小型發(fā)生爐煤氣栲膠脫硫設(shè)計

黃 嶺

(山西省化工設(shè)計院，山西 太原 030001)

某高嶺土企業(yè)采用的是Φ3.2 m兩段式煤氣發(fā)生爐，生產(chǎn)的煤氣供煅燒使用，煤氣發(fā)生量為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 5 000 m3/h。煤氣中的 H2S質(zhì)量濃度為700 mg/m3～1 500 mg/m3。煤氣燃燒后，H2S轉(zhuǎn)化成SO2。SO2含量超標(biāo)，一方面，排放至空氣中會形成局域性酸雨，對環(huán)境造成污染;另一方面，煅燒過程中對高嶺土企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響［1］。鑒于此，企業(yè)決定對發(fā)生爐煤氣進(jìn)行脫硫，以使煤氣中的H2S質(zhì)量濃度指標(biāo)達(dá)到20 mg/m3～50 mg/m3。

發(fā)生爐煤氣脫硫大體上可分為干法脫硫和濕法脫硫2種。

干法脫硫工藝簡單，不僅能脫除硫化氫，而且能脫除氰化氫、氧化氮及焦油霧等雜質(zhì)。當(dāng)要求煤氣凈化度較高或煤氣處理量較小時，常采用此法。但此法存在設(shè)備笨重、換脫硫劑時勞動強(qiáng)度大、占地面積多及廢脫硫劑難以處理等問題。

干法脫硫以氧化鐵法和活性炭法應(yīng)用較廣。氧化鐵法脫硫劑來源較易，在發(fā)生爐煤氣凈化中采用較多。

與干法脫硫相比，濕法脫硫技術(shù)的應(yīng)用相對晚一些，該技術(shù)最早應(yīng)用于焦?fàn)t煤氣和水煤氣的凈化方面。隨著人們對發(fā)生爐煤氣凈化度要求的提高，濕法脫硫技術(shù)逐漸應(yīng)用于發(fā)生爐煤氣行業(yè)。

濕法脫硫具有處理能力大、脫硫與再生均能連續(xù)化、勞動強(qiáng)度小等特點。目前，國內(nèi)用于發(fā)生爐煤氣脫除硫化氫的濕法脫硫以砷堿法、改良ADA法和栲膠法最具代表性。

砷堿法有溶液硫容量大、動力消耗小、成本低、原料來源較易等優(yōu)點。但是，脫硫液有劇毒，不利于環(huán)境保護(hù)，所以，一般不推薦使用這種工藝。

改良ADA法與栲膠法工藝流程相同，只是脫硫液不同。目前，栲膠法脫硫在發(fā)生爐煤氣的濕法脫硫技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛。

經(jīng)比較，該企業(yè)從占地面積、原料煤含硫量的不確定性、煤氣凈化程度、脫硫廢渣的處理等問題考慮，決定采用濕法栲膠脫硫法脫除煤氣中的硫化氫。

1 栲膠脫硫原理［2］

栲膠由植物的皮、果、葉和干的水淬液熬制而成。栲膠的主要成分是丹寧。丹寧是由化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的化合物組合而成的混合物。由于來源不同，丹寧的組分也不相同，但它們都是由多羥基芳族化合物組成的，具有酚式或醌式結(jié)構(gòu)。

栲膠脫硫液主要是含有栲膠、偏釩酸鈉、PDS的碳酸鈉溶液，其脫硫及再生反應(yīng)過程如下:

1)pH=8.5～9.1的稀堿液吸收煤氣中的硫化氫，見反應(yīng)式(1)。

2)在堿液中，硫氫化鈉與偏釩酸鈉反應(yīng)生成還原性焦釩酸鈉，并析出元素硫，見反應(yīng)式(2)。

3)還原性焦釩酸鈉被栲膠氧化成偏釩酸鈉，見反應(yīng)式(3)。

4)還原態(tài)栲膠被空氣氧化再生，見反應(yīng)式(4)。

2 栲膠脫硫工藝流程

發(fā)生爐煤氣經(jīng)除塵、風(fēng)冷、電捕焦油、風(fēng)機(jī)加壓后進(jìn)入脫硫塔底部，栲膠脫硫液由脫硫塔上部進(jìn)入，自上而下噴淋粗煤氣，吸收粗煤氣中的硫化氫。脫除硫化氫后的干凈煤氣，經(jīng)捕沫器分離液沫后去后續(xù)工序。

吸收了硫化氫的脫硫溶液稱為富液。富液從脫硫塔底部流出，經(jīng)液封進(jìn)入反應(yīng)槽(富液槽)。在反應(yīng)槽內(nèi)，未被氧化的硫氫化鈉被進(jìn)一步氧化，并析出單質(zhì)硫。此時，溶液中吸收的硫以單質(zhì)懸浮狀態(tài)存在。反應(yīng)后的溶液由富液泵打入再生槽頂部，經(jīng)噴射器進(jìn)入噴射再生槽，同時吸入足夠的空氣，以達(dá)到氧化栲膠和浮選硫膏之目的。

再生好的溶液稱為貧液。貧液經(jīng)液位調(diào)節(jié)器進(jìn)入貧液槽，出貧液槽的貧液由貧液泵壓送返回脫硫塔循環(huán)使用。再生槽頂部的硫泡沫溢流至硫泡沫槽，在硫泡沫槽進(jìn)行加熱、攪拌和分層。經(jīng)硫泡沫泵將硫泡沫壓送至真空過濾機(jī)過濾，得到硫膏。濾液經(jīng)濾液收集器再返回反應(yīng)槽。

工藝操作參數(shù)見表1。發(fā)生爐煤氣栲膠脫硫工藝流程見圖1。

表1 發(fā)生爐煤氣栲膠脫硫工藝參數(shù)

3 設(shè)計優(yōu)化

3.1 貧液泵和富液泵的選型設(shè)計

圖1 發(fā)生爐煤氣栲膠脫硫工藝流程

由于該企業(yè)發(fā)生爐煤氣中的硫化氫質(zhì)量濃度較低，一般保持在700 mg/m3～1 500 mg/m3，脫硫液的流量可根據(jù)脫硫塔最低液氣比16 L/m3計算，得出該廠脫硫工段脫硫液流量為80 m3/h，故選用流量為86.5 m3/h的富液泵2臺，一開一備。貧液泵的流量與富液泵一致，可以集中布置在一起，貧液泵設(shè)計為1臺，與富液泵共用1臺備用泵，泵進(jìn)、出口管道可通過閥門進(jìn)行切換。

3.2 脫硫塔和反應(yīng)槽的設(shè)計

脫硫塔空塔氣速按0.5 m/s～0.7 m/s計算，脫硫塔直徑選擇為1 800 mm。經(jīng)計算，填料傳質(zhì)面積為1 800 m2，可滿足凈化要求。以往經(jīng)驗顯示，脫硫塔填料下部易堵。因此，塔下部填料選用Φ65 mm的聚乙烯海爾環(huán)填料，上部選用Φ50 mm的聚乙烯海爾環(huán)填料。

反應(yīng)槽設(shè)計在脫硫塔的底部，直徑2 200 mm，高度4 m，可保證溶液停留時間為8 min～10 min。脫硫塔與反應(yīng)槽之間采用U型管連接，U型管有效高度2 500 mm，可以取代水封槽。

反應(yīng)槽與脫硫塔合為一體，不僅可以減少設(shè)備和工藝管道的投資，而且可減少土建施工量。

3.3 噴射再生槽和貧液槽的設(shè)計

噴射再生槽是栲膠脫硫液再生的關(guān)鍵設(shè)備，溶液一般要在再生槽停留6 min～10 min，并且要與空氣中的氧充分接觸，以保證單質(zhì)硫呈泡沫狀懸浮于液面上［3］。所以，設(shè)計中必須考慮足夠的表面空間。噴射器是再生槽的重要組件，其結(jié)構(gòu)、性能是影響再生效率的關(guān)鍵因素。如果噴射器運行狀態(tài)不好，就會出現(xiàn)液體倒流、吸入空氣量不足、鼓風(fēng)強(qiáng)度不夠、再生效率差等現(xiàn)象，極易引起整個脫硫系統(tǒng)脫硫效率低下、脫硫塔堵塞等問題。

設(shè)計參數(shù)確定為:再生液在槽內(nèi)停留時間12 min，再生槽空氣用量取溶液量的3.5倍，空氣鼓風(fēng)強(qiáng)度為80 m3/(m2·h)，噴嘴速度為15 m/s，噴嘴數(shù)量2個。

再生槽計算結(jié)果如下:槽內(nèi)徑為Φ2 200 mm，槽頂擴(kuò)大部分直徑為槽體直徑的 1.4倍(選為Φ3 200 mm)，槽內(nèi)有效容積為18 m3，噴嘴口徑為Φ30 mm。

再生槽的上部設(shè)有1臺再生槽混合器，富液先進(jìn)入再生槽混合器?；旌掀魃戏峙?個出口與噴射器管道連接，可以使富液分配均勻，避免偏流不均。由于該裝置較小，可以采用長度為800 mm的Φ300 mm鋼管加工制造。

貧液槽設(shè)置在再生槽下部，與再生槽內(nèi)徑相同，可以減少設(shè)備和土建施工費用。

3.4 主要設(shè)備選用表(見表2)

表2 主要設(shè)備選用表

4 濕法栲膠脫硫的優(yōu)點和缺點

4.1 優(yōu)點

整個濕法栲膠脫硫和再生過程為連續(xù)生產(chǎn)，脫硫與再生同時進(jìn)行，無需設(shè)置備用脫硫塔。

發(fā)生爐煤氣脫硫程度可以根據(jù)企業(yè)需要、通過調(diào)整溶液配比適時加以控制，即使煤氣中的硫化氫含量較高，也可以保證凈化后的硫化氫含量穩(wěn)定。

4.2 缺點

相對于干法脫硫，濕法栲膠脫硫設(shè)備較多，投資大，工藝操作較為復(fù)雜，需要工人值班留守。

另外，栲膠脫硫在生產(chǎn)過程中還有以下不足:1)存在管道淤積硫問題;2)沒有脫除有機(jī)硫的功能;3)溶液本身的膠體性能和發(fā)泡性對操作和硫回收不利;4)對設(shè)備、管道的腐蝕較為嚴(yán)重。

5 結(jié)語

由于此次發(fā)生爐煤氣處理量較小，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后的濕法栲膠脫硫，工藝流程簡單，不僅減少了貧液泵的數(shù)量，使脫硫塔和反應(yīng)槽、噴射再生槽和貧液槽等設(shè)備合為一體，而且降低了設(shè)備投資及土建施工費用。裝置投產(chǎn)后，煤氣中的H2S質(zhì)量濃度一直控制在50 mg/m3以下，脫硫效果非常好，為提高企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量以及保護(hù)環(huán)境做出了貢獻(xiàn)。

［1］梅安華.小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1995.

［2］劉國學(xué)，高澗山，閆遂業(yè).常壓栲膠脫硫存在的問題及改造措施［J］.化工生產(chǎn)與技術(shù)，2004，11(6):39-41.

［3］溫福亞，張考全，杜敬來，等.脫硫再生系統(tǒng)的優(yōu)化及新型噴射器的應(yīng)用［J］.小氮肥設(shè)計技術(shù)，2005，26(1):37-38.