炼油厂酸性水汽提装置的典型流程和工艺设计参数的选择

于 峰，宋庆慧，郑宝翬，黄 琳，詹阳春

（福陆（中国）工程建设有限公司，北京 100004）

目前，许多炼油厂都面临着原料中硫含量增加、环保法规更加严厉以及燃料产品中硫含量要求更低等挑战。为满足环保法规的要求、回收化工资源、合理高效地利用水资源、减少污染物排放，必须对炼油厂酸性水（即含硫污水）进行处理、回用，酸性水汽提装置作为炼油厂的必设环保设施，其重要性日趋突出。酸性水汽提装置的优化设计对减少污染物排放、提高炼油厂的水资源利用率、节约宝贵的水资源具有重要的现实意义。

本工作从工艺设计角度分析了目前国内外酸性水汽提装置的典型工艺流程、最优工艺设计参数和设计原则，为设计出安全、可靠、节能、高效的酸性水汽提装置提供指导和参考。

1 炼油厂酸性水的来源和分类

炼油厂酸性水主要有以下几个来源：蒸馏系统中作为汽提介质的蒸汽；热裂化或催化裂化装置中用于减少烃分压的蒸汽；注入到系统中的用于吸收腐蚀性化合物和可导致系统堵塞的盐类的冲洗水。

不同的炼油工艺装置，因其原料、加工目的和采用的技术不同，产生的酸性水的组成也有差异。国外通常将炼油厂产生的酸性水分为3类：非酚酸性水、含酚酸性水、脱盐罐酸性水。

非酚酸性水通常仅含有硫化氢和氨，主要来自加氢裂化、加氢处理等装置，国内设计院常将其称作加氢型酸性水［1］。非酚酸性水经汽提处理后杂质含量低，可作为注入冲洗水送回工艺装置回用。含酚酸性水通常来自常减压、催化裂化、焦化等装置，国内设计院常将其称作非加氢型酸性水［1］，其中除硫化氢和氨之外，还含有酚类、氰类等其他杂质。这些杂质无法通过汽提完全除去，并且通常具有腐蚀性，对催化剂有毒害作用。因此，含酚酸性水经汽提后一般只能送去原油脱盐罐回用或送往污水处理场处理。脱盐罐酸性水含有大量的盐类、悬浮的固体、污垢等杂质。在汽提塔的相对较高温度环境下，脱盐罐酸性水中的盐类会发生作用从水中沉淀析出，迅速堵塞塔板，因此脱盐罐酸性水通常不做汽提处理而直接送污水处理场。

2 酸性水汽提装置的典型流程

目前应用较多的酸性水汽提装置工艺流程主要有3种：单塔低压汽提工艺、双塔加压汽提工艺、单塔加压侧线抽出汽提工艺。

单塔低压汽提工艺是在约为0.1 MPa压力下单塔处理酸性水，硫化氢和氨同时在塔顶被汽提出来。酸性气是硫化氢和氨的混合气体，送至硫磺回收装置回收硫磺，氨在酸性气反应炉内氧化分解成氮气。

双塔加压汽提工艺是在加压状态下（硫化氢汽提塔约0.5 MPa，氨汽提塔约0.25 MPa），采用双塔分别汽提酸性水中的硫化氢和氨。硫化氢酸性气送至硫磺回收装置回收硫磺，富氨气经精制、压缩后生产副产品液氨。

单塔加压侧线抽出汽提工艺是在约0.5 MPa压力下采用单塔处理酸性水，侧线抽出富氨气并进一步精制回收液氨。本质上，单塔加压侧线抽出汽提工艺和双塔加压汽提工艺没有区别，只是将双塔汽提流程中的硫化氢汽提塔和氨汽提塔重叠在一个塔内实现两个塔的功能。

单塔低压汽提工艺与双塔加压汽提工艺和单塔加压侧线抽出汽提工艺的主要区别为：是否对氨进行回收。回收氨的主要目的有两个：一是当炼油厂或配套石化装置内部有用户可以消化液氨产品或所在地有液氨销路时可产生经济效益；二是过去硫磺回收装置烧嘴设计水平不高时，氨在酸性气反应炉内不能完全分解，造成未反应的氨与硫化氢在后续管路中结盐腐蚀、堵塞管路，严重时可导致停车，因此需要将酸性气中的氨分离出去后再送往硫磺回收装置。近年来，硫磺回收技术水平已大幅提高，很多先进的专利技术都可以将酸性气中的氨在反应炉内完全分解，从满足硫磺回收装置原料规格的角度考虑不再需要将酸性气中的氨分离。另外，液氨气化后易燃易爆、严重的刺激性气味等不足导致其远途运输困难，且酸性水中可回收的氨量相对较小，不易找到合适的用户。因此对于没有下游配套化工装置的炼油厂，回收氨需要增加的设备投资、操作成本和占地面积常常很难满足投资收益的要求。

一般情况下，推荐采用单塔低压汽提工艺。该工艺具有流程简单、技术可靠、操作方便、投资和占地面积小、蒸汽用量少、净化水质好的特点。单塔低压汽提工艺又可以分为传统的塔顶冷凝回流和循环泵回流两种设计。近年来在国内前者的应用逐渐增多［1-2］，后者却鲜有装置采用。但目前国外越来越多的新建酸性水汽提装置均采用循环泵回流设计［3］。这是因为与传统的塔顶冷凝回流设计相比，循环泵回流中硫化氢等腐蚀性介质的含量低得多，而且是全液相循环，没有冷凝的环节，通常塔顶冷凝回流设计中腐蚀最严重的地方是有铵盐析出的气液相界面处，因此采用循环泵回流时回流管线和塔顶管线的腐蚀程度较轻。同时，与塔顶冷凝回流单纯依靠空冷器控制酸性气温度相比，循环泵回流通过调节回流温度和回流量两种手段可对汽提塔顶温度精确控制，这有利于降低塔顶酸性气中的水含量、下游硫磺回收装置的负荷以及铵盐析出腐蚀塔顶管路的可能性。

因此，针对循环泵回流的单塔低压汽提工艺进行工艺设计参数的分析和探讨。

3 酸性水汽提装置工艺设计参数及原则

典型的采用循环泵回流的单塔低压汽提工艺的流程见图1。下面将按流程顺序逐个说明各设备典型的工艺设计参数、原则等。

图1 典型的循环泵回流单塔低压汽提工艺的流程Fig.1 Process fl ow diagram for a typical low pressure single stripper process with pumparound.

3.1 酸性水闪蒸罐

酸性水闪蒸罐的作用有两个：一是脱除减压后从酸性水中释放出来的硫化氢、氨和轻烃；二是将酸性水与颗粒杂质和烃类（油）分离。

酸性水闪蒸罐的操作压力取决于闪蒸气的去向。若送往酸性气火炬，由于环保法规的要求，闪蒸气需通过贫胺液吸收，硫化氢含量满足火炬要求后送去酸性气火炬总管。如果酸性气火炬配有火炬气回收设施，则可直接送火炬气回收设施收集、压缩后集中处理，然后作为燃料气使用。这时可将闪蒸罐与火炬总管直接连接，不设调节阀，其优势在于可使原料酸性水在非常低的压力下闪蒸脱气，从而在酸性水储罐中几乎不再有气体释放，可大幅降低处理酸性水储罐驰放气体的难度。也可设计成将这股闪蒸气送往配套的硫磺回收装置，可与汽提塔顶的酸性气混合后送出装置。

颗粒杂质（如水垢、铁锈、不溶的盐类和灰尘）在闪蒸罐中可沉降分离。这些杂质必须除去以防止其在系统中积聚，堵塞系统。

水中的烃类通常以3种形式存在：游离烃、乳化烃和溶解烃。由于烃类在水中的溶解度较小，故水中溶解的烃的含量非常低。而游离烃和乳化烃通过夹带从上游装置进入系统，在酸性水中的含量（w）可达10-4～10-2［4］。过多的烃类进入酸性水汽提塔会导致发泡、降低塔板效率和汽提效果，如果被汽提塔顶的酸性气夹带出装置，会给下游的硫磺回收装置带来不利影响，因此必须除去。现场操作经验表明，为确保酸性水汽提塔稳定操作，酸性水中烃的含量应低于500×10-6（w）［4］。通常酸性水在闪蒸罐的停留时间应不短于20 min［5］，为确保油水分离效果，应核算水中烃的上升速率以确定合适的停留时间。

3.2 酸性水储罐

闪蒸脱气后的酸性水在送入汽提塔之前储存在酸性水储罐中。酸性水储罐起到进料缓冲的作用，较长的停留时间可促进将未能在酸性水闪蒸罐中完全除去的油撇除，同时也使汽提塔的进料组分混合均匀，使汽提塔操作平稳。通常酸性水汽提塔不设备用塔，当汽提塔意外停车或短期检修时，来自上游装置的酸性水需储存在酸性水储罐中。酸性水储罐的缓冲容量一般按3～5 d设计，应注意进出管口的位置，避免短接降低停留时间。酸性水储罐通常设有撇油器，便于将酸性水液面上方的污油收集、撇除。实际生产操作中，可维持一定厚度的油层，以减少硫化氢气体的释放［5］，也有些装置通过人为加入油品覆盖在酸性水上方，达到避免硫化氢释放的目的。国内很多装置设置两个酸性水储罐［6-8］：第一台储罐为沉降罐在高液位下运行，起隔油和均质的作用，第二台为缓冲罐在较低液位下运行，起进料缓冲的作用。为提高除油效果，近年的一些改造和新建项目中使用“罐中罐”设计，在沉降罐内增加一个内罐，利用水力旋流除油，据称效果明显［6-7］。

酸性水储罐既可设计成API 650常压储罐也可设计成API 620带压储罐。使用API 620带压储罐的目的是提高储罐的操作压力，可将驰放酸性气密闭排放至压力较高的地方，如酸性气火炬。密闭排放明显的优点是可确保没有酸性气体排放至大气，避免了酸性水储罐现场常常出现的刺激性气味。但出于对设备造价的考虑，大型的酸性水储罐通常采用API 650常压储罐设计。由于API 650常压储罐的操作压力很低，这对来自酸性水储罐的驰放气体的处理是一个难点。如果酸性水汽提装置与硫磺回收装置联合布置，可将这股气体送至硫磺回收装置的尾气焚烧炉焚烧后排空。若不能送去硫磺回收装置尾气焚烧炉，则需设置除臭设施将有严重刺激性气味的气体脱除后排空，这也是目前国内常用的做法［9-10］。固定顶和内浮顶都有应用实例。不论采用哪种罐顶形式，都应采用氮封以防止气相空间形成可燃环境。

3.3 汽提塔进料泵

汽提塔进料泵将储罐中的酸性水加压、经过换热器升温后送入汽提塔。汽提塔进料泵可以采用无机械密封的磁力泵以减少泄漏的发生。原料酸性水被加热后，在进入汽提塔入口前由于管线逐渐升高导致静压降低，可能会产生汽化形成两相流，设计上应注意避免。通常采用的做法是将汽提塔进料的流量调节阀放置在紧邻塔的进料管口处，汽提塔进料泵应提供足够的压力使阀前管线压力始终保持高于酸性水的饱和蒸气压，避免两相流的形成。

3.4 进出料换热器

来自酸性水储罐的汽提塔进料在进出料换热器中换热，回收来自汽提塔底净化水的热量。提高酸性水汽提塔的进料温度有利于降低再沸器的蒸汽消耗，但更多的热量回收需要更大的换热面积，换热器的造价也就更高。综合能耗与投资，一般酸性水汽提塔的进料温度应控制在100 ℃左右。

由于存在温度交叉，进出料换热器若采用管壳式换热器，通常为两管程设计，此时应核算对数平均温差校正系数不小于0.8，并依此确定壳程数。2台或3台换热器串联是最为常见的设置。酸性水进料走管侧，流速较高不易结垢，且管侧容易清洗。塔底净化水较清洁，分配在壳侧。

由于板式换热器具有流速高、不易结垢、占地面积小、配管简单、纯逆流等优点，当设计温度、设计压力相对不太苛刻时，是替代传统管壳式换热器的非常好的选择。目前越来越多的新建装置采用板式换热器作为进出料换热器，其综合投资可能低于2台或3台管壳式换热器的组合。

3.5 酸性水汽提塔

如前所述，由于含酚酸性水和非酚酸性水汽提之后含有的杂质不同，净化水的去向也不相同。国内外新建的大型炼油厂普遍采用的配置是设计两套完全一样的酸性水汽提装置用于分别处理含酚酸性水和非酚酸性水，当一套装置出现问题停车时，通过降低全厂操作负荷，仅靠另一套装置仍可维持生产，具有很高的灵活性。由于含酚酸性水中的杂质尤其是酸根离子的作用，通常使含酚酸性水比非酚酸性水更难汽提，是控制工况，设计时应基于含酚酸性水为原料的工况做流程模拟计算。净化水的硫化氢和氨的指标取决于回用装置的要求、地方法规和排放要求。在环保要求严格、净化水回用率较高的发达国家，常见的净化水中的氨含量要求低于15×10-6（w），国内普遍要求低于50×10-6（w）。与硫化氢相比，氨更难脱除，是控制组分，即当净化水氨指标合格时，硫化氢指标通常必然合格。

一些强酸根离子有时也可能存在于酸性水中，如氯离子。作为强酸根离子，氯离子会与铵离子结合使氨很难从水中解离释放，造成净化水中氨含量超标。应对这种情况，常见的做法是注入烧碱溶液，使钠离子取代铵离子与氯离子结合形成稳定的盐，铵离子得以解离以氨的形式从水中分离。碱液注入点一般选择较为靠近塔底的塔板位置［5，11-12］，最高不超过塔下面1/3部分的塔板，因为绝大部分的硫化氢已在此之上的塔板中脱除，碱液的注入不会与硫化氢反应造成塔底硫含量超标。可根据流程模拟的结果，在几块不同的塔板上设置注入管口，将来在操作中根据实际效果选择使用最为合适的位置。有一点需要引起注意的是，碱液的注入带来了新的杂质，含有氢氧化钠的净化水送往常压装置的脱盐罐时会加剧乳化［13］。因此，加入碱液会限制净化水的回用。

由于酸性水本身较脏、易发泡、易结垢，通常酸性水汽提塔都为板式塔。浮阀或固阀塔板较筛孔塔板更为常见，推荐使用固阀塔板。筛孔塔板的操作弹性较差，而浮阀塔板在较脏、易结垢、易腐蚀的介质中容易被卡住导致液泛。固阀塔板具有相对较高的操作弹性，且由于穿过阀开口处的气相流体使固体不易在塔板上沉积，减轻了结垢和腐蚀的问题。应选择压降较小的塔板以降低塔底操作温度从而减小需要的再沸器换热面积。近年来，在国内的酸性水汽提塔的改造项目中也有很多采用CTST高效塔板提高处理能力的应用实例［14-16］。有研究表明，通常酸性水汽提塔的塔板效率在30%～50%之间［17］，但也不乏在设计时使用更低的塔板效率以确保足够的设计裕量应对不确定性。由于酸性水是较易发泡的物系，塔板水力学核算时应取0.65作为表征物系发泡趋势的系统因数，以确保计算出的塔板在不太严重的发泡情况下也可以操作。对于相同的原料和进料条件，塔板数越多，所需的再沸器热负荷越小，蒸汽消耗量也越少。典型的酸性水汽提塔的操作条件见表1。

表1 典型的酸性水汽提塔操作条件Table 1 Operating conditions of a typical sour water stripper

酸性水汽提塔的操作压力应尽量低，通常取决于下游的硫磺回收装置要求的原料气压力。较低的操作压力可降低塔底的操作温度，增加再沸器的传热温差，从而降低需要的换热面积。同时，较低的压力下硫化氢和氨更容易被汽提，有利于降低再沸器的热负荷。

汽提塔塔顶的操作温度应避免低于82 ℃，过低的温度下硫化氢与氨可形成硫化氢铵结晶析出，造成管路和设备的堵塞、加剧管线腐蚀等可导致停车的严重问题。塔顶的操作温度也不宜过高，过高的温度会增加酸性气中的含水量，增加下游硫磺回收装置的负荷，限制其处理能力，同时还存在降低反应炉火焰温度的风险。85 ℃是目前广泛采用的酸性水汽提塔塔顶操作温度，塔顶管线应做好伴热和保温，严格控制温度。

3.6 循环泵回路

循环泵回路的作用是通过侧线抽出液相酸性水，利用空冷器冷却后产生冷回流送回至塔顶，回流的冷液体在塔顶部的几块塔板中与上升的气相进行传质和传热，将离开塔顶的酸性气温度降至约85 ℃，进而降低酸性气中的含水量。对于给定的汽提塔系统和净化水水质要求，循环回路需要撤出的热量是一定的，因此冷回流的温度高低影响所需的循环回流量，较低的回流温度可降低需要的循环回流量，即循环泵的能力可相对较小。但回流温度不应过低以防止盐类在液相中结晶析出，较低的回流温度也将增大需要的空冷器换热面积。60 ℃是经常采用的回流温度。建议为循环泵回路的空冷器风机全部配置变频电机，通过调节风机转速准确控制回流温度从而获得理想的塔顶温度。

3.7 再沸器

酸性水汽提塔再沸器通常采用管壳式换热器。釜式、热虹吸式和一次通过式再沸器都有各自的优点，采用哪种形式与具体的工艺条件、业主的使用经验和喜好以及设计人员的设计经验都有关系。釜式和一次通过式再沸器的一个显著的优点是再沸器相当于一块理论板，由于酸性水汽提塔的板效率较低，使用这两种再沸器可节省几块实际塔板。设计时应注意酸性水汽提塔塔釜的设计［18］，以确保再沸器能够实现理论板的分离能力。

板式换热器也有应用于酸性水汽提塔再沸器的实例，尤其是对于采用贵金属材料应对腐蚀的装置，板式换热器可降低设备的材料成本。较小的占地面积和易于安装也是板式换热器的重要优势。

3.8 净化水泵和净化水空冷器

净化水泵和净化水空冷器将来自酸性水汽提塔塔底的净化水加压、冷却至下游装置需要的压力和温度后送出装置界区。

流程上，净化水泵既可以放置在进出料换热器上游也可以放置在其下游。不论净化水是从汽提塔底抽出还是从釜式再沸器引出，净化水都处于饱和状态。如果净化水泵设置在汽提塔和进出料换热器之间，从塔底或再沸器到净化水泵的高度差减去管线的阻力损失就是可得的净正吸入压头（NPSH）。因此汽提塔的安装高度取决于净化水泵的NPSH要求，这种配置方式对净化水泵下游的进出料换热器的安装高度没有要求。如果净化水泵放置在进出料换热器的下游，酸性水汽提塔、进出料换热器和净化水泵的安装高度应逐渐降低，以满足泵吸入口无袋形管线的要求。进入泵吸入口的是被降温后的净化水，其饱和蒸气压也大幅降低，因此泵可得的NPSH非常充裕。这种设置的另外一个好处是由于进出料换热器在净化水泵的上游，不需要承受泵出口的关闭压力，因此可降低净化水侧的设计压力。两种设置各有优点和缺点，应根据实际情况选择。

通常对酸性水汽提装置界区处的温度要求不严格，净化水空冷器风机可按50%配置变频电机，通过旁路调节控制水温。如果界区要求的净化水温度较低（低于环境温度+10 ℃），单纯使用空冷器不经济，需考虑在空冷器后设置水冷器。

4 结论

1）酸性水汽提装置是炼油厂生产中不可或缺的配套设施，用于处理除脱盐罐酸性水之外的非酚酸性水和含酚酸性水。当回收氨的经济效益不高时，建议采用简单、可靠、可有效降低管路腐蚀问题的循环泵回流的单塔低压汽提工艺。

2）原料酸性水的杂质脱除对于酸性水汽提装置的平稳运行至关重要。酸性水闪蒸罐的停留时间应不短于20 min；酸性水储罐应按3～5 d的缓冲时间设计，以保证隔油、均质和原料缓冲的效果。

3）作为核心设备，汽提塔的设计和操作参数是酸性水汽提装置能否平稳、可靠、高能效运行的关键。建议采用固阀塔板，保守设计以板效率为30%来确定实际塔板数；优化的进料温度约为100℃以降低能耗；优化的循环泵回流温度为60 ℃以避免铵盐析出腐蚀管路；塔顶操作温度严格避免低于82 ℃以防止结盐腐蚀；综合考虑塔板数和蒸汽耗量，设计时单位体积酸性水的蒸汽单耗应为120～250 kg/m3。

4）当汽提塔需要的塔板数较多时，可考虑使用釜式或一次通过式再沸器以节省实际塔板数。

5）进出料换热器和汽提塔再沸器均可考虑采用板式换热器应对结垢、腐蚀等问题，尤其对于装置内空间有限的改造项目或换热器拟采用贵金属材料应对腐蚀的装置，板式换热器比管壳式换热器更具优势。

6）净化水泵和进出料换热器在流程中的先后顺序应由机泵选型和设备布置对投资的影响综合考虑确定。

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