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。
2.文氏棒塔的技术优点
（1）均化塔内烟气分布
喷淋空塔内烟气容易分布不均匀，含硫烟气从塔一侧进入会使脱硫塔内流场产生偏流现象[9]，在相对入口一侧形成高速气流带，并且在烟气进入塔内后，在入口上方产生旋涡，形成一个回流区。气速越高、塔径越大，塔截面上的这种烟气分布均匀度就越差。这种脱硫塔内的烟气不均匀分布会进一步造成脱硫剂在塔截面上分布不均、气液接触时间不均，从而使脱硫脱尘效率降低。
设置文氏棒层后，可以使进塔后的烟气分布得到改善，增加气液接触反应的均匀性。通过数值模拟方法对文氏棒塔与空塔内的烟气分布进行比较，结果如图2。图2(a)中烟气由一侧水平进气口进入空塔内，由于圆柱壁的阻挡，烟气折流向上沿塔壁形成高速气流带，在同一高度处烟气分布产生不均匀性，并且在入口上方形成一个回流区；加入文氏棒层后（图2(b)），进气流受到棒栅的阻挡，气流带消失，烟气在塔内的分布明显有所改善。中国石油大学（北京）还设计了一种非均匀棒距的文丘里棒层[10]，通过文氏棒层对气流的均化作用，使烟气在文氏棒层下游仍呈现接近“平推流”的流动，改善了气液接触，减少烟气“短路流”。
（2）液气比低
喷淋空塔为了达到较高的脱硫效率，需要采取增加脱硫塔高度、增加吸收液喷淋量、液气比等措施来增加气液接触的时间，存在设备投资高、电耗大、运行成本高等问题。文氏棒技术，可以改善塔内烟气分布，并且在文氏棒层上方形成高速湍动的泡沫液层，使常规的“气包液”传质变为“液包气”传质过程，极大地增加了吸收表面，使塔内SO2的溶解吸收区分布变宽，减轻吸收区的脱硫负荷，可有效降低脱硫所需液气比。例如，常规喷淋空塔，石灰石-石膏法脱硫效率达到95%，需要液气比为15~20L/m3，一般需要四至六层喷淋；如果采用文氏棒塔，达到相同的脱硫效率，只需液气比为8~12L/m3，一般只需要三层喷淋，而且循环泵的数量也相应减少。在相同脱硫效率下，文丘里喷淋塔可减少20%~25%的循环浆液量，同时可减少15%~20%的功率消耗，从而节约了生产成本[11]。
（3）脱硫脱尘效率高
文氏棒塔内实质上传统喷淋塔与棒栅上泡沫液层两个气液接触传质过程的耦合，虽然为降低操作运行费用而采用较低的操作液气比，使得喷淋洗涤部分的脱硫脱尘效率下降，但棒栅上泡沫液层的鼓泡气液接触却可显著提高脱硫脱尘效率，结果总的脱硫脱尘效率仍然可以很高。图3是实验室冷模试验获得的相同工况条件下喷淋空塔与加文氏棒栅强化后的文氏棒塔的脱硫效率和脱尘效率的比较。可见，添加文氏棒栅后，脱硫效率可提高10~20%，对2mm的微细颗粒脱除效率提高10~20%，对5mm以上粉尘的总脱除率一般都在99%以上，强化效果非常显著。
（4）压降低
加入文氏棒层之后会使脱硫塔的总压降有所升高，但增加不多。因为，棒栅采用园管或棒构成，表面光滑，流动的阻力小，通常要比筛板等小许多。图4为实验室文氏棒层与空塔的压降对比，由图可见，增加文氏棒层后，压降增加不到100Pa/层，空塔气速越低，压降增加越少。这样的压降增幅，对脱硫塔的操作几乎不会产生什么影响。
（5）自清洁作用
构成棒栅的管或棒截面为圆形，表面光滑，不易粘接固形物，棒间隙处过流气速大，两棒间渐缩渐扩间隙的文丘里过流效应形成强烈的气液两相湍动，烟气高速通过相邻文氏棒间隙，不断冲刷文氏棒，使文氏棒的边界层减薄，有较好的“自清洁”作用，可以避免结垢现象。
（6）负荷适应性
文氏棒塔对系统的适应性较强。在文氏棒塔中，文氏棒层是一个独立完整的部件。对烟气负荷变化的适应性较强，即使在低烟气流量下，文氏棒也可保证较大的烟气流速，形成湍流，强化气液传质效果，使吸收剂表面不断更新，提高脱硫剂的利用率。当预计烟气中硫含量会长期增加时，可以采取降低文氏棒层空隙率的方法，增加棒层上方泡沫层的高度，从而保证较高的脱硫效率；当硫含量降低时，可以去除部分的文氏棒，增加文氏棒层空隙率，这样可以降低风机压头，减少电耗。
3.工业示范
某炼油厂35吨/小时燃煤锅炉原烟气处理装置为文丘里除尘器，未进行烟气脱硫处理，排放烟气中二氧化硫浓度1280mg/m3、氮氧化物浓度365mg/m3、粉尘浓度126mg/m3，根据当地环保要求，需要对烟气进行脱硫处理。2012年设计建造双层文氏棒脱硫塔VRT3000，图6（a），脱硫塔直径3m，高度为17.5m，装置进口烟气流量为9万Nm3/h。用氨水作为吸收剂脱除烟气中的二氧化硫，同时降低烟气中的粉尘与氮氧化物排放。
脱硫塔操作运行液气比维持在2L/m3左右，整个脱硫装置操作压降（包含除雾器）小于1200Pa。烟气SO2排放浓度小于90mg/m3，脱硫效率在93～98.5%，同时NOx的排放浓度小于160mg/m3，脱除效率在55%以上；并且通过整个脱硫装置物料衡算表明，脱硫过程平均每小时消耗商品氨液量在0.3吨以下，氨利用率达到97%以上。循环使用至饱和后多余的硫酸铵溶液用作为污水菌种的氮肥，无二次污染。装置的处理能力，脱硫效果均达到预期目标[12]。
2014年底建成一套120万吨/年石油催化裂化装置再生烟气脱硫系统的文氏棒塔烟气钠碱洗涤吸收系统，图6（b），烟气流量为16万Nm3/h，烟气进口硫含量为620mg/m3，氮氧化物含量为253mg/m3。2015年10月一次投运成功，运行平稳[13]。运行测试数据见表1。烟囱出口烟气监测数据显示：颗粒物浓度折算30-50mg/Nm3；SO2折算0-15mg/Nm3，烟气出口温度50-55℃，实现了设计目标，SO2达到了超净排放的环保标准。
4.结论
（1）文氏棒塔是利用文氏棒栅强化喷淋空塔气液接触传质效率的新型高效脱硫塔，具有脱硫除尘效率高、操作液气比低、压降低、不易结垢与堵塞，结构简单等优点，既可用于现有烟气脱硫装置喷淋塔提效改造又可用新上烟气脱硫塔的设计。
（2）喷淋空塔内加设文氏棒栅，可改善进塔烟气分布的不均匀性，减少烟气偏流；气液经过棒栅时产生强烈的文丘里过流效应，增加了气液两相湍动和对棒栅的冲刷，产生“自清洁”作用；降落的液滴在棒栅处受向上的烟气托举，在棒栅上面形成高度湍动的泡沫液层，增加气液传质表面及其更新，产生“液包气”传质，减少气体短路，从而显著提高脱硫除尘效率，降低操作液气比，降低操作运行费用。
（3）炼油厂35吨/小时燃煤锅炉烟气脱硫工程以及120万吨/年石油催化裂化装置再生烟气脱硫工程应用表明，文氏棒塔脱硫装置运行稳定，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。
原标题：文氏棒塔及其在炼油厂烟气脱硫工程中的示范应用
