天然氣凈化行業(yè)首套CANSOLV尾氣處理裝置水平衡探討

羅東 雷恒 賴兵 汪年斌 羅斌 張軍 鄧翔宇 伍強

（西南油氣田分公司天然氣凈化總廠）

安岳凈化公司Ⅰ、Ⅱ列主體裝置分別于2019年10 月和12 月投產(chǎn)，單列設(shè)計日處理原料氣600×104m3，每列單獨設(shè)有一套與之相匹配的CANSOLV尾氣處理裝置，設(shè)計處理煙氣6×106m3/h，設(shè)計尾氣SO2排放濃度小于或等于400 mg/m3。

1 工藝流程簡介

硫黃回收裝置來的克勞斯尾氣、液硫池廢氣，以及脫水裝置TEG 廢氣分別引入CANSOLV 尾氣處理裝置焚燒爐高溫焚燒后，進入文丘里組合塔被酸水冷卻，煙氣溫度從245 ℃降至55 ℃以下，然后經(jīng)過濕式電除霧器除酸霧后，煙氣進入SO2吸收塔脫除SO2，再被加熱后從尾氣煙囪排放[1-2]。

CANSOLV 尾氣處理裝置在運行過程中，文丘里組合塔產(chǎn)生的酸水（主要成分：H2SO4和H2SO3）和胺液凈化撬（APU）產(chǎn)生的沖洗廢水（主要成分：NaOH、Na2SO4和Na2SO3）全部排入中和罐，在中和罐內(nèi)被堿液中和后泵送至污水處理裝置（催化氧化裝置、生產(chǎn)廢水處理裝置、蒸發(fā)結(jié)晶裝置）生成淡水和粗鹽[3]。CANSOLV尾氣處理裝置流程圖見圖1。

圖1 CANSOLV尾氣處理流程

2 生產(chǎn)廢水產(chǎn)生情況

自安岳凈化公司CANSOLV 尾氣處理裝置投產(chǎn)以來，單套尾氣處理裝置設(shè)計廢水總產(chǎn)生量為127 m3/d，實際生產(chǎn)過程中廢水產(chǎn)生量約為180 m3/d。安岳凈化公司生產(chǎn)廢水處理裝置處理能力為1 250 m3/d，對裝置進行水平衡計算，發(fā)現(xiàn)裝置生產(chǎn)廢水實際產(chǎn)生量約1 261 m3/d，其中兩套CANSOLV尾氣處理裝置產(chǎn)生的廢水量約350 m3/d，占生產(chǎn)廢水總產(chǎn)生量的28%左右，為重要來源之一。安岳凈化公司裝置水平衡結(jié)果見圖2。

圖2 安岳凈化公司裝置水平衡結(jié)果

生產(chǎn)廢水產(chǎn)生量超設(shè)計處理量，處理不及時，導(dǎo)致生產(chǎn)廢水調(diào)節(jié)池長期處于滿液位，不僅限制CANSOLV 尾氣處理裝置APU 運行頻次，導(dǎo)致胺液中HSS含量長期超標(biāo)，還容易出現(xiàn)生產(chǎn)廢水調(diào)節(jié)池污水外溢，造成環(huán)保事故。

3 生產(chǎn)廢水來源分析

CANSOLV 尾氣處理裝置廢水產(chǎn)生來源有三個：文丘里組合塔酸水、APU廢水、電除霧器沖洗水。單套尾氣處理裝置廢水產(chǎn)生量見表1。

表1 單套尾氣處理裝置廢水產(chǎn)生量

其中，文丘里組合塔酸水產(chǎn)生量與煙氣溫度直接相關(guān)，煙氣設(shè)計溫度小于或等于55 ℃，煙氣溫度越高，酸水被煙氣帶走越多，排放至中和罐的則越少，目前煙氣溫度控制在42～45 ℃。APU設(shè)計運行頻次為8 次/d，目前每天啟運頻次約10～11 次。電除霧器沖洗水量與沖洗時間和頻次相關(guān)，廠家建議每次沖洗時間5～10 min，1～2 天沖洗一次，當(dāng)前沖洗時間為9～10 min/次，每天沖洗一次。

4 優(yōu)化測試

4.1 提高煙氣溫度

將煙氣出文丘里組合塔溫度從35 ℃緩慢升至55 ℃，每次提升1 ℃，穩(wěn)定運行觀察1天。在提高煙氣溫度期間，主要觀察文丘里組合塔的廢水排放流量、煙氣加熱器進口端管箱底部凝液排放流量、廢水調(diào)節(jié)池溫度，以及尾氣SO2排放濃度。煙氣溫度和廢水排放測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 煙氣溫度和廢水排放測試數(shù)據(jù)

通過提高煙氣溫度測試，得出如下結(jié)論：

1）隨著煙氣溫度升高，尾氣處理裝置文丘里組合塔廢水產(chǎn)生量明顯下降，減少的水分隨煙氣被帶至煙氣加熱器進口端排液設(shè)施排放，還有部分通過煙囪排放至大氣。

2）整個調(diào)整過程，尾氣SO2排放濃度波動較小，且排放值遠遠低于400 mg/m3，尾氣處理裝置運行平穩(wěn)。

3）隨著煙氣溫度升高，廢水調(diào)節(jié)池溫度逐漸上升，當(dāng)煙氣溫度提升至52 ℃時，生產(chǎn)廢水調(diào)節(jié)池溫度已上升至40 ℃，達到了生產(chǎn)廢水處理裝置RO反滲透膜運行溫度上限。

4）在確保生產(chǎn)廢水處理裝置RO反滲透膜正常運行情況下（廢水調(diào)節(jié)池溫度≤40 ℃），最終確定煙氣出文丘里組合塔溫度最佳控制范圍為50 ～52 ℃，在這個溫度范圍內(nèi)，文丘里組合塔廢水排放量最低。調(diào)整前，煙氣控制溫度約40 ℃，調(diào)整后煙氣控制溫度為50 ℃，平均每天減少廢水排放量約33 m3。

4.2 降低DS溶液熱穩(wěn)定性鹽含量

影響DS 溶液熱穩(wěn)定性鹽含量的因素主要為兩方面：一是煙氣中硫酸霧和SO3含量較高，煙氣經(jīng)過DS 溶液后，硫酸霧和SO3進入溶液形成硫酸鹽，導(dǎo)致熱穩(wěn)定性鹽含量偏高；二是APU 除鹽能力下降。

4.2.1 提高電除霧器運行電壓

由于目前沒有手段對煙氣中硫酸霧和SO3含量進行分析，查閱DS 溶液熱穩(wěn)定性鹽含量變化趨勢，發(fā)現(xiàn)自5月18日起，兩列尾氣處理裝置熱穩(wěn)定性鹽上升趨勢較以往更快，檢查發(fā)現(xiàn)濕式電除霧器由于絕緣子室竄漏放電，濕式電除霧器降壓運行。導(dǎo)致電除霧器除霧效果不好[4]，濕式電除霧器設(shè)計運行電壓為72 kV，故障期間運行電壓僅為41 kV左右。

以Ⅰ列尾氣處理裝置為例，煙氣中硫酸霧和SO3含量較高，進入DS溶液后，直接導(dǎo)致熱穩(wěn)定性鹽含量升高。5 月28 日，更換絕緣子室穿墻套管，四個絕緣子室增加氮氣正壓保護后，提升濕式電除霧器運行電壓，熱穩(wěn)定性鹽含量明顯下降[5]。濕式電除霧器整改前后Ⅰ列尾氣處理裝置熱穩(wěn)定性鹽含量數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 濕式電除霧器整改前后Ⅰ列熱穩(wěn)定性鹽含量分析數(shù)據(jù)對比

5月28日以后，將濕式電除霧器運行電壓提升至設(shè)計電壓，除霧效果較好，熱穩(wěn)定性鹽含量逐漸下降，但仍未降至設(shè)計范圍1.1～1.3 摩爾當(dāng)量范圍內(nèi)。

4.2.2 優(yōu)化APU運行效果

APU 通過陰離子樹脂[6]除去DS 貧液中的HSS，但運行一次將產(chǎn)生廢水5.75 m3，且設(shè)計每天啟運頻次為8 次，使用壽命為2 000 次。當(dāng)前APU 啟運頻次已達到平均11 次/d，但無法繼續(xù)降低至1.1～1.3摩爾當(dāng)量范圍內(nèi)。查閱APU 樹脂使用次數(shù)為1 218次，離設(shè)計使用壽命2 000 次還有很大距離，但樹脂顏色偏紅，初步推測APU 樹脂存在中毒[7]，性能下降，除鹽能力降低。隨后取APU 廢水進行分析，分析結(jié)果顯示Ⅰ列APU 除鹽能力為33 kg/次，已遠低于設(shè)計51 kg/次，證實了Ⅰ列APU 樹脂除鹽能力明顯下降。

立即更換樹脂，規(guī)定每天APU啟運頻次為8次，發(fā)現(xiàn)DS 貧液中熱穩(wěn)定性鹽含量逐漸下降。32 天后，熱穩(wěn)定性鹽含量已降至1.25摩爾當(dāng)量。更換樹脂后Ⅰ列熱穩(wěn)定性鹽含量分析數(shù)據(jù)見表4。

表4 更換樹脂后Ⅰ列熱穩(wěn)定性鹽含量分析數(shù)據(jù)

熱穩(wěn)定性鹽含量降至1.25 摩爾當(dāng)量后，目前APU 啟運次數(shù)已降至4 次/d，兩套尾氣處理裝置平均每天可以減少APU廢水排放69 m3。

4.3 減少電除霧沖洗時間

濕式電除霧器需定期用除鹽水進行沖洗，防止陰極線和陽極管上雜質(zhì)積累結(jié)垢，影響除霧效果。除鹽水沖洗流量約為0.283 m3/min，根據(jù)廠家提供的每次沖洗時間5～10 min，每天沖洗一次進行調(diào)整。以濕式電除霧器陰極線和陽極管不結(jié)垢正常運行為前提，調(diào)整除鹽水每次沖洗時間和沖洗頻率。調(diào)整除鹽水每次沖洗時間結(jié)果統(tǒng)計見表5。

表5 調(diào)整除鹽水每次沖洗時間結(jié)果統(tǒng)計

通過測試，可以發(fā)現(xiàn)，降低除鹽水沖洗時間，觀察兩天，當(dāng)除鹽水沖洗時間降至5 min/次，陰極線和陽極管上無明顯雜質(zhì)積累。因此，我們將除鹽水每次沖洗時間定為5 min。并按照該沖洗時間測試沖洗頻次，調(diào)整除鹽水沖洗頻次結(jié)果統(tǒng)計見表6。

表6 調(diào)整除鹽水沖洗頻次結(jié)果統(tǒng)計

通過測試，可以發(fā)現(xiàn)在除鹽水沖洗時間為5 min/次的情況下，沖洗頻次增加到4 天時，明顯可以觀察到陰極線和陽極管上有雜質(zhì)積累，存在結(jié)垢的傾向。為確保設(shè)備運行安全，選擇每2天沖洗一次。調(diào)整前后，可以減少電除霧器沖洗廢水排放量約1.6 m3/d。

5 優(yōu)化效果及效益

5.1 尾氣處理裝置廢水產(chǎn)生量

根據(jù)裝置優(yōu)化措施[8-10]，控制煙氣溫度50 ℃，單套APU 啟運頻次4 次/d，電除霧器2 天沖洗1 次，每次沖洗5 min，重新進行裝置水平衡核算，核算結(jié)果顯示尾氣處理裝置每天排放廢水約250 m3，比優(yōu)化前每天減排約98 m3，優(yōu)化效果明顯。

再看裝置生產(chǎn)廢水產(chǎn)生量，優(yōu)化后，生產(chǎn)廢水每天產(chǎn)生量約1 159.3 m3，低于設(shè)計處理量1 200 m3/d，生產(chǎn)廢水調(diào)節(jié)池液位逐漸下降。生產(chǎn)廢水COD濃度已降至96 mg/L，雖然仍高于設(shè)計上限值70 mg/L，但比優(yōu)化前已明顯下降。目前生產(chǎn)廢水處理裝置和蒸發(fā)結(jié)晶裝置運行平穩(wěn)。

5.2 環(huán)保效益

CANSOLV 尾氣處理裝置優(yōu)化后，顯著降低了廢水產(chǎn)生量，減少了蒸發(fā)結(jié)晶裝置廢鹽產(chǎn)生量，減少了固體廢棄物的產(chǎn)生，優(yōu)化操作后每月平均減少3 t固體廢棄物。

5.3 經(jīng)濟效益

CANSOLV 尾氣處理裝置優(yōu)化后，顯著降低了尾氣處理裝置廢水產(chǎn)生量，減少了尾氣處理裝置中和廢水堿液用量。

投入成本：更換APU活性樹脂1 m3，惰性樹脂0.1 m3，使用壽命8 個月，折算為每月投入成本為16 600 元。平均每月減少堿液用量18 t，節(jié)省堿液成本費用45 000 元，每月少產(chǎn)生3 t 固體廢棄物，相應(yīng)每月減少固體廢棄物處理費3 750元。

此外，廢水產(chǎn)生量減少，降低了生產(chǎn)廢水處理裝置運行負荷，降低了裝置運行能耗。

經(jīng)過統(tǒng)計，7 月生產(chǎn)廢水處理裝置共處理廢水32136m3，裝置當(dāng)月電耗65985kWh，單價0.55元/kWh；當(dāng)月耗水量576 t，單價4 元/t；主要化工藥劑如：碳酸鈉6.5 t，單價3 000元/t；混凝劑PAC 4 t，單價6 000 元/t；反滲透膜阻垢劑0.1 t，單價42 000 元/t；工業(yè)鹽4.5 t，單價600 元/t；次氯酸鈉2 t，單價3 500元/t。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算出每處理1 m3生產(chǎn)廢水的成本單價為2.99元/m3。

活動開展后，平均每月尾氣處理裝置廢水產(chǎn)生量降至7 212 m3，減少廢水產(chǎn)生量3 038 m3，節(jié)約生產(chǎn)裝置運行能耗9 083.6元。

6 總結(jié)及建議

1）通過提高煙氣出文丘里組合塔溫度，可以將更多的水分通過煙氣帶至煙囪排放，從而減少生產(chǎn)廢水產(chǎn)生量。但煙氣出文丘里組合塔溫度盡可能控制在50～52 ℃范圍內(nèi)，防止生產(chǎn)廢水調(diào)節(jié)池溫度超高。

2）通過提高濕式電除霧器運行電壓，可以有效去除煙氣中的硫酸霧和SO3，有效控制熱穩(wěn)定性鹽的增量，從而降低APU啟運頻次，減少生產(chǎn)廢水產(chǎn)生量。濕式電除霧器運行電壓盡可能控制在70～72 kV，偏低除霧效果不佳，偏高則存在電氣元件使用壽命縮短的問題。

3）通過適當(dāng)降低濕式電除霧器沖洗時間，適當(dāng)延長濕式電除霧器沖洗時間間隔，也會減少尾氣處理裝置廢水產(chǎn)生量。調(diào)整濕式電除霧器沖洗時間和頻次后，需加強對電除霧器運行電壓、現(xiàn)場看窗除霧效果、陰極線和陽極管結(jié)垢情況等的檢查，防止內(nèi)部構(gòu)件結(jié)垢。

4）樹脂性能越好，除鹽能力越強，隨著使用次數(shù)的增加，樹脂除鹽能力逐漸下降，需定期對樹脂除鹽能力進行分析，避免出現(xiàn)樹脂除鹽能力下降，但未及時更換，導(dǎo)致APU啟運頻次超設(shè)計，產(chǎn)生較多廢水。