活性焦脫硫在催化裂化煙氣凈化中的應用

樊騰飛，邢德山，孟春強，谷建功

（國電科學技術研究院清潔高效燃煤發電與污染控制國家重點實驗室，南京 210031）

引言

催化裂化是重油輕質化和改質的重要手段，是當今石油煉制的核心工藝之一。催化裂化生產過程中排放的煙氣中含有大量的硫氧化物（SOx），已經成為重要的大氣污染源[1]。隨著我國對能源的需求愈來愈旺盛，高硫重質原油加工煉制比例不斷增加，SOx排放量越來越大；另一方面，國家對包括催化裂化裝置在內的各種工業設施的氣體污染物排放量的限制日趨嚴格，因此催化裂化煙氣的脫硫任務十分緊迫。

石油煉制過程催化裂化煙氣主要來源于再生器中的燒焦過程[2]，產生的煙氣具有如下特點：1）煙氣中的SOx等污染物濃度范圍較寬，極端情況下濃度較高，一般為700～4500mg/Nm3；2）催化裂化裝置的余熱鍋爐或一氧化碳焚燒爐需定期吹灰，導致進入煙氣脫硫裝置時煙氣中顆粒物濃度增加，吹灰時最大濃度可達到3000～4000mg/Nm3。

現有石油煉制過程催化裂化煙氣脫硫多采用濕法工藝，存在耗水量大、易產生二次污染、國外專利許可費用高昂、運行設備腐蝕嚴重等問題[3、4]。活性焦吸附脫硫工藝是一種基本不耗水、無二次污染的先進高效干法脫硫工藝，在冶金、電力等行業的煙氣凈化中已有工程應用[5～8]。本文從技術原理、工藝流程和工藝特點等方面對活性焦吸附脫硫工藝進行了闡述，希望為其未來在石化行業催化裂化煙氣凈化領域的推廣應用提供借鑒。

1 活性焦吸附脫硫工藝反應機理

活性焦吸附脫硫是一種脫硫效率高、脫硫過程不產生廢氣廢水廢渣排放、可實現硫資源化利用的先進干法脫硫工藝。含硫煙氣在穿過吸附塔時被緩慢向下移動的活性焦床層吸附SO2而得到凈化，吸附后的活性焦通過在脫附塔中將所吸附的SO2析出而恢復吸附能力，析出的高濃度SO2氣體在后續流程中得到資源化利用。其反應機理如下。

1.1 吸附脫硫反應機理

通過脫硫吸附塔內活性焦表面的物理吸附和化學吸附過程，煙氣中的SO2轉變為H2SO4儲存在活性焦微孔中，發生的反應如下（*表示吸附態）：

1.2 脫附再生反應機理

在脫附再生塔，吸附飽和的活性焦被加熱至400℃以上，釋放出SO2，活性焦表面碳元素參與反應如下

（*表示吸附態）：

2 活性焦吸附脫硫工藝系統

活性焦煙氣脫硫工藝系統主要由煙氣吸附脫硫系統、活性焦輸運系統、活性焦脫附再生系統組成，如圖1所示。

圖1 活性焦吸附脫硫工藝流程圖

含硫煙氣經增壓風機升壓后通過吸附塔活性焦床層，SO2等污染物被吸附凈化，處理后的潔凈煙氣送往煙囪排放；吸附多種污染物后趨于飽和的活性焦從吸附塔底部排出，由輸運系統送到脫附再生塔加熱再生，再生活性焦經冷卻、篩分和補充新鮮活性焦后再次被輸運至吸附塔循環利用；活性焦加熱再生時釋放出的高濃度SO2氣體在下游的硫資源化利用系統被加工成硫酸、硫磺等多種產品，實現污染物的資源化利用。重金屬、二英等污染物一部分沉積在循環活性焦顆粒內，一部分隨活性焦粉末被篩分排出，在污染物積累量較多后進行沉淀或深埋，實現無害化處理。

2.1 煙氣吸附脫硫系統

利用增壓風機將煙氣引至吸附塔，吸附SO2后，凈化后的煙氣通過煙囪排入大氣，如圖2所示。

實際應用中根據煙氣量狀況，吸附塔可采用多塔并聯或串聯運行方式，活性焦從上向下緩慢移動，煙氣錯流或逆流穿過活性焦床層完成吸附凈化。活性焦床層本身有一定的吸附除塵作用，但過多的煙塵會堵塞活性焦孔隙，造成吸附凈化效率損失。實際應用中，在活性焦吸附脫硫裝置和上游布置的除塵裝置共同作用下，可實現煙塵的高效脫除。為提高凈化效率降低活性焦磨損，可在吸附塔內沿煙氣流動方向設置多個吸附倉[9]，各倉內活性焦移動速度分別通過各倉底部的輥式下料機調節。針對催化裂化煙氣中SO2濃度范圍較大、極端工況下濃度較高的特點，通過加大前倉、中倉內活性焦流量就可以方便地降低SO2濃度波動的影響。

圖2 活性焦吸附脫硫系統

2.2 活性焦輸運系統

活性焦輸運系統主要由活性焦儲倉、給料閥、水平輸送機、提升機、振蕩篩和控制系統等組成（如圖3所示）。通過輸運系統，活性焦在吸附塔和脫附再生塔之間循環利用，磨損的細小顆粒活性焦在振蕩篩被除去后補充新鮮活性焦，以保持系統內活性焦優良的吸附性能。

圖3 活性焦輸運系統

2.3 活性焦脫附再生系統

活性焦脫附再生塔主要由加熱段、過渡抽氣段和冷卻段組成，自上而下連接而成。加熱段和冷卻段采用管殼式換熱器形式，活性焦在加熱段管程內被加熱至400℃以上完成脫附，在冷卻段管程內被冷卻至130℃以下排出，可避免高溫活性焦與空氣接觸引發著火風險。加熱和冷卻的熱源和介質可根據現場工藝條件選用電加熱、蒸汽加熱、空氣循環、水循環等方式。脫附再生塔管程同時通入N2，攜帶活性焦高溫解析出的SO2氣體從過渡抽氣段排出塔外。高濃度SO2氣體被輸送至下游開發成硫磺、硫酸等副產品，實現污染物SO2的資源化利用，提高工藝的運行效益，如圖4所示。

圖4 活性焦脫附再生系統

2.4 工藝特點

（1）節水：脫硫過程基本不消耗水，特別適合在半干旱、干旱等地區應用。

（2）對SO2濃度變化不敏感，可方便地實現變工況變負荷調節。

（3）硫資源化利用程度高：脫硫副產品是高濃度SO2，可采用成熟工藝制成濃硫酸、硫磺等高附加值產品。

（4）無二次污染：脫硫過程無廢氣、廢水、廢渣排放，無二次污染產生。

（6）系統運行可靠：脫硫過程煙氣溫度不降低，下游設備腐蝕減輕，系統運行穩定可靠。

3 結語

經過數十年發展，國外活性焦吸附脫硫工藝已應用于600MW燃煤機組煙氣脫硫，國內的鋼鐵冶金和垃圾焚燒行業也已有穩定的運行業績[5、10]，這表明活性焦吸附脫硫工藝是可行的。通過流程優化和運行調節，活性焦脫硫工藝可解決催化裂化煙氣SO2濃度波動大、煙塵濃度大等問題，同時還有節水、無二次污染、硫資源化利用等優點。

將活性焦吸附脫硫工藝應用于催化裂化裝置煙氣凈化還有很多工作要做：一方面需推進工藝優化和相關技術設備國產化進程，降低工程投資、活性焦損耗和運行能耗；另一方面，要針對催化裂化裝置的特點，綜合考慮對上游的催化煙氣、余熱鍋爐和下游的硫資源化利用裝置的影響，形成催化裂化裝置、活性焦吸附脫硫裝置、硫資源化利用裝置的一體化解決方案。

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