煉油廠重污油脫水工藝選擇與優化設計

王裴生，王 榮

(1 山東三維石化工程股份有限公司，山東 淄博 255434；2 中國石化集團股份有限公司齊魯分公司，山東 淄博 255434)

煉油廠含油污水直接排放已不滿足當今的環保要求，回收污水中的重污油既可降低對環境的污染，又可增加企業附加值。為此煉油廠都增設了撇油設施，對含油污水進行預處理，同時濃縮污油。關于回收污油的回煉方法，目前國內各企事業單位有很多相關研究報導，要么直接送至常減壓裝置電脫鹽入口，要么在延遲焦化裝置的各個位置進行選擇性注入。由于產生的污油含水質量分數高達10%～50%，且存在乳化現象，而水的氣化體積非常大，直接回煉影響接收裝置的正常操作。如何進行深度脫水是個較困難的問題，實踐證明，負壓閃蒸脫水工藝是可行的。本文通過重污油的來源、性質、回煉要求及回煉工藝對比，闡述了負壓閃蒸脫水工藝的優勢及適用條件。煉油廠重污油組成復雜，且乳化嚴重，通過標定生產實踐提出幾點建議供設計參考。

1 煉油廠重污油的來源

煉油廠在正常生產操作和開停工過程中，不可避免的產生含油污水，主要來自于常減壓蒸餾裝置的電脫鹽切水、設備檢修沖洗水、加氫裂化、加氫精制等裝置的過濾器切換清網、油品灌區沉降切水、各個裝置的操作波動調整排水、化驗分析設備的排污、設備密封間隙的跑、冒、滴、漏以及地面清洗等各個環節排水，各種含油污水的排放經含油污水系統匯集、隔油、浮選、聚集之后的污油俗稱重污油[1]。

2 重污油的性質

煉油廠重污油因產生的部位較多，組成較為復雜，從較輕的汽油餾分到較重的渣油餾分都會出現，而從常、減壓裝置電脫鹽切水排出的原油占比較大，經長時間沉降的重污油具有含水高，含水質量分數高達10%～50%，乳化嚴重，W/O和O/W型乳化液共存，含鹽、含膠質、瀝青質、雜質含量高以及老化程度嚴重等特點[2]。

3 重污油的回煉要求

目前我國各煉油廠嘗試了多種重污油回煉方案，雖然實現了重污油回煉，但都存在著諸多問題[3]，主要表現為重污油的水含量高，易導致接收裝置操作波動，造成相應經濟損失，增加作業強度和操作風險，下面列出幾個目前國內比較典型的回煉方案[4]及其存在的問題見表1。

表1 重污油回煉方案及目前存在的問題

綜上所述，造成重污油回煉困難最主要的因素就是水含量高，對重污油進行脫水，是解決重污油安全、平穩回煉的首要問題。

4 脫水工藝選擇與設計建議

4.1 脫水工藝的選擇

目前重污油的脫水方法主要有重力分離法，離心分離法，電場脫水法和閃蒸脫水法[5]。

4.1.1 重力分離法

當油、水的相對密度不同時，組成一定的油水混合物在一定的壓力和溫度下達到相平衡狀態，根據斯托克斯公式的運動規律，相對較輕的組分上移，相對較重的組分下移，體系形成油相、水兩相，達到油水分離的目的。

4.1.2 離心分離法

當油、水相對密度不同時，使組成一定的油水混合物在離心機作用下高速旋轉，產生不同的離心力，由于離心設備可以達到非常高的轉速，產生高達幾百倍重力加速度的離心力，將油水分離開。

4.1.3 電場脫水法

電場脫水法的基本原理是利用水是導體，油是絕緣體這一物理特性，將W/O型原油乳狀液置于電場中，乳狀液中的水滴在電場作用下發生變形、聚結而形成大水滴從油中分離出來。

4.1.4 閃蒸脫水法

與原油穩定工藝類似[6]，含水重污油經過加熱，在一定溫度壓力下，使水及以下輕組分發生汽(氣)化后，經分離器一次閃蒸的過程，達到氣液分離的目的，脫除原料中的水。

4.1.5 重污油脫水工藝的選擇

對比不同脫水工藝方法，重力分離法雖是最簡單的脫水工藝，只需設置一個沉降罐提供足夠長的沉降時間即可，但該方法不適用于乳化液的油水分離。如果配比破乳劑，因煉廠重污油水含量占比很大，破乳劑消耗大，實踐證明，即使增加破乳劑，煉油廠的重污油脫水效果也不是很理想。煉油廠的重污油中很大一部分來自常減壓裝置電脫鹽系統乳化油，在破乳劑作用下很難破乳和脫水；

離心分離脫水工藝屬于機械式分離，需要提供足夠的動力，流程復雜，能耗高，一次投入高，對乳化液的油水分離效果有限；

電場脫水工藝類似常減壓裝置電脫鹽設施，不但產生較高的能耗和投資，而且很難處理來自常減壓裝置電脫鹽切出的乳化重污油；

閃蒸脫水工藝與油氣田的原油穩定工藝類似，通過預熱原料，使原料中的水及輕組分氣化，在閃蒸塔中進行一次分離即可達到脫水的目的。O/W型乳化液在水汽化過程中水相蒸發，油相落入塔底，水相汽化上移。W/O型乳化液首選在相界面內部受熱氣化，當蒸汽壓達到一定高度后沖破油水界面張力作用，水蒸氣上移，油相落入塔底，因此該工藝即適用與O/W型乳化液，又適用于W/O型乳化液。該工藝流程簡單，重污油脫水指標可以達到含水質量分數3 ‰以下。該方案由于能耗較其他方案偏高，對于熱量過剩的煉廠，優勢更為明顯，負壓閃蒸脫水工藝系統流程見圖1。

圖1 閃蒸脫水工藝系統流程

4.2 設計建議

4.2.1 閃蒸溫度需要30 ℃左右的過熱

應用PRO/II流程模擬軟件的立方型狀態方程(PR方程)，熱力學計算選用SIMSCI默認算法，傳遞性質計算選用軟件自帶石油關聯包，液相粘度采用API標準算法，對閃蒸脫水系統進行物料及能量平衡計算，為充分利用廠區現有低溫熱，閃蒸系統采用負壓操作，操作壓力設定30 kPaA，計算的加熱負荷-脫水指標-操作溫度見圖2，操作加熱負荷-脫水指標-操作溫度見圖3。

圖2 計算的加熱負荷-脫水指標-操作溫度關聯圖

圖3 實際的加熱負荷-脫水指標-操作溫度關聯

由圖2和圖3可知，當產品含水質量分數達到3‰時，計算操作溫度68.5 ℃，實際操作溫度需要98 ℃，比計算溫度高出29.5 ℃，導致該現象的主要原因是由于煉油廠的重污油中，不僅含有水包油型乳化液，還有油包水型乳化液，而油包水型乳化液的表面存在油水界面張力，油膜內部的水汽化需要克服界面張力的束縛才能脫除。

4.2.2 減壓塔的配置

由閃蒸脫水的目的決定了該塔主要控制指標為塔底輕關鍵組分H2O的含量，通過一次相平衡即可實現，但在實際工程設計中，建議在塔的進料下部增設3～5層擋板，目的在于當進料中的液滴進入塔內，受重力作用加速下移，當油包水型乳化液快速撞向擋板的瞬間發生形變破裂，降低界面張力，迫使油膜內的水蒸氣逃逸并上升，起到進一步脫水的作用。

4.2.3 機泵的備用

煉油廠重污油含水量在10%～50%左右變化，同一儲罐，上部與下部含水量差別也較大，好在該變化是呈線性的，在實際生產過程中，塔頂的水量和塔底油油量均會隨原料組成逐漸發生變化，因此，在設計過程中應考慮泵的備用問題，不一定是同規模兩臺泵一開一備方案，要綜合考慮罐區污油罐的生產操作方案。

4.2.4 設備布置

閃蒸塔進料線為氣液兩相流，為避免管線震動，進料預熱流程的最后一級加熱器應與閃蒸塔進料口盡可能近，使最后一級加熱器的出口管線至塔的距離最短，并做好應力分析。

4.2.5 管徑設計

由于煉油廠重污油介質來源廣，組成復雜，且含有泥沙，脫水塔的進料線為氣液兩相流，流速不宜過快，不宜大于15 m/s，防止發生沖刷腐蝕。

5 結 論

通過對多種重污油脫水工藝在原料組成、脫水效果、投資等方面進行對比，認為負壓閃蒸工藝處理煉油廠重污油是可行的。

由于PROII流程模擬軟件對界面張力計算存在一定偏差，計算的平衡溫度較實際操作低30 ℃左右，建議在設計階段適當提高設備、設施的設計溫度。

本文給出了一些設計建議，供新建裝置在設計時參考，包括減壓塔的擋板配置、機泵的備用原則及設備布置及管徑設計等。