高硫化氫氣體脫硫工藝與設(shè)備深度探析

硫作為煤中的一種組份，當(dāng)以煤為原料的化工生產(chǎn)中，硫及硫的化合物對(duì)生產(chǎn)過程中各種催化劑都有毒害作用；當(dāng)以煤氣為燃料時(shí)，其最終生成的SO2的排放會(huì)造成大氣污染。在當(dāng)前的形勢(shì)下，為降低成本，許多煤化工企業(yè)和冶煉、陶瓷、玻璃等以煤氣為燃料的工業(yè)窯爐企業(yè)，開始或計(jì)劃使用價(jià)格相對(duì)低廉的高硫煤；部分企業(yè)利用粉煤氣化、水煤漿氣化以及富氧連續(xù)制氣等先進(jìn)的煤氣化工藝對(duì)原有的制氣設(shè)備和工藝進(jìn)行了更新?lián)Q代，以適用煙煤、褐煤等更加低廉的煤種，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。而濕式氧化法脫硫做為煤氣凈化的傳統(tǒng)工藝，其投資及對(duì)設(shè)備材質(zhì)的要求較低，而且能適應(yīng)各種濃度的無機(jī)硫的脫除。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，濕式氧化法脫硫還會(huì)存在。隨著越來越多的企業(yè)開始劣質(zhì)煤做原料或燃料，煤氣中的H2S含量有了很大程度的提高，原有脫硫系統(tǒng)逐漸出現(xiàn)了系統(tǒng)出口H2S超標(biāo)、系統(tǒng)阻力增大、堵塔等問題，使得脫硫系統(tǒng)逐漸成為許多企業(yè)長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)的制約因素。出現(xiàn)上述問題的主要原因是，原有脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和性能參數(shù)無法適應(yīng)高硫化氫含量（H2S含量＞3g/Nm3）的操作環(huán)境，設(shè)備選型和參數(shù)不能滿足實(shí)際需要。下面從工藝和設(shè)備兩個(gè)方面，對(duì)高硫化氫含量濕式氧化法脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單探討。1工藝系統(tǒng)濕式氧化法脫硫從其運(yùn)行壓力來分有常壓脫硫和加壓脫硫。不管濕法脫硫的壓力多高，其工藝流程都非常簡(jiǎn)單，但實(shí)際反應(yīng)機(jī)理較復(fù)雜，主、副反應(yīng)交叉進(jìn)行，氧化還原過程受多種因素影響。工藝流程設(shè)置是否合理對(duì)于溶液組份及脫硫運(yùn)行、溶液再生等有很大的影響。關(guān)系著脫硫系統(tǒng)能否長(zhǎng)期穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。脫硫系統(tǒng)的主要任務(wù)：吸收、溶液再生、熔硫。所以脫硫系統(tǒng)從工藝的整體設(shè)計(jì)方面都需要充分考慮要完成這三方面所必須滿足的條件：（1）進(jìn)、出粗脫硫系統(tǒng)時(shí)煤氣中粉塵、焦油要少，煤氣得到凈化處理。目前較為常用的多為在濕法脫硫系統(tǒng)的進(jìn)口增加靜電除塵器，將煤氣中的灰塵、焦油類物質(zhì)進(jìn)行捕集凈化，減少雜質(zhì)對(duì)脫硫溶液的影響。（2）在進(jìn)脫硫塔前增加噴淋塔，便于調(diào)節(jié)煤氣溫度和進(jìn)一步洗滌煤氣，特別是夏季氣溫較高時(shí)，便于脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行;為了凈化脫硫后的煤氣，減少對(duì)后序設(shè)備特別是壓縮機(jī)的影響，在脫硫塔后增加二次噴淋塔。（3）為了穩(wěn)定脫硫液成份，減少副鹽含量，將硫泡沫進(jìn)行先機(jī)械分離后間歇熔硫，盡可能減少對(duì)脫硫液進(jìn)行加熱升溫。1.1常壓脫硫常壓脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要重視系統(tǒng)阻力的控制。受經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的影響，越來越多的企業(yè)開始選用高硫煤來降低生產(chǎn)成本，這使得煤氣中的硫化氫含量大幅度升高，對(duì)脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。對(duì)于較高硫化氫含量的脫硫系統(tǒng)，目前采用傳統(tǒng)填料塔的單塔或是多級(jí)流程，會(huì)產(chǎn)生很多問題：（1）受脫硫效率的限制，單塔流程的脫硫精度很難達(dá)到要求；（2）在較高硫化氫環(huán)境下操作，填料塔的阻力上升很快，易發(fā)生堵塔；（3）在多級(jí)系統(tǒng)中，兩個(gè)或以上填料塔的阻力會(huì)使得系統(tǒng)的阻力超出期望值，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力消耗產(chǎn)生較大影響；（4）為減輕堵塔，填料塔的循環(huán)量不能太低；為防止發(fā)生液泛，填料塔的循環(huán)量又不能太高。這就使得單純采用填料塔的脫硫系統(tǒng)很難隨煤氣中硫化氫含量的變化而靈活調(diào)整。根據(jù)多年的工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)，建議采用噴淋空塔與填料塔相結(jié)合的流程。這種流程可以很好的滿足高硫化氫環(huán)境?？账娏芗夹g(shù)在常壓（或微負(fù)壓）脫硫上運(yùn)用具有科學(xué)性和實(shí)用性。近幾年來，許多工業(yè)化的生產(chǎn)實(shí)踐也充分證明了這種技術(shù)的可能性和可靠性。對(duì)于空塔噴淋技術(shù)大家并不陌生，很早以前就被運(yùn)用到脫硫上來，只是由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)的局限性（指噴頭的霧化技術(shù)以及設(shè)計(jì)安裝的合理性沒能達(dá)到預(yù)期的效果），才使這個(gè)技術(shù)沒有被推廣開來。就常脫工藝的特殊性看，與其它空塔技術(shù)（旋流板、噴射塔、湍球塔）相比，噴淋技術(shù)是有發(fā)展空間和發(fā)展前途的技術(shù)。特別在脫高硫上（如焦?fàn)t氣、天然氣）更加顯示該技術(shù)的優(yōu)越性。經(jīng)過多年的努力，長(zhǎng)春東獅公司研制開發(fā)適應(yīng)于脫硫應(yīng)用的高效霧化噴頭，而且設(shè)計(jì)了一整套靈活巧妙的噴頭布置形式，大大提高了脫硫效率，這也為傳統(tǒng)的依靠填料為傳質(zhì)介質(zhì)的脫硫反應(yīng)向無填料氣液直接接觸的轉(zhuǎn)化提供了技術(shù)保證，通過我們眾多的工業(yè)化生產(chǎn)事例看，空噴技術(shù)在常壓脫硫工藝的應(yīng)用意義十分重大，因?yàn)樗饕鉀Q了如下諸多問題：（1）當(dāng)使用高硫煤制氣時(shí)，單獨(dú)使用噴淋空塔或與填料塔相結(jié)合可從根本上避免或者在很大程度上減少堵塔問題。（2）解決系統(tǒng)阻力大的問題，反應(yīng)段接近零阻力。（3）提高脫硫液的硫容，降低溶液循環(huán)量。（4）解決設(shè)備龐大問題。（5）降低一次性投資（與填料塔相比，同等條件下要減少30-50%）。（6）有效的降低了氣體輸送設(shè)備的動(dòng)力消耗。（7）調(diào)節(jié)靈活，易于操作。1.2加壓脫硫（1）對(duì)于加壓脫硫的設(shè)計(jì)，有的企業(yè)為了節(jié)省設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用，將加壓脫硫與常壓脫硫共用一套脫硫液再生系統(tǒng)。在運(yùn)行過程中由于兩個(gè)系統(tǒng)的氣體成份、運(yùn)行壓力不同而相互影響，導(dǎo)致常壓脫硫再生困難，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不正常。所以在脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，加壓脫硫與常壓脫硫的再生系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立運(yùn)行。（2）在加壓條件下，煤氣中的CO2對(duì)脫硫液再生質(zhì)量和硫泡沫的浮選情況的影響加大。加壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)重視閃蒸效果，特殊情況下可考慮增設(shè)富液槽，將脫硫液降至常壓后，再用泵輸送至再生槽。在富液槽中一方面釋放大量的CO2氣體，另一方面，保證脫硫液在系統(tǒng)中足夠的停留時(shí)間，便于形成豐富的硫泡沫層。2設(shè)備設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，對(duì)濕法脫硫而言，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響著脫硫溶液質(zhì)量的好壞及硫泡沫的生成，直接關(guān)系到系統(tǒng)是否能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。2.1脫硫塔脫硫塔是脫硫系統(tǒng)的主要設(shè)備，脫硫塔是氣液接觸吸收氣相中H2S及其它酸性氣體的載體。在脫硫塔中，吸收H2S是一個(gè)快速反應(yīng)，瞬間完成，而再生的反應(yīng)速度相對(duì)較慢。提高脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行效率，穩(wěn)定運(yùn)行脫硫系統(tǒng)，一方面要求氣液有充分接觸面積和反應(yīng)時(shí)間，主要的是提高系統(tǒng)溶液的再生效率。脫硫塔結(jié)構(gòu)型式較多，目前大多廠家以填料塔主，填料塔以散裝填料為多。散裝填料塔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氣液流通面積大、阻力小、操作彈性大和運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。高硫煤的應(yīng)用以及后工序產(chǎn)品多樣化的調(diào)整，企業(yè)對(duì)脫硫要求越來越嚴(yán)格。而填料脫硫塔所帶來的弊病也越來越突出，不僅塔越做越大，循環(huán)量越來越高，就連凈化度也越來越不能滿足生產(chǎn)需要（主要是由于塔徑越大，氣液分布越難造成的）。更讓企業(yè)頭疼的是，填料塔堵塔的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，有的已經(jīng)嚴(yán)重影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)。因此對(duì)于脫硫塔內(nèi)件及填料的改造已迫在眉睫。在此形式下，人們開始尋找填料塔的替代或改良方案。2007年，長(zhǎng)春東獅公司與長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)、東北師范大學(xué)的合作，研究開發(fā)了中、高壓原料氣脫硫塔專用氣液分布傳質(zhì)裝置——QYD型加壓原料氣脫硫塔專用氣液復(fù)合傳質(zhì)裝置，該裝置的應(yīng)用不僅大大提高了氣體凈化度，擴(kuò)大了生產(chǎn)能力，而且根本上解決了脫硫塔堵塔的問題。同時(shí)也減少了因堵塔造成停車檢修的幾率，從而大大延長(zhǎng)了企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行周期。QYD型加壓原料氣脫硫塔專用氣液復(fù)合傳質(zhì)裝置是高效、節(jié)能、環(huán)保型傳質(zhì)內(nèi)件，該裝置是集傳統(tǒng)的諸多塔內(nèi)件的優(yōu)點(diǎn)于一身，更加強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過程，它充分利用了脫硫反應(yīng)機(jī)理——H2S和堿溶液快速的化學(xué)反應(yīng)的原理，采用氣液直接接觸，并依據(jù)H2S含量高低設(shè)置特殊的氣液接觸裝置、氣泡再布裝置，使氣液之間動(dòng)態(tài)接觸，湍動(dòng)傳質(zhì)。這不僅大大增加了氣液接觸面積，使氣體在很短的時(shí)間內(nèi)與液體充分混合接觸，大大的提高了氣體的凈化度，而且以此傳質(zhì)裝置取代填料，解決了行業(yè)脫硫多年來懸而未決的問題——脫硫塔堵塔問題。另外，由于氣液接觸時(shí)間大大縮短，使脫硫原料氣中CO2對(duì)堿溶液選擇性吸收H2S的影響將得到大大的改善，溶液中NaHCO3的生成率也將大大降低。從而提高了貧液質(zhì)量，降低了溶液循環(huán)量。該內(nèi)件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)便，操作彈性大，塔阻力降低，且投資小，見效快。該裝置不僅適應(yīng)于舊脫硫塔改造，更適用于新塔設(shè)計(jì)。它是目前加壓原料氣脫硫塔內(nèi)件中有推廣價(jià)值和使用價(jià)值的傳質(zhì)內(nèi)件。它的成功應(yīng)用必將是脫硫塔內(nèi)件的一次革命。QYD型脫硫塔復(fù)合傳質(zhì)內(nèi)件具有以下功能和特點(diǎn)：（1）如果用于新塔設(shè)計(jì)，在直徑不變的情況下，塔的高度要比填料塔降低1/3左右。（2）無論用于新塔設(shè)計(jì)還是舊塔改造，該裝置投入運(yùn)行后，脫硫液的硫容要增加一倍左右，這樣溶液的循環(huán)量要比填料塔降低30-50%左右。（3）該裝置在用于新塔設(shè)計(jì)時(shí)，由于塔的高度大幅度降低，因此在選取泵的揚(yáng)程時(shí)也要比原來低10米左右，這樣大大降低了脫硫系統(tǒng)的動(dòng)力消耗。（4）由于氣液接觸時(shí)間大幅度降低（25S左右，三層裝），這樣脫硫原料氣中CO2對(duì)脫硫液的影響將得到有效的改善，這更加有利于脫硫液對(duì)硫化氫的選擇性吸收、溶液的再生、硫泡沫的浮選以及降低NaHCO3的生成率。（5）如果用于舊塔改造，該裝置投入運(yùn)行后，該塔的生產(chǎn)能力將提高10%以上。（6）如果用于新塔設(shè)計(jì)，與填料塔相比，可節(jié)省50%的一次性投資費(fèi)用。2.2組合吸收裝置所謂的組合吸收裝置，是指利用脫硫塔入口管道和塔底空間，在不增加或者稍微增加設(shè)備高度的情況下，通過設(shè)置特殊的高效吸收內(nèi)件，對(duì)高硫化氫含量氣體進(jìn)行預(yù)脫硫，達(dá)到降低脫硫塔入口氣體硫化氫含量，減輕脫硫塔負(fù)荷，提高脫硫塔出口脫硫精度的目的。（1）對(duì)沖式管道反應(yīng)器對(duì)沖式管道反應(yīng)器是長(zhǎng)春東獅公司研發(fā)的一種高效預(yù)脫硫裝置，該反應(yīng)器安裝在脫硫塔入口管道上，不增加占地面積，具有脫硫效率高、阻力小、能耗低等特點(diǎn)。對(duì)沖式管道反應(yīng)器利用兩相流體對(duì)沖霧化機(jī)理，脫硫液從吸收器下部向上噴射，形成液柱，氣體從反應(yīng)器上部向下高速?zèng)_擊液柱，脫硫液被高度霧化，與氣體劇烈接觸、充分混合，在很短的時(shí)間里完成硫化氫的吸收過程。在較高硫化氫含量的情況下，對(duì)沖式管道反應(yīng)器可以達(dá)到很高的脫硫效率。實(shí)驗(yàn)裝置和工程實(shí)例表明，在氣體中硫化氫含量3-10g/Nm3、常壓脫硫的條件下，對(duì)沖式管道反應(yīng)器可以達(dá)到30-50%的脫硫效率，脫硫液硫容高可達(dá)到0.3-0.7g/L；而在氣體中硫化氫含量500-2000mg/Nm3、加壓脫硫的條件下，對(duì)沖式管道反應(yīng)器可以達(dá)到40-70%的脫硫效率，脫硫液硫容高可達(dá)到0.2-0.5g/L。（2）塔內(nèi)組合吸收器塔內(nèi)組合吸收器是長(zhǎng)春東獅公司在QYD傳質(zhì)內(nèi)件的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型吸收裝置，該裝置安裝在脫硫塔底部，取代了原來的氣體分布器。在不增加脫硫液循環(huán)量的前提下，塔內(nèi)組合吸收器可以達(dá)到20%-30%以上的脫硫效率。塔內(nèi)組合吸收器主要用于加壓脫硫。2.3再生槽再生槽作用是使用噴射器自吸空氣促使脫硫溶液氧化再生，對(duì)溶液的氣提釋放CO2及硫泡沫的浮選。上世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)的脫硫液再生多以高塔再生為主，其占地小，可節(jié)省一臺(tái)貧液泵。但從操作方面，不利于脫硫液再生情況的觀察、調(diào)節(jié)。自90年代后期自吸空氣噴射再生槽已普遍使用。再生槽是脫硫系統(tǒng)的核心設(shè)備，自吸噴射器是再生槽的心臟，若設(shè)計(jì)加工和安裝精度達(dá)不到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)出現(xiàn)抽氣不力和倒液現(xiàn)象，影響再生效率的提高。常見再生槽液面不起硫沫或硫沫不起氣泡，浮選溢流差、溶液懸浮硫高。脫硫系統(tǒng)的再生好壞關(guān)鍵在于再生槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了更有利于硫泡沫的浮選，再生槽一般設(shè)置有2塊分布板，分布板的作用是將脫硫液中氣泡進(jìn)行重新分布，使之彌散成大量的小氣泡在上升過程中分布均勻并且能使欲浮選的硫顆粒附著在氣泡表面，一方面增大氣液接觸面積，另一方面穩(wěn)定再生槽脫硫液液面，以利硫泡沫的有效浮選聚合分離。下層分布板一般距槽底2米，上層分布板距脫硫液面1～1.5米，分布板上孔徑通常設(shè)置為φ15～20mm，孔間距為20mm左右，且多以三角形排列設(shè)計(jì)。為了減少硫泡沫的沉積，減少單質(zhì)硫?qū)υ偕郾倔w的腐蝕，噴射器尾管末端距再生槽底部的距離為600～800mm。再生槽的有效高度即溶液的實(shí)際深度應(yīng)根據(jù)噴射器入口脫硫液體壓力而定，若選用的富液泵揚(yáng)程高、槽徑大，可適當(dāng)增加再生槽的有效高度。噴射器入口液壓0.35～0.45MPa，再生槽有效深度5.0～5.5m即可。但須注意富液泵的揚(yáng)程一般比貧液泵的揚(yáng)程高，按0.6～0.7MPa選擇為宜。另外，進(jìn)入噴射器的富液通過高位槽（環(huán)管）均勻分布，對(duì)于多個(gè)噴射器的運(yùn)行更加平穩(wěn)。再生槽的實(shí)際吹風(fēng)強(qiáng)度亦要大于100m3/（m2·h），生產(chǎn)運(yùn)行效果較好。溶液在再生槽中停留的時(shí)間，是一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)參數(shù)。一般在再生槽中溶液停留時(shí)間按10～15min為宜。對(duì)于直徑大于8米的再生槽，為了便于浮選在再生槽表面的硫泡沫盡快溢流，減少硫泡沫的停留時(shí)間，除在再生槽周邊設(shè)置大于500mm的溢流槽外，中間還應(yīng)增加額外的硫泡沫溢流槽。2.4富液槽出脫硫塔的富液要有足夠的停留時(shí)間，一個(gè)是讓富液中HS-進(jìn)一步氧化，另一方面讓富液中單原子態(tài)的硫之間能進(jìn)一步充分結(jié)合，形成S4，S6及更穩(wěn)定的S8原子團(tuán)，最后S8原子團(tuán)聚合成穩(wěn)定的硫顆粒。這樣，這些細(xì)小硫顆粒再到噴射再生槽，吸氧過程中被氧化的幾率就大大降低。至于停留時(shí)間多少合適，要依據(jù)工藝狀況以及硫化氫高低來定。另外，進(jìn)行高硫化氫含量濕法脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)其水、硫回收等輔助系統(tǒng)給予足夠重視。這些輔助系統(tǒng)因?yàn)椴粫?huì)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)脫硫操作產(chǎn)生影響，往往會(huì)被人們忽略。（1）水系統(tǒng)：由于脫硫液在系統(tǒng)中不斷循環(huán)，與煤氣充分接觸，水中的離子對(duì)系統(tǒng)的影響不可忽略。特別是系統(tǒng)的工藝補(bǔ)充水，包括化堿用的水、脫硫催化劑活化時(shí)用水及熔硫系統(tǒng)的沖洗水，應(yīng)使用軟水，防止硬水中的鈣、鎂離子與硫酸根反應(yīng)生成沉淀造成系統(tǒng)鹽堵或其它部位堵塞。在脫硫泵的選型時(shí)必須注意，泵填料要選擇無冷卻水的機(jī)械密封，否則機(jī)械密封的冷卻水漏入脫硫液系統(tǒng)很不容易發(fā)現(xiàn)。（2）硫磺回收系統(tǒng)過去，人們常習(xí)慣于連續(xù)熔硫，熔硫廢液簡(jiǎn)單處理后重新返回系統(tǒng)，結(jié)果造成脫硫液中副鹽升高，部分外排置換;熔硫后廢液簡(jiǎn)單處理返回系統(tǒng)后，造成再生槽經(jīng)常出現(xiàn)虛泡，影響硫泡沫的