新型變脫塔在變換氣脫硫中的設計與應用

張大濤

（山東晉煤明升達化工有限公司，山東泰安 271400）

山東晉煤明升達化工有限公司，成立于2009年5月，系原山東飛達化工科技有限公司與山東晉煤明水化工集團有限公司合資合作后成立的新公司。公司現為國家級 “高新技術企業”，設有 “博士后科研工作站”、“省級技術中心”和“泰安市橡膠助劑工程技術研究中心”。目前，主導產品的生產能力分別為合成氨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。隨著產量的增加，變換氣脫硫崗位的裝置明顯處于超負荷狀態，變脫塔壓差大、帶液、被迫開近路維持生產，變脫后H2S指標無法得到保障，且當時變脫塔、再生槽等設備腐蝕嚴重，變脫塔塔體多次發生泄漏，成了生產裝置的重大安全隱患。能否開發一種投資少，脫硫效率高、節能，又不堵塔，能夠長周期穩定運行的新型變脫塔，以解決生產的瓶頸問題，已成為公司的當務之急。

1 設計方案的確定

變換氣中H2S的脫除是保證合成氨和尿素生產裝置長期穩定運行的關鍵，是生產工藝控制的重中之重。氣體中H2S超標會導致碳酸丙烯酯脫碳系統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，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，還會造成設備腐蝕，影響尿素及碳銨產品質量。針對以上危害，我們在方案設計上進行了全面的分析。

1.1 脫硫催化劑的確定

目前，我國氮肥行業變換氣脫硫工藝絕大多數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可以達到比較低的指標，但對脫硫前變換氣中H2S含量有嚴格的要求。結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氣液分布裝置和填料的不同，又有規整填料塔和散裝填料塔。填料吸收塔具有結構簡單、壓力降小、造價低、維修施工方便，且填料可用各種材料制造、耐腐蝕等優點。缺點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量較大，能耗較高。板式吸收塔是分級接觸型氣液傳質設備，種類繁多。目前，氮肥行業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、所需循環量小、能耗低等優點。缺點是結構復雜、造價高投資大、維修施工不便、內件易腐蝕。結合我公司的實際情況，組織相關工程技術人員，多次到兄弟廠家及科研院所進行考察，經過反復論證和工藝、設備方面的計算，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機理——H2S和堿溶液瞬間反應的特性（其反應速度遠遠大于CO2與脫硫液的反應速度），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與脫硫液充分混合接觸，湍動傳質，極大地提高了氣體中H2S的吸收速度和凈化度，從而大大降低設備的高度和脫硫液的循環量。

該高效變脫塔由塔體、塔板、側向導氣管、氣體平衡管、氣體分布器和氣泡發生器、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入氣體分布器和氣泡發生器，從氣泡發生器出來以后在持液段內與脫硫液“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迅速與脫硫堿液發生反應，同時氣體以小氣泡形式在浮力作用下向上升騰。為了加強氣泡與堿液充分接觸，防止嚴重的氣液夾帶，在氣泡升騰過程中，氣體分布器將大的氣泡進一步破碎，形成無數的小氣泡群，從而大大強化了氣液傳質過程。經過第一級吸收，H2S的脫除率將達到50%～60%。通過初步凈化后的氣體沿側向導氣管依次進入第二級和第三級吸收，脫硫效率達到98%以上，凈化后的氣體再經除沫器除去夾帶的液滴及硫泡沫后出塔。

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

1.4 設計基準

依據公司合成氨系統各崗位生產裝置的能力，制定了整體技術方案，并確定了相應的設計基礎條件：

設計處理變換氣流量 50 000m3／h

變脫塔入口H2S含量 ≤300mg／m3

變脫塔出口H2S含量 ＜10mg／m3

變脫系統壓差 ＜0.02MPa

脫硫液循環量 250m3／h

設計基準和條件確定后，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，根據計算結果，我們了解到山東有一家化工企業，有相似規格的全新塔設備以較低的價格尋找買家，經考察，買回后立即對該設備按定好的方案進行施工改造。

2 方案的實施

2.1 生產工藝

工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程示意

2.2 主要設備

本改造充分利用原系統動靜設備，主要設備見表1。

表1 主要設備一覽表

2.3 變脫塔本體的內外部改造

調劑的塔體進公司后，我們立即組織機修車間按制定好的設計施工方案進行改造。

（1）保留原設備上的三層塔板及支撐（原塔板為δ＝8mm，304材質的不銹鋼板），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向導氣管；利用φ530×10mm、φ108× 4mm、φ159×4mm的無縫管制作氣體分布器、氣泡發生器及氣相平衡管。

（4）制作絲網除沫器及防渦流器

（5）按施工圖紙安裝和工藝配管；除銹防腐。

（6）并入系統，投入運行。

3 運行效果

3.1 高效變脫塔投入運行前后正常運行效果對比（表2）

通過對比，說明高效變脫塔具有較高的脫硫效率，且操作運行非常穩定。

表2 改造前后硫化氫含量對比

3.2 循環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在循環量、能耗方面與高效變脫塔進行對比，如表3。

表3 高效變脫塔與其他填料塔效果比較

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

剔除因系統阻力小，壓縮機節電因素，單脫硫泵一項，節電直接經濟效益：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 經濟效益

4.1 投資情況

（1）調劑塔設備本體及運輸費20萬元，吊裝費1.5萬元。

（2）氣體分布器、氣泡發生器、降液管、液封槽、側向導氣管、氣相平衡管、除沫器等制作及安裝費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 經濟效益

（1）節電效益 71.28萬元

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

（3）節約活性炭 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，年節約活性炭脫硫劑55t，價值12.1萬元。

（4）合計 年經濟效益93.2萬元。

5 結 語

高效變脫塔與傳統填料塔對比，有以下優點：大大提高了氣體凈化度；投資小，見效快，節能顯著；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于舊塔改造，改造后單塔生產能力得到大幅度提高。用于新塔設計，由于高度比填料塔大幅度降低，投資費用將節省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。