1. No category

如何在超低SO2排放标准下操作FCC装置
Ray Fletcher, Jeff Oberlin
(INTERCAT公司)
鲁凤兰译
朱亚东校
1、介绍
南海岸空气质量管理局(SCAQMD)，是规范包括洛杉矶盆地在内的加州空气
质量的环保机构，最近采用了一个新规定，要求炼油厂在2019年之前将SOX排放
降低到5ppm。受其管辖的六个炼油厂被要求在近期满足25ppm的SOX排放限制，
然后从2012年开始逐步减少，一直到2019年完成SCAQMD的规定。该监察机构
已确定，最佳可用升级控制技术（BARCT）包括两种同样有效的解决方案：SOx
助剂和烟气洗涤器。
这条新法规虽然只在局部地区实施，但基于过去20年的历史，该法规很有可
能成为美国绝大多数地区的法律。此地区的炼油厂如何应对这些新法规以及控制
技术产生的相关费用？了解这些，对于北美其它地区的炼油厂来说，是极其重要
的信息。
本文提供了两种最佳可用控制技术中的第一项技术，即SOx减排助剂的有关
详情。本文旨在描述了在超低SOx 排放标准下，应用SOx吸附助剂如何操作FCC
装置。本文将对以下变量进行具体讨论：
•
助剂添加速率
•
助剂效率（捕获系数PUF）
•
SOx浓度对于静电除尘器（ESP）性能的影响
•
烟气调节剂的应用
2、超低排放标准下SOx助剂的工业试验结果
已有几家炼油厂完成了工业试验，成功地应用了SOx减排助剂，达到了5ppm
或更低的SOx排放水平。其中有一个工业试验是在洛杉矶盆地进行，该地区要求
在2019年达到5ppm的SOx排放水平。该炼油厂决定进行这项试验，是为了确定使
用该助剂脱除SOx的成本并与建设烟气洗涤器的成本进行比较。
这套FCC装置操作方式采用完全再生模式，目前SOx排放量约为25-50ppm，
无需添加SOx助剂。炼油厂选择进行一个试验，试验分为两个部分，目标是前三
周达到15ppm的SOx排放水平，接下来的三周达到5ppm。这个试验十分成功，这
样炼油厂能够将排放控制在15ppm和5ppm两个水平（见图1）。最后，炼油厂实际
上进行了2次目标值为15ppm的试验。在第一次目标为15ppm的试验周期内，排放
水平从20ppm下降到15ppm，并没有平衡在15ppm的期望值。尽管这个试验周期
内平均排放水平为15 ppm，但炼油厂还是选择重复该试验，以证明SOx排放水平
为15 ppm是可行的。
作为检测助剂效率的方法，超低SOX水平下的捕获指数受到了密切关注。在
常规运转期间，当SOx排放水平为25-50ppm，该装置的捕获指数平均为6~10 lb
SOx/lb助剂（lb/lb）。当SOx排放水平为20和10ppm时，发现捕获指数发生了两步
变化。SOx排放水平为20 ppm的捕获指数下降到3.2 lb/lb左右，在SOx排放水平为
10 ppm时，进一步下降到大约2.7 lb/lb。对于这套特定的装置，基础加剂后，为
达到15ppm SOx排放水平的稳态补剂率为300 lb/天。要想达到5ppm SOx排放水
平，稳态加剂率必须提高了50%，达到450 lb/天。
就在工业试验启动后不久，发现烟气的不透明度从大约1.5%提高到了2.5%。
在试验之前，装置内没有注入SOx助剂。这个现象说明由于助剂更容易从装置跑
损，稳态加入助剂导致烟气的不透明度提高了。为了准确查找跑剂量增加根本原
因，人们对这个问题给予了大量关注，结果证明这不是SOx减排助剂的跑损。
3、采用SOx助剂达到超低排放的相关技术问题
(1) 实现5ppm的SOx排放标准。本次工业试验连同其它许多试验已结论性地证
明，SOx助剂完全可以将SOx排放控制在5ppm或更低的水平。炼油厂希望避免烟
气洗涤器的大量资本投资，可以使用这项技术满足SOx排放标准达到5ppm的要
求。
(2) 助剂效率（PUF）。SOx助剂所需的添加速率随脱除率期望值的提高而提高。
换言之，当SOx脱除率期望值提高时，捕获指数会降低。这是再生器内催化剂和
助燃空气在再生器内混合效率的直接结果。混合效率越高，所需助剂添加量就越
少。
(3) 不透明度和颗粒物排放。如上所述，SOx助剂注入到装置后，发现烟气的不
透明度提高。为了实现5ppm的硫化物排放目标，助剂添加速率从300lb/天提高到
450lb/天，烟气的不透明度进一步提高。在使用SOx助剂达到超低排放水平的装
置中，大部分装置出现了这种现象（图2）。
图1：SOx排放低于5ppm
图2：烟气不透明度随SOx减少而提高
操作员对于不透明度提高的即时反应是提高静电除尘器输入功率。电源功率
从80kW提高到约200kW，可部分缓解问题，但还不足以控制不透明度（图3）。
操作员进行数次层叠过滤试验以确定不透明度的提高是否归因于SOx助剂。
这些试验的结果令人感动惊讶。试验结束后，包括多次重复试验在内，在层叠过
滤器滤膜上发现只有一个SOx助剂颗粒！与预期相反，不透明度的提高归因于催
化剂的跑损。在其它添加SOx助剂以达到超低SOx排放水平的装置中也发现了这
种现象。
经确定，从FCC烟气中几乎完全脱除SOx对于烟气给催化剂颗粒传递静电荷
的能力有负面影响（颗粒物的“烟气调节”，其注释见下文），而催化剂颗粒静电
荷可以增加静电除尘器的捕获能力。注入低剂量的铵盐可校正“烟气调节”不足
的问题（图4）。一旦开始注入铵盐，静电除尘器就可按预期操作，电源功率可以
恢复到正常的80 kW使用水平。
图3：ESP电源功率对于烟气不透明度几乎没有影响
图4：注氨降低了烟气不透明度
这在其它几家选择在极低SOx排放水平下操作的装置上得到了证实。不透明
度或颗粒排放的提高与进入静电除尘器的微粒物质的“烟气调节”不足有关。注
入铵盐可使“烟气调节”返回到正常水平。
4、静电除尘器的操作
一个静电除尘器通常是由含有成排收集盘的多级气密箱和特高压放电电极
组成的。电极（很多导线）带负电荷，而收集盘带正电荷。电极产生电子，电子
从电极流出，被吸引到收集盘上。
电极间特高电压差使电子从中心导线高速通过，进入气流。电子依次附着在
气体分子上，流入临近的放电电极，形成负离子。可见的蓝色电晕表明导线附近
存在着高度电离的气体。负离子向接地的外部收集盘迁移，而正离子则返回到中
心导线。
收集机理的第一步就是气体离子化。第二步就是气流中的粉尘充电。这种充
电源于带负电的气体离子与悬浮颗粒的碰撞及随后的表面吸附。颗粒收集的第三
步是带电颗粒实际沉积在收集盘上，随后积聚成粉尘层。附着力、凝聚力和电场
力必须足够大，以防止粉尘再次进入气流中。
就可收集性而言，FCC催化剂一个极其重要的性能就是电阻系数。由于电绝
缘效应，电极间的总电压降很可观的一部分发生在电阻率较高的粉尘层上。所以
只能利用总电晕功率的一部分电离并驱使带电粒子到收集盘上。当电阻率在104
~1010 ohm*cm的范围内，静电除尘器最有效，但大部分的FCC催化剂电阻率都超
过了这个范围。
气流中存在的调节剂降低了FCC催化剂的电阻率。在FCC烟气中发现的三种
常用调节剂为水，SOx和NOx，它们易于在电晕中离子化。这些化合物降低了催
化剂的电阻率。当这些调节剂的浓度下降，静电除尘器的效率也下降了。图5表
明了前述工业试验中烟气不透明度和烟气中SOx浓度的关系。
举例来说，当燃煤工厂燃烧低硫燃料时，在除尘器上游向烟气中注入少量
SO3是一种习惯做法。注入的SO3作为烟气调节剂，提高了除尘器的效率。由于
SO3被收集的粉尘吸附并脱除，因此应用SO3不会增加SOx的排放量。
充分证明氨是静电除尘器运行中一种行之有效的调节剂。SOx从烟气中被脱
除造成调节效果下降，可通过注入低剂量的氨得到有效恢复。上述工业试验中提
到的炼油厂已经通过注氨有效地恢复了其静电除尘器的效率。（见图4）。
图5：烟气不透明度和SOx浓度的函数关系
5、解决超低SOx排放试验中烟气不透明度增加的问题
一家依靠静电除尘器收集粉尘颗粒的炼油厂在着手进行工业试验以实现超
低SOx排放水平时，通常会观察到，一旦SOx排放量降至15-20ppm以下，烟气不
透明度就会增加，这归因于脱除SOx，影响了调节效应。
控制烟气不透明度的两种最有效的方法是：一种是优化静电除尘器的电源使
用功率，一种是向烟气内注氨。注氨可以弥补由于SOx减少而造成的调节作用损
失。注氨的同时优化电源功率可以使炼油厂把颗粒排放水平和不透明度维持在限
制范围内，而无需安装烟气洗涤器的。
6、结论
应用SOx助剂能够达到5ppm甚至更低的超低SOx排放标准。当SOx排放目标
值降低时，助剂添加速率提高。在几项应用了助剂的试验中都观察到烟气不透明
度增加，这归因于SOx的调节作用损失提高了催化剂粉尘电阻率。加注低剂量氨
可恢复静电除尘器的效率。