汽提裝置污水罐尾氣治理方案研究

施敬慈 劉亞峰 潘榮建 謝開波

(鎮海石化工程股份有限公司,浙江 寧波 315042)

某煉廠共有3套酸性水汽提裝置,在生產過程中裝置含硫污水罐的罐頂尾氣經脫硫設施后直接高點排放,同時罐頂呼吸閥存在超壓后無組織排放的情況。含硫污水罐罐頂尾氣的污染成分主要為H2S和NH3,均為惡臭氣體,對廠區及周邊環境影響較大,且不符合目前的尾氣排放標準。為減輕裝置對周邊環境的影響,排除生產過程中的安全隱患,需要對該污水汽提裝置的含硫污水罐尾氣進行綜合治理,實現正常工況下的密閉回收,減少惡臭污染源的無組織排放。

1 裝置概況

原油經過常減壓裝置、催化裂化裝置、焦化裝置、加氫裝置的加工,產出各項中間產物和終端產品。在加工過程中,原油中的硫化物與氮化物也發生各項反應,最終轉化為H2S、NH3、二氧化硫、氮氧化物等。其中,氣相廢氣送往硫磺回收裝置處理,H2S和NH3等溶于水后的酸性水則進入酸性水汽提裝置。該部分污水在汽提裝置經過閃蒸脫氣后送入含硫污水罐,含硫污水罐內會產生以H2S、NH3為主的惡臭氣體。目前煉廠內的含硫污水罐僅設置單水封,當含硫污水罐內的壓力升高時,罐頂氣易突破罐頂呼吸閥逸散至大氣中,對廠區及周邊環境造成影響。尾氣經過尾氣吸收塔吸收后,去往硫磺裝置焚燒爐焚燒或直接經硫磺裝置煙囪放空,導致硫磺裝置煙氣排放硫體積分數超標且有惡臭氣體逸散。

綜上所述,為解決惡臭污染源的無序排放問題,需針對單水封易造成污水罐壓力不穩、惡臭氣體無法密閉處理的問題采取治理措施。因此,結合該煉廠實際生產狀況,采用“罐區微正壓密閉+脫臭反應器脫臭+脫液罐脫液+低壓瓦斯管網回收”的技術方案,以達到治理污水罐尾氣隱患的目的[1]。

2 尾氣治理方案基礎數據

3套酸性水汽提裝置共有含硫污水罐8個,1#酸性水汽提裝置有4個含硫污水罐,分別為V101A/B(單罐容量2 000 m3)、V102A/B(單罐容量1 000 m3);2#酸性水汽提裝置有2個含硫污水罐,分別為V201(罐容5 000 m3)、V202(罐容10 000 m3);3#酸性水汽提裝置有1個含硫污水罐,V301(5 000 m3)。

上述含硫污水罐的基礎參數為：(1)含硫污水罐的介質為含硫污水、H2S、NH3、甲基二乙醇胺、輕污油、烴、焦粉、氮氣;(2)操作溫度為50 ℃;(3)主要操作條件,氮氣源壓力為1.0 MPa,含硫污水進罐壓力為0.3 MPa,罐頂尾氣排放壓力為1.5 kPa。

通過對煉廠內上述8個含硫污水罐的罐頂尾氣組成以及尾氣流量階段性的監測,可以得知含硫污水罐罐頂尾氣中主要的惡臭氣體H2S的體積分數為1.5%,NH3體積分數為1%,尾氣流量約7.6 m3/min。含硫污水罐罐頂尾氣的組成和流量等參數見表1。

表1 含硫污水罐罐頂尾氣參數

3 含硫污水罐頂尾氣治理方案工藝流程及工作原理

對該煉廠內3套污水汽提裝置的含硫污水罐尾氣進行綜合治理,污水罐罐頂設置正負水封,罐頂尾氣通過微正壓水封后進入脫臭反應器進行脫硫除臭,除臭后的尾氣進入低壓瓦斯系統,實現正常工況下的密閉回收,有效減少惡臭污染源的無組織排放。

3.1 尾氣脫硫部分

因該煉廠的3套酸性水汽提裝置改造方案一致,所以在此以1#酸性水汽提裝置的尾氣處理為例進行方案描述。含硫污水罐V101A/B、V102A/B罐頂原設有氮氣調節閥及水封罐調節罐頂壓力,現將單水封改為正負壓水封罐(V-105A、V-105B)。水封結構詳見圖1。

正負壓水封運行原理為：當含硫污水罐具有較高壓力時,尾氣能夠突破正壓水封,進入尾氣吸收塔,進行正常脫硫處理;異常工況下,含硫污水罐產生負壓時,空氣可以對負壓水封進行突破。兩個水封配合使用,可以保證尾氣系統中的壓力始終較為穩定[2]。突破正壓水封的罐頂尾氣進入尾氣吸收塔T-101,與來自塔頂的N-甲基二乙醇胺(MDEA)溶液逆流接觸脫除H2S組分,脫硫后的脫后尾氣去往脫臭反應器R-101,詳見圖2。

圖2 尾氣脫硫部分工藝流程

3.2 尾氣脫臭及排放部分

脫臭反應器R-101進氣口設有壓力變送器PT-101,當該壓力變送器檢測到進氣壓力達到啟動壓力后,聯鎖啟動脫臭反應器。脫臭反應器啟動后在反應器內部產生負壓,脫后尾氣憑借壓差進入反應器,隨后尾氣以微納米氣泡形式與吸收液進行充分反應。反應后,脫除了污染物的凈化尾氣經反應器的排出口離開反應器。

脫臭反應器出口設置氧含量分析儀AT-101,對出反應器的凈化尾氣進行檢測報警。脫臭反應器R-101啟動后,如凈化尾氣中氧體積分數不大于1%,反應器至低壓瓦斯管網的管線上的切斷閥XV-1001開啟,反應器至煙囪的管線上的切斷閥XV-1002保持關閉,凈化尾氣排入低壓瓦斯管網;如反應器啟動后凈化尾氣中氧體積分數大于1%,XV-1001保持關閉,XV-1002開啟,凈化尾氣排入硫磺聯合裝置的煙囪進行高空排放,詳見圖3。

圖3 尾氣脫臭部分工藝流程

脫臭反應器采用超重力反應器形式,由殼體和氣液混合器兩部分組成。反應器殼體為臥式,內部充裝吸收液。氣液混合器由防爆電機、傳動機構、進氣通道及氣液分散單元等組成。

氣液分散單元在電機驅動下,依靠轉子內產生的高速離心液體流吸入氣體,并通過離心液體流及定子整流破泡機構的二次分割,將氣體以微納米級氣泡均勻分散于液體中,形成乳狀氣液混合物,使氣液兩相發生高效混合、快速傳質與化學反應,氣體中的污染物被液體捕集、吸收并發生反應轉化為無害化產物,從而達到廢氣處理的目的。

處理后的氣體從反應器頂部排出,整套設備由可編程邏輯控制器(PLC)自控系統進行控制[3]。

氣體以微納米級氣泡形式與液相均勻混合并反應的優點包括：氣液接觸面積大、相界面更新快、傳質效率高;微氣泡內的物質總量少,吸收及化學反應可在瞬間完成,能夠獲得高轉化率和高凈化效率,并能處理高濃度氣體;超重力反應器不僅能自吸氣體,還能夠產生一定壓力,可以將處理后的氣體送至所要到達的排放點。設備運行過程中,可以通過變頻器調整反應器轉數、氣量和系統壓力等,能適應氣量變化,保證儲罐安全,并達到節能目的,同時整套系統也能通過DCS進行自動控制。

根據廢氣組成及處理目標,采用優化配方的吸收液,能夠同時去除廢氣中的H2S、硫醇、硫醚、COS、二硫化物、NH3及有機胺等污染物,吸收液的主要成分是堿、氧化劑和催化劑。H2S最終轉化為硫代硫酸鹽、硫酸鹽,硫醇、硫醚及二硫化物等有機硫轉化為磺酸鹽,氨類化合物轉化為氮氣或無毒的液體化合物。脫臭反應器的吸收液通過便攜氣動泵P-102間歇加入,單批次吸收液設計使用周期為6個月。實際操作過程中,吸收液的更換周期需根據反應器對尾氣的脫臭效果以及吸收液的采樣濃度綜合確定。脫臭反應器更換吸收液時,外排的廢劑同樣通過便攜氣動泵P-102從排液口通過含油污水管網送入管網末端的污水緩沖罐,由酸性水汽提裝置進行處理。

除吸收液外,脫臭反應器在操作過程中還需要進行間歇性補水,以補充吸收液中蒸發的水分,蒸發的水分過多會造成吸收液總量減少,影響反應器的脫臭能力。所以,脫臭反應器設置了液位低報警,根據液位變化及時向反應器中補充凈化水。凈化水通過凈化水泵P-103加入反應器進行補水。

3.3 尾氣排放輔助設施部分

脫臭反應器運行時出口壓力會有波動,低壓瓦斯管網也存在工作壓力升高至50 kPa的情況,所以需要采取輔助措施保證凈化尾氣的順利排放。所以切斷閥XV-1001和XV-1002需選用有調節能力的開關閥,以便在壓力低時調節閥門開度。

本項目中,脫臭反應器設計壓力為25 kPa。煉廠的低壓瓦斯管網在正常生產時其壓力為2～5 kPa,最高壓力為50 kPa。在正常工況下,脫臭反應器出口的凈化尾氣不需提壓,可直接利用壓差送入低壓瓦斯管網。當煉廠內的低壓瓦斯管網壓力升高,凈化尾氣壓力與低壓瓦斯管網壓差不足時,啟動尾氣增壓機,將罐頂尾氣提壓至70 kPa后送入低壓瓦斯管網。尾氣增壓機采用水環增壓機形式。

3.4 新增設備匯總(以1#酸性水汽提裝置為例)

1#酸性水汽提裝置的新增設備見表2所示。

表2 1#酸性水汽提裝置新增設備

4 改造效果分析

4.1 環境效益

項目產生的廢氣(罐頂氣)和廢水(吸收液)均有合理的去處,無二次污染。

(1)罐頂氣處理后,氧體積分數不大于1%時進入低壓瓦斯管網,處理過程完全封閉,不向外界排放氣體;當氧體積分數大于1%時進入硫磺煙囪進行高空排放,排放氣體滿足《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—1993)的要求。

(2)吸收液由水、氫氧化鈉、氧化劑等組成。當氧化劑耗盡后,吸收過程變為堿液吸收,此時吸收液性質與液態烴堿渣或汽油堿渣相類似,并含有一定堿度,作廢后的吸收液可送至堿渣罐一并處理。吸收液更換周期為6個月,實際使用中,當排氣中的H2S超標即需更換吸收液。

(3)防爆電機(運行時負荷僅幾千瓦)的電磁噪聲和脫臭反應器轉動部分的噪聲小于85 dB,完全滿足《工業企業噪聲控制設計規范》(GB/T 50087—2013)的要求。

4.2 改造方案的優勢

“罐區微正壓密閉+脫臭反應器脫臭+脫液罐脫液+低壓瓦斯管網回收”技術方案具有以下優點：(1)工藝流程簡單,不需要循環泵、貯液罐等附屬設備,脫臭反應器單機即可完成引氣、氣液混合及化學反應等過程,占地面積少,減少了后續處理設施的投資和操作費用;(2)處理過程以液體為連續相,氣體以微納米氣泡形式與液體均勻混合與分散,氣液接觸面積大,相界面更新快,傳質速度快,凈化效果好,能夠處理高濃度廢氣,并適應濃度變化。

5 結語

隨著國家環保法規的日益嚴格,社會對工廠環保的要求不斷提高,汽提工藝也得到了廣泛應用和發展。在汽提裝置中,如果罐頂氣直接排入大氣中,勢必會污染空氣,這就要求在生產過程中,罐頂氣必須密閉回收而不是直排大氣。文章針對污水罐尾氣隱患治理提出的方案可操作性強,能夠達到消除隱患的目的,對于環境保護的意義較為深遠。