文氏棒塔及其在炼油厂烟气脱硫工程中的示范应用

摘要：本文介绍文氏棒塔烟气脱硫的技术原理、特点以及在炼油厂35吨/小时燃煤锅炉和120万吨/年催化裂化装置再生烟气脱硫工程中的应用。实验室模型试验及数值模拟研究表明，烟气与喷淋液在文氏棒层接触产生强烈的泡沫湍流液层，使传统喷淋塔中的“气包液”式气液接触转变为“液包气”式接触，从而显著提高气液传质（传热）效率，并且文氏棒层压降相对较低。此外，文氏棒层可有效改善塔内烟气分布不均匀性、有较好的“自清洁”作用。工业应用表明，文氏棒塔脱硫效率高、阻力小、装置运行稳定，操作液气比小，运行费用低。

催化裂化是现代炼油工业的核心工艺之一，在原料油深度加工，提高轻质油收率方面一直发挥了非常重要的作用。随着国家环保新法规的颁布与执行，炼油厂催化裂化等装置烟气的脱硫除尘脱硝及重金属治理已经成为当前炼厂持续发展面临的一个重要问题[1]。降低炼厂催化裂化装置烟气污染物排放的途径通常有三条:(1)原料油加氢脱硫脱氮，(2)使用硫/氮转移剂，(3)烟气脱硫脱氮；但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、对烟气硫含量高低的适应性好等特点，几乎成为目前催化裂化烟气脱硫工程中唯一工业化使用的技术。烟气洗涤塔是湿法烟气脱硫装置的核心设备，脱硫效率和能耗是决定脱硫塔应用的主要因素。早期的填料塔气液传质效率高，但阻力较大，易结垢堵塞，影响装置稳定运行；喷淋空塔因有压降低和不易堵塞等特点而得到广泛应用，成为湿法烟气脱硫工艺的主流塔型，但喷淋空塔存在烟气进塔分布不均、气体易形成短路流、脱硫效率不够高或操作液气比大、运行费用高等缺陷。因此，面对越来越严的环保标准排放要求，强化脱硫塔内气液接触，提高脱硫脱尘效率是当前众多烟气脱硫装置的迫切需求。

中国石油大学（北京）是国内最早开展催化裂化烟气脱硫技术研究的机构之一，从2002年就针对催化裂化烟气脱硫问题进行了研究，研究过气液逆喷动力波洗涤、多通道文丘里管进口循环流化床、湍球塔、文氏棒栅塔等脱硫塔设备[2-6]，提出了文氏棒喷淋塔和文氏棒液柱塔两种高效低阻的新型烟气洗涤吸收塔专利[7-8]。通过十多年的研究发现，文丘里棒栅是现有强化烟气脱硫塔脱硫除尘效果的内构件中最为理想的一种。在传统喷淋空塔的烟气上行通道中添加一层或几层文丘里棒栅作为强化内构件，不仅有压降不高、不易结垢堵塞、运行稳定的优点，同时还可保持较低的操作液气比和较高的脱硫效率与除尘效率，装置投资和运行费用均低于同类脱硫塔。

本文主要介绍文氏棒塔的技术原理及性能特点，以及在炼油厂35吨/小时燃煤锅炉和120万吨/年催化裂化装置再生烟气脱硫工程中的应用，为我国现有湿法烟气脱硫塔的升级提效改造和新上烟气脱硫塔设计提供了一种新的技术选择与参考。

1.文氏棒栅提高传统喷淋塔脱硫效率的技术原理

传统的喷淋空塔内，脱硫吸收液经由喷嘴喷洒分散到上升的烟气中，即所谓的“气包液”式接触。喷洒的液滴会存在分布不均，这就需要增加液体喷洒对塔截面的覆盖。即使液滴分布覆盖较均匀，烟气脱硫吸收过程中，由喷嘴喷出的吸收液在流动的高温烟气的作用下，吸收液表面形成了复杂的物理和化学反应，一方面，液滴表面的水吸收烟气中的SO2，SO2由液滴表面向内扩散，形成外高内低的SO2浓度梯度；另一方面，吸收过程中，液滴表面的水分逐渐蒸发减少，而表面的SO2的浓度逐步升高，液滴逐步饱和，吸收反应过程趋于停止。同时液滴在下降过程中相互碰撞，小液滴变为大液滴，减少了吸收表面。这个过程的综合结果是液滴离开喷头在下落过程中，吸收速度逐渐变慢，这也是空塔喷淋要获得高脱硫率就需要采用大液气比的原因。

在喷淋塔内设置文氏棒栅后，数个棒缝形成数个截面减缩渐扩的文丘里流通通道，如图1所示。当烟气和液体通过棒栅层时，产生文丘里过流效应，可改善烟气分布的不均匀性。在合适的操作液气比下，在文氏棒层上方形成高速湍动的液体鼓泡薄层。在这个液体湍流层内，吸收液被高速向上的气流击碎，产生新的传质表面，极大地增加了气液两相之间的传质和传热表面；烟气通过文丘里层时，以“液体包围气体”的鼓泡传质过程，避免了气体短路，提高了传质效率。减小文氏棒间距还可增加文氏棒层上湍流液层的高度，便可在较低的液气比下达到较高的脱硫除尘效率，而气体阻力增加并不多，从而达到了高效、低耗。即在气液吸收塔内设置文丘里棒层，将文丘里棒与空塔喷淋技术有机结合，使新的文氏棒塔既具有喷淋空塔压降低的好处也有填料塔气液分布好、鼓泡塔“液包气”传热传质推动力大、脱硫效率高的特点，同时由于气液流经文氏棒层所产生的文丘里过流效应，强烈的气液湍动、冲刷，不但增加气液传质、提高吸收效果、降低操作液气比；还具有“自清洁”作用、显著降低吸收塔内结垢堵塞风险。