新型變脫塔在變換氣脫硫中的設(shè)計與應(yīng)用

張大濤

（山東晉煤明升達(dá)化工有限公司，山東泰安 271400）

山東晉煤明升達(dá)化工有限公司，成立于2009年5月，系原山東飛達(dá)化工科技有限公司與山東晉煤明水化工集團(tuán)有限公司合資合作后成立的新公司。公司現(xiàn)為國家級 “高新技術(shù)企業(yè)”，設(shè)有 “博士后科研工作站”、“省級技術(shù)中心”和“泰安市橡膠助劑工程技術(shù)研究中心”。目前，主導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力分別為合成氨120kt／a、尿素180kt／a、橡膠防老劑5 000t／a、食品級二氧化碳20kt／a、甲醇20kt／a、無碳氨水15 000t／a。

公司變換氣脫硫裝置原為φ3 000× 31 800mm的填料吸收塔改造而成。隨著產(chǎn)量的增加，變換氣脫硫崗位的裝置明顯處于超負(fù)荷狀態(tài)，變脫塔壓差大、帶液、被迫開近路維持生產(chǎn)，變脫后H2S指標(biāo)無法得到保障，且當(dāng)時變脫塔、再生槽等設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，變脫塔塔體多次發(fā)生泄漏，成了生產(chǎn)裝置的重大安全隱患。能否開發(fā)一種投資少，脫硫效率高、節(jié)能，又不堵塔，能夠長周期穩(wěn)定運(yùn)行的新型變脫塔，以解決生產(chǎn)的瓶頸問題，已成為公司的當(dāng)務(wù)之急。

1 設(shè)計方案的確定

變換氣中H2S的脫除是保證合成氨和尿素生產(chǎn)裝置長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，是生產(chǎn)工藝控制的重中之重。氣體中H2S超標(biāo)會導(dǎo)致碳酸丙烯酯脫碳系統(tǒng)水冷器壁及填料上沉積硫垢，堵塞填料，造成帶液；對銅洗系統(tǒng)，會使銅液吸收H2S生成CuS沉淀，造成銅洗帶液、銅耗增加；對尿素和碳銨系統(tǒng)，還會造成設(shè)備腐蝕，影響尿素及碳銨產(chǎn)品質(zhì)量。針對以上危害，我們在方案設(shè)計上進(jìn)行了全面的分析。

1.1 脫硫催化劑的確定

目前，我國氮肥行業(yè)變換氣脫硫工藝絕大多數(shù)采用濕式催化氧化法，脫硫催化劑主要有栲膠、KCA、888、OTS、DDS、PDS等，這些催化劑的原理基本上大同小異，作用各有千秋。栲膠和KCA對變換氣中H2S含量較高時，效果較好，但脫硫后H2S的精度不是很理想；888、DDS、OTS等脫硫后變換氣中H2S可以達(dá)到比較低的指標(biāo)，但對脫硫前變換氣中H2S含量有嚴(yán)格的要求。結(jié)合我公司的實際情況，我們確定采用KCA和888兩種催化劑混用。

1.2 脫硫塔的確定

目前，我國氮肥行業(yè)變換氣脫硫基本上采用填料吸收塔和板式吸收塔兩種。填料吸收塔約占70%。在填料吸收塔中根據(jù)氣液分布裝置和填料的不同，又有規(guī)整填料塔和散裝填料塔。填料吸收塔具有結(jié)構(gòu)簡單、壓力降小、造價低、維修施工方便，且填料可用各種材料制造、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是氣液分布不均勻時吸收效率低、易堵塔，為保持一定的氣液比液體的循環(huán)量較大，能耗較高。板式吸收塔是分級接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，種類繁多。目前，氮肥行業(yè)變換氣脫硫采用的板式脫硫塔主要有垂直篩板塔、浮閥塔和長春東獅公司研制的QYD型內(nèi)件變換氣脫硫塔。板式塔具有脫硫效率高、處理能力大、操作彈性大、不易堵塔、所需循環(huán)量小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高投資大、維修施工不便、內(nèi)件易腐蝕。結(jié)合我公司的實際情況，組織相關(guān)工程技術(shù)人員，多次到兄弟廠家及科研院所進(jìn)行考察，經(jīng)過反復(fù)論證和工藝、設(shè)備方面的計算，公司決定研制一種新型高效變脫塔。

1.3 新型高效變脫塔的原理

新型高效變脫塔充分利用了脫硫反應(yīng)機(jī)理——H2S和堿溶液瞬間反應(yīng)的特性（其反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CO2與脫硫液的反應(yīng)速度），氣體在液體中鼓泡吸收，利用氣體分布裝置和氣泡再布裝置形成大量的小氣泡，使氣泡在極短的時間內(nèi)與脫硫液充分混合接觸，湍動傳質(zhì)，極大地提高了氣體中H2S的吸收速度和凈化度，從而大大降低設(shè)備的高度和脫硫液的循環(huán)量。

該高效變脫塔由塔體、塔板、側(cè)向?qū)夤?、氣體平衡管、氣體分布器和氣泡發(fā)生器、弓形降液管和液封槽、除沫器以及組裝以后形成的持液段等部分組成。

氣體流向 氣體從塔底部直接進(jìn)入氣體分布器和氣泡發(fā)生器，從氣泡發(fā)生器出來以后在持液段內(nèi)與脫硫液“潛水”快速鼓泡接觸（分布器在持液段液面以下），此時氣體中的H2S迅速與脫硫堿液發(fā)生反應(yīng)，同時氣體以小氣泡形式在浮力作用下向上升騰。為了加強(qiáng)氣泡與堿液充分接觸，防止嚴(yán)重的氣液夾帶，在氣泡升騰過程中，氣體分布器將大的氣泡進(jìn)一步破碎，形成無數(shù)的小氣泡群，從而大大強(qiáng)化了氣液傳質(zhì)過程。經(jīng)過第一級吸收，H2S的脫除率將達(dá)到50%～60%。通過初步凈化后的氣體沿側(cè)向?qū)夤芤来芜M(jìn)入第二級和第三級吸收，脫硫效率達(dá)到98%以上，凈化后的氣體再經(jīng)除沫器除去夾帶的液滴及硫泡沫后出塔。

液體流向 脫硫液從上部進(jìn)液管口直接打入上層塔板，吸收部分H2S后，經(jīng)弓形降液管和液封槽依次溢流至第二和第三層塔板，吸收后經(jīng)弓形降液管進(jìn)入塔下部富液區(qū)，由變脫塔根部液位調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入閃蒸槽，閃蒸后的脫硫富液進(jìn)入氧化再生槽噴射器氧化再生，再生后的貧液經(jīng)脫硫泵打入變脫塔，進(jìn)行下一個循環(huán)。

1.4 設(shè)計基準(zhǔn)

依據(jù)公司合成氨系統(tǒng)各崗位生產(chǎn)裝置的能力，制定了整體技術(shù)方案，并確定了相應(yīng)的設(shè)計基礎(chǔ)條件：

設(shè)計處理變換氣流量 50 000m3／h

變脫塔入口H2S含量 ≤300mg／m3

變脫塔出口H2S含量 ＜10mg／m3

變脫系統(tǒng)壓差 ＜0.02MPa

脫硫液循環(huán)量 250m3／h

設(shè)計基準(zhǔn)和條件確定后，我們立即對塔徑、塔高和塔體厚度以及人孔直徑完成了初步計算，根據(jù)計算結(jié)果，我們了解到山東有一家化工企業(yè)，有相似規(guī)格的全新塔設(shè)備以較低的價格尋找買家，經(jīng)考察，買回后立即對該設(shè)備按定好的方案進(jìn)行施工改造。

2 方案的實施

2.1 生產(chǎn)工藝

工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程示意

2.2 主要設(shè)備

本改造充分利用原系統(tǒng)動靜設(shè)備，主要設(shè)備見表1。

表1 主要設(shè)備一覽表

2.3 變脫塔本體的內(nèi)外部改造

調(diào)劑的塔體進(jìn)公司后，我們立即組織機(jī)修車間按制定好的設(shè)計施工方案進(jìn)行改造。

（1）保留原設(shè)備上的三層塔板及支撐（原塔板為δ＝8mm，304材質(zhì)的不銹鋼板），去掉原來的6根φ377×4 500×8mm不銹鋼無縫管，并將形成的空洞用不銹鋼板封堵。

（2）利用尿素車間原退下來的φ700×9 000 ×6mm解吸塔，沿中線切開制作脫硫塔的三層弓形降液管。

（3）利用φ426×10mm的無縫管及彎頭制作側(cè)向?qū)夤?；利用?30×10mm、φ108× 4mm、φ159×4mm的無縫管制作氣體分布器、氣泡發(fā)生器及氣相平衡管。

（4）制作絲網(wǎng)除沫器及防渦流器

（5）按施工圖紙安裝和工藝配管；除銹防腐。

（6）并入系統(tǒng)，投入運(yùn)行。

3 運(yùn)行效果

3.1 高效變脫塔投入運(yùn)行前后正常運(yùn)行效果對比（表2）

通過對比，說明高效變脫塔具有較高的脫硫效率，且操作運(yùn)行非常穩(wěn)定。

表2 改造前后硫化氫含量對比

3.2 循環(huán)量及能耗方面的對比

筆者將與我公司條件相同采用填料塔的幾個企業(yè)在循環(huán)量、能耗方面與高效變脫塔進(jìn)行對比，如表3。

表3 高效變脫塔與其他填料塔效果比較

粗略計算，日節(jié)電（308－128）×24＝4 320kW·h，年節(jié)電1 425 600kW·h。

剔除因系統(tǒng)阻力小，壓縮機(jī)節(jié)電因素，單脫硫泵一項，節(jié)電直接經(jīng)濟(jì)效益：1 425 600×0.5＝71.28萬元／a。

3.3 脫硫液組分

由于變換氣中CO2濃度較高（27%左右），采用填料塔吸收時間長，在吸收H2S的同時，吸收了大量的CO2，堿耗較高。高效變脫塔投入運(yùn)行后，脫硫液組分明顯改善，堿耗降低三分之一，總堿度始終在0.4～0.5mol／L，KCA、888脫硫劑添加量不變，副鹽含量大幅度降低，貧液中的懸浮硫含量從0.8g／L降至0.2g／L。

4 經(jīng)濟(jì)效益

4.1 投資情況

（1）調(diào)劑塔設(shè)備本體及運(yùn)輸費(fèi)20萬元，吊裝費(fèi)1.5萬元。

（2）氣體分布器、氣泡發(fā)生器、降液管、液封槽、側(cè)向?qū)夤?、氣相平衡管、除沫器等制作及安裝費(fèi)14.5萬元。

（3）工藝管線、閥門、儀表等8萬元。（4）合計 44萬元。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

（1）節(jié)電效益 71.28萬元

（2）節(jié)約食用純堿 原來加堿量360kg／d，改造后200kg／d，年節(jié)約量52.8t，按當(dāng)前市場價1 860元／t計算，年節(jié)約9.82萬元。

（3）節(jié)約活性炭 原脫碳前活性炭脫硫槽每月更換一次，一槽5t，改造后一年更換一次，年節(jié)約活性炭脫硫劑55t，價值12.1萬元。

（4）合計 年經(jīng)濟(jì)效益93.2萬元。

5 結(jié) 語

高效變脫塔與傳統(tǒng)填料塔對比，有以下優(yōu)點(diǎn)：大大提高了氣體凈化度；投資小，見效快，節(jié)能顯著；徹底解決了脫硫塔填料堵塞問題，杜絕了檢修扒塔等系列工作，節(jié)約了人力物力；操作彈性大，塔阻力小。而且該高效變脫塔特別適應(yīng)于舊塔改造，改造后單塔生產(chǎn)能力得到大幅度提高。用于新塔設(shè)計，由于高度比填料塔大幅度降低，投資費(fèi)用將節(jié)省1／3～1／2。因此，該高效脫硫塔有很好的使用價值和推廣價值。