張蓬蓬

(中國石化催化劑有限公司齊魯分公司催化劑一車間，山東 淄博 255300)

催化裂化(FCC)是石油煉制過程中最重要的二次加工過程[1]，在我國，催化裂化一直占據(jù)著原油加工過程的主導(dǎo)地位。隨著重質(zhì)原料油加工量的逐年上升，F(xiàn)CC催化劑的需求量不斷增加。在提高FCC催化劑質(zhì)量的同時(shí)，隨著國家環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，催化劑生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的尾氣處理問題也引起了研究者的廣泛關(guān)注。

氣流干燥是FCC催化劑制備過程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品的灼燒減量有著直接的影響。氣流干燥尾氣經(jīng)過旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離得到成品后排入大氣，受旋風(fēng)分離器分離效率的限制，外排尾氣中仍含有部分催化劑顆粒物，且由于洗滌過濾過程中引入的銨鹽洗滌液，導(dǎo)致尾氣中含有一定量的氨。含有上述有害物質(zhì)的尾氣進(jìn)入大氣中，對環(huán)境造成污染、破壞生態(tài)平衡。因此，本文對氣流干燥尾氣處理技術(shù)進(jìn)行研究，以降低外排尾氣中顆粒物和氨含量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置為中國石化催化劑有限公司齊魯分公司半合成催化劑生產(chǎn)裝置。

1.1 氣流干燥尾氣組成分析

表1 氣流干燥尾氣組分

由表1可以看出，氣流干燥尾氣經(jīng)旋風(fēng)分離器除塵后，尾氣中的顆粒物和氨直接排放對環(huán)境污染較大。

1.2 濕法除塵工藝原理

本文所述濕法除塵工藝是指一級(jí)急冷+二級(jí)吸收工藝。

1.2.1 氣體吸收過程分析

研究發(fā)現(xiàn)，NH3氣體分子穿越氣液兩相界面進(jìn)入水中，同時(shí)進(jìn)入到水中的氣體分子也會(huì)有一部分返回氣相，傳質(zhì)過程初期氣體分子進(jìn)入液相的量大于液相中氣體分子的逸出量。隨著液相中溶解的氣體分子越多，濃度越大，氣體分子從液相逸出的速率也逐漸增大，直至最后，氣體分子從氣相進(jìn)入液相的速率等于從液相返回氣相的速率，此時(shí)氣體分子不再溶解進(jìn)入液相，溶液的濃度也不再變化，達(dá)到相平衡狀態(tài)。

1.2.2 粉塵捕集過程分析

濕法除塵通過液相捕集粉塵，主要有慣性碰撞、截留和布朗擴(kuò)散三種方式。根據(jù)氣液接觸方式和流速不同，這三種方式對粉塵捕集效率的貢獻(xiàn)也存在差異[2]。

圖1 含塵氣流與液滴相遇運(yùn)動(dòng)分布模擬圖

含塵氣流在運(yùn)動(dòng)過程中與液滴相遇，在液滴前一定距離處氣流開始改變方向，繞過液滴運(yùn)動(dòng)，而慣性較大的粉塵顆粒繼續(xù)保持其原來直線運(yùn)動(dòng)的趨勢。從氣流中脫離出來的粉塵顆粒主要受本身的慣性力和周圍氣體對它的阻力這兩個(gè)力支配。在阻力的作用下，粉塵顆粒最終將停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)粉塵顆粒與液滴碰撞時(shí)，若其能夠被液體潤濕，則可以進(jìn)入液體內(nèi)部，若不能被潤濕，則粘附在液滴的表面，如圖2所示。

圖2 粉塵潤濕與未潤濕對比圖

一般來說，粉塵的濕潤性越好，越容易被捕集。濕法除塵主要是利用了粉塵的潤濕性這一特點(diǎn)。粉塵的化學(xué)性質(zhì)、顆粒大小、帶電情況、溫度和接觸時(shí)間的長短等因素均對粉塵的潤濕性有影響。粉塵顆粒有較強(qiáng)的吸附能力，可以吸附空氣中的粒子在表面形成一層比較牢固的氣膜。特別是粒度較小的粉塵顆粒，具有較高的有效孔隙率、表面自由能和比表面積，因而其吸附能力更強(qiáng)、表面形成的氣膜更牢固，這對粉塵的潤濕十分不利，將極大影響粉塵捕集效率[3]。影響粉塵潤濕性的另外一個(gè)重要因素是懸浮于氣流中的粉塵質(zhì)量很小，與噴淋水霧滴接觸時(shí)，由于產(chǎn)生環(huán)繞作用使粉塵不易與水滴接觸。因此通過提高水滴的分布密度和粉塵與水滴相對運(yùn)動(dòng)的速度都可以改善水對粉塵的潤濕效果，從而提高粉塵捕集效率。

1.3 干法除塵工藝原理

圖3 脈沖式布袋除塵器結(jié)構(gòu)簡圖

本文所述干法除塵工藝是指脈沖式布袋除塵器(結(jié)構(gòu)圖見圖3)，具有處理能力大、性能穩(wěn)定且操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此選用脈沖式布袋除塵器對氣流尾氣進(jìn)行預(yù)除塵。

含粉塵顆粒的氣流干燥尾氣從底部進(jìn)入脈沖式布袋除塵器，受較大的箱內(nèi)截面積和變動(dòng)氣流的影響，部分大顆粒粉塵在慣性作用下下落從而被除去。氣流繼續(xù)上升到達(dá)箱體中的濾袋時(shí)，由于擴(kuò)散和篩分作用，粉塵在濾袋表面吸附聚集，從而實(shí)現(xiàn)對氣流干燥尾氣的預(yù)除塵[4]。濾袋表面吸附的粉塵顆粒通過反吹風(fēng)作用從濾袋脫下，收集后回用至催化劑生產(chǎn)裝置。

1.4 氣流干燥尾氣處理技術(shù)試驗(yàn)

根據(jù)氣流干燥工序的特點(diǎn)及濕法除塵工藝原理，采用一級(jí)急冷+二級(jí)吸收工藝技術(shù)對尾氣進(jìn)行處理，尾氣首先進(jìn)入急冷塔與霧化的軟化水接觸降溫，然后依次進(jìn)入一級(jí)和二級(jí)吸收塔，在吸收塔內(nèi)與噴淋水接觸，顆粒物遇到噴淋水形成的液滴或者液膜后，通過溶解、碰撞、擴(kuò)散和慣性攔截等作用留在液相得到捕集。

圖4 氣流干燥尾氣處理工藝流程簡圖

1.5 氣流干燥尾氣處理工藝改進(jìn)

隨著國家環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，單純通過噴淋水對尾氣進(jìn)行除塵，很難滿足環(huán)保要求。結(jié)合氣流干燥尾氣的特點(diǎn)，對尾氣處理系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在原有濕法處理工藝前，增加布袋除塵器進(jìn)行預(yù)除塵后再吸收處理。

1.5.1 干法加濕法相結(jié)合處理工藝

高溫氣流干燥尾氣經(jīng)過脈沖布袋除塵器初次凈化后，首先進(jìn)入急冷塔與霧化的軟化水接觸降溫，然后依次進(jìn)入一級(jí)和二級(jí)吸收塔，在吸收塔內(nèi)對尾氣中的粉塵和有害氣體進(jìn)行吸收處理。增加布袋除塵器后，氣流干燥尾氣實(shí)現(xiàn)了干法除塵(布袋除塵)和濕法吸收(一級(jí)急冷+二級(jí)吸收)相結(jié)合的處理方式，具體流程見圖5。

圖5 改進(jìn)后氣流干燥尾氣處理工藝流程簡圖

Fig.5 Diagram of the improved treatment process of waste gas generated by airflow drying

1.5.2 濕法除塵工藝流程優(yōu)化

采用干法和濕法相結(jié)合的尾氣處理工藝，可以實(shí)現(xiàn)尾氣粉塵含量低于地方政府的排放標(biāo)準(zhǔn)，但隨著地方政府對尾氣排放日趨嚴(yán)格，為了進(jìn)一步降低氣流干燥尾氣中的粉塵和有害氣體含量，在對濕法除塵機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，對其工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化。

優(yōu)化之后的尾氣吸收工藝流程如圖6。二級(jí)吸收塔頂部除塵水使用新鮮酸性水，將二級(jí)吸收塔除塵后的水部分進(jìn)行自循環(huán)除塵，部分打至一級(jí)吸收塔。除塵水通過一級(jí)吸收塔溢流至酸性水罐，沉降之后上層清液用于急冷塔除塵水。優(yōu)化之后的工藝流程，各級(jí)除塵水濃度形成梯度除塵，即二級(jí)塔<一級(jí)塔<急冷塔。氣流尾氣依次經(jīng)過急冷塔、一級(jí)和二級(jí)吸收塔處理后，尾氣中粉塵等物質(zhì)濃度依次降低，而所用除塵水濃度也依次降低，因而優(yōu)化后的工藝流程更有利于除塵水對尾氣中各物質(zhì)的吸收。

圖6 優(yōu)化后工藝流程簡圖

Fig.6 Diagram of the improved process

2 結(jié)果與討論

2.1 濕法除塵工藝處理尾氣

表2 濕法除塵工藝處理尾氣數(shù)據(jù)分析

由表2可以看出，尾氣經(jīng)一級(jí)急冷+二級(jí)吸收工藝處理后，顆粒物含量降至100 mg/m3左右。

2.2 干法加濕法除塵工藝處理尾氣

表3 干法加濕法處理尾氣數(shù)據(jù)分析

從表3中可以看出，增加布袋除塵器后，通過干法(布袋除塵)和濕法(一級(jí)急冷+二級(jí)吸收)相結(jié)合的處理方式，顆粒物含量顯著降低。

2.3 濕法工藝流程優(yōu)化后尾氣處理效果

通過對干法和濕法相結(jié)合處理方式中濕法流程的優(yōu)化，顆粒物含量有所降低，均值達(dá)到20 mg/m3以下，氨含量也有所減少。

表4 氣流干燥尾氣監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

(1)氣流干燥尾氣處理采用布袋除塵和一級(jí)急冷+二級(jí)吸收相結(jié)合的處理工藝，顆粒物含量顯著降低。

(2)通過對濕法除塵工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，尾氣吸收各級(jí)除塵水形成濃度梯度，有利于對顆粒物的捕集和NH3的吸收，進(jìn)一步降低了顆粒物含量。

[1]李豫晨,陸善祥. FCC催化劑失活與再生[J].工業(yè)催化,2006,24(11):26-30.

[2]李小川,胡亞飛.濕式除塵器綜合運(yùn)行參數(shù)的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào),2013,44(2):862-866.

[3]溫祿淳,劉邱祖.粒徑對礦井粉塵表面潤濕性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國粉體技術(shù),2015,21(4):99-102.

[4]高 輝,王永良.脈沖布袋除塵器和電袋除塵器的性能比較[J].工業(yè)技術(shù),2015(27):61-62.