155-炼油厂催化装置烟气脱硝脱硫除尘项目之烟气脱硫洗涤塔采用羽叶除雾器升级填料设计

        本篇主要针对炼油厂催化装置烟气脱硝脱硫除尘项目之烟气脱硫洗涤塔采用羽叶分离除雾器升级填料方案进行探讨分析。

      炼油厂催化装置烟气隐患治理，可以说是多数炼油企业不得不面对的问题，且不少企业花费不少精力和投资而得不到满意治理效果。其中，反映较为集中的问题，是烟气脱硫洗涤塔堵塞、运行压降高，烟气排放不稳定，烟气“飘水”“降尘”等问题。

      催化烟气脱硫洗涤除尘，包含洗涤塔外文丘里洗涤脱硫除尘、塔内洗涤脱硫除尘和分离两部分。催化烟气，以水平方式进入喷射文丘里管，与文丘里管上部喷射抽吸进入的循环液，在文丘里喉管处使烟气与循环液剧烈混合脱硫反应及洗涤除尘，在文丘里扩散段及弯头处初步实现烟气与循环液及固体颗粒物分层流动。

      初步分层流动的烟气与循环液，以切向方式从洗涤塔烟气入口流入洗涤塔，在入口旋流作用下，循环液段塞流在洗涤塔壁附近沉降落入塔底部积液区，而气流则经塔盘及分液填料处理后，通过洗涤塔顶部烟囱排入大气。这里，把Exxon提供的WGS工艺包催化烟气脱硫洗涤塔流程图贴出，供大家分析探讨。

      对于催化装置烟气隐患治理而言，洗涤脱硫除尘在文丘里、洗涤塔切向入口、塔盘、填料处完成，而集中反映的烟气脱硫洗涤塔堵塞、运行压降高、烟气排放不稳定以及烟气“飘水”“降尘”等问题，则主要涉及到烟气进入烟囱前的最后一道把关设施即所谓“填料”。

      在设计院对WGS工艺包解包后，对洗涤塔内件“填料”的主要要求是：
①填料整体压降≯0.4kPa。
②填料设施排出的烟气中粒径30μm以上的雾滴脱除率不小于99%，保证在正常操作工况下烟囱周边场地无明显“落雨现象”。
③填料选型对收集下来的湿粉尘具有较好的防堵能力，满足三年以上长周期连续运行，保证三年运行周期内压降增加不超过100Pa。
④填料的外形尺寸须满足塔体内安装的要求，填料分装供货，单块满足人孔内进出的要求，人孔规格：600mm。
⑤填料设施及其支撑件等采用S25073或等同材质，表面须进行酸洗钝化处理。

      催化装置烟气脱硫洗涤塔内件“填料”的设计选型，事关其运行性能及寿命。这里先谈谈材质问题。在进气催化烟气中由于含有硫氧化物，系统前端设备与工艺介质直接接触的设备材质需要考虑耐受酸液问题，因而与烟气接触的文丘里、洗涤塔等设备及管线采用S25073或等同材质或衬材，不存在异议。但是，作为位于洗涤塔烟气流程最末端的“填料”材质，是否还要选择S25073或等同材质？鉴于烟气到达“填料”内件时，烟气中的硫氧化物与烧碱液已经进行多次高强度中和反应残存的酸性物，无论是以气态还是以液态形式存在，其残留量已经很微小到ppm级别，而且，“填料”仅作为内件而非设备壳体承压元件，采用SS316L已经满足要求而不用特别要求“填料”材质为S25073。事实证明，以往的洗涤塔内件“填料”由于堵塞而需要在1-2年对“填料”进行更换，就更没必要要求“填料”采用S25073或等同材质。

     而关于催化装置烟气脱硫洗涤塔“填料”内件型式，最早按照设计院对工艺包解包后的要求完全依照工艺包方如EXXON要求选择EF-25系列填料，由美国公司提供。结果，运行后满足不了“①填料整体压降≯0.4kPa。②填料设施排出的烟气中粒径30μm以上的雾滴脱除率不小于99%，保证在正常操作工况下烟囱周边场地无明显“落雨现象”。③填料选型对收集下来的湿粉尘具有较好的防堵能力，满足三年以上长周期连续运行，保证三年运行周期内压降增加不超过100Pa”。因堵塞导致分离不稳定，洗涤塔填料实际运行周期不到2年。更换时，又改为选择某国外著名填料供应商提供的EF-25A型改进版，实际运行效果虽略有改善，但仍然不能达到2年的抗堵塞周期。更换时，不少业主还尝试用过国内一些高校、国内填料供应商许诺能够满足工艺运行要求的各类填料，结果，实际运行效果甚至不如以前。

    查找到业主和设计院提供的原工艺包中要求的EF-25系列填料新供货时的图片，如下：

     而下面两张图片则是该填料投运不到2年装置停产更换时，拍下的填料堵塞情形照片：

      由于填料反复出现堵塞问题得不到解决，于是有人趁机向业主和设计院建议采用某电厂曾经安装使用过的“旋流管”除雾器。本来，“旋流管”在烟气常压工况下，烟气动能动量小，只能用于分离要求不高的初级分离，应对早些年电厂烟气排放标准不高的要求是勉强对付。堵塞问题是解决了，但烟气除雾和除尘超标问题又来了。还得重新改造！
      下图是国内某企业提供给业主催化装置洗涤塔的现场散装“旋流管”。现场散装的动力学分离内件组，必须得经过组装后的整体检验测试。但由于现场往往不具备整体检验测试条件而放弃检验测试环节，埋下不少结构性能缺陷和“隐患”。由于旋流管本身性能应用场合只适用于初级分离而非精细分离，又加之现场散装遗留的不少结构性能缺陷和“隐患”，其被重新改造则成为必然。

     这是业主炼油第一联合车间催化装置烟气脱硫洗涤塔填料部分工况情况：
     烟气脱硫烟气量为 95400Nm3/h。
     洗涤塔/烟囱直径 3900/1900mm，填料设施安装在直径为 3900mm 的范围内。
     洗涤塔操作压力为 0～1.0kPa（g）。

      查证了一下该催化装置烟气脱硫洗涤塔的水力学数据，如下：

塔径         mm         3900
填料设施本体高度         Mm         2000
填料设施上部空间高度         mm         1220
填料设施下部空间高度         mm         1500
常用工况流量         kg/h         124499.7
液体密度 ρL         kg/m3         1080
液体粘度 μl         cP         0.45
气体粘度 μg         cP         0.0178
表面张力         dyne/cm         65.6
粒径 d         μm         ≤300
塔内气体流速 VV         m/s         2.9

      该洗涤塔填料部分所涉烟气的工况参数补充如下：
       
1、 温度 ℃         61.5
2 、压力 KPa g         0～1.0kPa（g）
3 、组成 wt%          
        N2         57.82
        CO2         17.84
        H2O         20.73
        O2         3.59
        SO2 mg/Nm3-dry         50
        NOx mg/Nm3-dry         100
        颗粒物 mg/Nm3-dry         30~320

     业主要求采用羽叶除雾器对原有催化装置烟气脱硫洗涤塔分离内件进行技术升级改造的技术要求如下：
①填料整体压降≯0.4kPa。
②填料性能须优于EF-25A，填料设施排出的烟气中粒径30μm以上的雾滴脱除率不小于99%，保证在正常操作工况下烟囱周边场地无明显“落雨现象”。
③填料选型对收集下来的湿粉尘具有较好的防堵能力，满足三年以上长周期连续运行，保证三年运行周期内压降增加不超过100Pa。
④填料的外形尺寸须满足塔体内安装的要求，填料分装供货，单块满足人孔内进出的要求，人孔规格：600mm。
⑤操作弹性为60%-120%。
⑥填料设施使用寿命不低于20年。

     诺卫能源技术公司依据业主提供的实际工况数据，通过NOVEL精准动力学分离技术设计平台针对性完成的上述催化装置烟气脱硫洗涤塔抗堵塞专用羽叶除雾器性能数据如下：

一、设计处理能力：以工况气相正常流量95400Nm3/h为设计处理能力。
二、分离效率保证： 在正常设计工况下，对直径7.49微米及以上尺寸液滴分离效率达99.99%，分离器出口气体中携带量小于0.1Gal/MMSCF, 优于业主和设计院MR文件要求。
三、整体运行压降： 在正常设计工况下，分离器整体运行压降不超过293Pa。
四、操作弹性范围：  至少保证10%~130% ，优于业主和设计院MR文件要求。
五、设计寿命和机械性能保证：  正常使用条件下，P4型羽叶内件设计寿命不低于20年。
六、诺卫能源技术公司提供的上述催化装置烟气脱硫洗涤塔抗堵塞专用羽叶除雾器，采用整体橇块化供货，出厂前整体检验测试，现场将羽叶除雾器橇块整体植入洗涤塔，以确保植入洗涤塔的羽叶除雾器组态结构与出厂检测完全一样、性能完全一样，有效避免因散装内件现场组装后由于现场往往不具备整体检验测试条件而放弃检验测试环节所埋下的不少结构性能缺陷和“隐患”。  
      此外，我方技术文件还提供P4型羽叶除雾分离内件在120%、100%和60%运行负荷工况下的性能特性曲线（即：P4型高效分离羽叶内件组在120%、100%和60%运行负荷工况下的压力降曲线、P4型高效分离羽叶内件组在120%、100% 和60%运行负荷工况下的分离效率曲线），进一步证明我方提供的P4型羽叶除雾分离内件技术先进性和可靠性。

     下图是诺卫能源技术公司依据业主工况参数通过其精准动力学分离技术设计平台输出的催化装置烟气脱硫洗涤塔抗堵塞专用羽叶除雾器《数图汇表》：

      诺卫能源技术公司提供的羽叶除雾分离内件，不同于传统填料式粗略分离内件，而是采用流体动力学矢量分离、离心分离、聚结碰撞、液体表面自由能捕集分离等实现定量精密气液分离；其组态结构先进，主要包括P4专利技术羽叶内件组、降液系统、气流密封系统和支撑系统。核心内件为P4 专利技术高效羽叶内件组。
      P4 专利技术高效羽叶内件组，包括羽叶元件、液相收集舱、羽叶盒等。材料为不锈钢S25073或等同材料，型号P4-D BANK-68/4-60-EDP。 P4 专有技术高效羽叶内件组精密分离组件内，每相邻两张羽叶之间的间隔构成一条气流主流道，每张羽叶由4个重复分离单元结构首尾相连的板件轧制焊接而成。每个分离单元结构主要包括一对首尾相连的波峰段及波谷段，在波峰段及波谷段各设置有一个液相收集微流道。一旦气流进入气相主流道，便在特殊流道中受迫高速旋转，微小液滴间高效碰撞聚结长大，并在径向离心力、非径向矢量场和液膜表面张力作用下使微小液滴被高效捕集，然后在合力和动量反射作用下进入液相收集微流道而被收集到液相收集舱。比如，在特殊波动工况下，气流在第1级分离单元分离效率90%，逃逸率为10%（即100%-90%）；气流串行经过第2级分离单元处理后的残留率则为10%*10%，气流继续串行经过第3级分离单元处理后的残留率则为10%*10%*10%，气流串行经过第4级分离单元处理后的残留率则为10%*10%*10%*10%，以此类推。分离单元级数越多，分离效率和操作弹性越高。 P4型羽叶除雾分离内件组耗材和成本也较传统结构内件更高。
     

     这是诺卫能源技术公司针对上述方案的供货范围：

1、NOVEL P4型羽叶除雾分离内件组，型号4-D BANK-68/4-60-EDP，数量为12模块，材质为S25073等同。
2、降液及气封系统，型号为50*650，数量4组，材质        S25073等同。
3、上下导流密封组件，型号DN3900，数量1件，材质        S25073等同。
4、支撑横梁及支耳，型号L3900，数量2件，材质S25073等同。

      诺卫能源技术公司烟气脱硫洗涤塔抗堵塞专用羽叶除雾器已在乌石化150万吨/年重催装置隐患治理项目、独山子石化二联合硫磺装置尾气提标改造项目、独山子石化三联合硫磺装置尾气提标改造项目等连续高效稳定运行。