅炉排放的烟气中SO2浓度为1280mg/m3、NOx浓度为365mg/m3、粉尘浓度为126mg/m3.根据当地环保要求,需要对烟气脱硫处理。2013年设计建造了双层文氏棒脱硫塔VRT3100,脱硫塔直径3.1m,高度17.5m,进口烟气流量9万m3/h.用15%氨水作吸收剂脱除烟气中的SO2,同时降低烟气中的氮氧化物与粉尘的排放。

脱硫塔底部收集副产物溶液,经过沉淀、氧化、过滤处理后,通过泵送回脱硫塔继续循环使用,直至饱和后,富含硫铵的废水进入到厂区污水处理系统,在不影响原污水处理系统运行的同时,能够为污水处理细菌提供部分营养成分,实现了硫铵资源的高效利用。此外,氨法烟气脱硫在实际运行过程中容易产生富含硫酸铵的气溶胶颗粒,在一定程度上增加了排放烟气中的颗粒物浓度,需要考虑提高塔内的除雾效果。

脱硫塔运行测试数据见表1,经洗涤后烟气SO2排放浓度小于90mg/m3,脱硫效率93.0%~98.5%,同时NOx的排放浓度小于160mg/m3,脱除效率在55%以上。脱硫装置操作压降小于1200Pa,脱硫塔操作运行液气比在2L/m3左右,通过整个脱硫装置物料衡算表明,脱硫过程平均每小时消耗商品氨液量在0.3t以下,氨利用率达到97%以上。装置的处理能力、脱硫效率均达到预期目标。

2014年底,该厂120万吨/年催化裂化装置再生烟气脱硫系统的文氏棒塔烟气洗涤吸收设备建成,烟气脱硫塔直径5m,高度25m,含塔顶烟囱总高约60m.进口烟气流量为16万m3/h,SO2含量为620mg/m3.采用NaOH作为脱硫剂,NaOH溶液作为强碱,活性高、反应快且充分,吸收剂利用率高,逆流喷淋同时具有除尘作用。脱硫塔于2015年10月一次投运成功,运行平稳,测试数据见表2.烟囱出口烟气监测数据显示,SO2排放浓度小于35mg/m3,脱硫效率94.5%~98.0%,颗粒物浓度30~50mg/m3,烟气出口温度50~55℃,达到了设计目标,SO2排放达到了超净排放的环保要求。

4、结论

1)烟气通过文氏棒层时,产生强烈的文丘里效应,下落的液滴在文氏棒层被高速向上的气流击碎,产生新的传质表面。在文氏棒层上方产生强烈湍动的泡沫层,使常规的“气包液”变为“液包气”的传质过程,增加了气液反应吸收表面,减轻了吸收去的脱硫负荷,提高了脱硫效率。

2)空塔内加入文氏棒层后,吸收区烟气分布得到改善,降低了脱硫所需液气比,并且文氏棒层有较好的“自清洁”作用,可有效减少结垢现象,对系统也有较强的适应性。

3)炼油厂35t/h燃煤锅炉烟气脱硫工程以及120万吨/年催化裂化装置再生烟气脱硫系统应用表明,文氏棒塔脱硫装置运行稳定、脱硫效率高、能够满足炼油厂最新的烟气污染物排放标准,同时系统具有较低的操作液气比与系统压降,性能优于同类的烟气脱硫塔。

0
-1
收藏
相关文章