氨作堿源COG脫硫過(guò)程中氨的作用與形態(tài)行為*

季廣祥

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

氨作堿源COG脫硫過(guò)程中氨的作用與形態(tài)行為*

季廣祥

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

通過(guò)對(duì)氨作堿源脫硫過(guò)程影響脫硫效率最本質(zhì)最核心因素的分析，論述了脫硫過(guò)程中氨的作用與形態(tài)行為，并在此基礎(chǔ)上用歸類簡(jiǎn)化的方法，以更直觀的方式剖析了其形態(tài)對(duì)脫硫效率的量化影響。

焦?fàn)t煤氣脫硫 氨作堿源 氨的作用與形態(tài)行為

0 前言

氨作堿源COG脫硫包括中和法和氧化法，系利用氣相自身的氨作堿源，而無(wú)需外加任何堿性介質(zhì)。因其具有工藝簡(jiǎn)單緊湊，運(yùn)行成本低廉，操作簡(jiǎn)單易控等優(yōu)勢(shì)，故近20年來(lái)獲得了廣泛采用。但由于設(shè)備配置、過(guò)程條件等差異，導(dǎo)致脫硫效率參差不齊［1］。脫硫效率低的僅65%～70%左右，脫硫后COG中H2S含量高達(dá)1700 mg/m3～2000 mg/m3，遠(yuǎn)高于《焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件》(2008修訂)中工業(yè)及其它煤氣H2S≤250 mg/m3的要求;脫硫效率高的達(dá)95%～99.8%，其脫硫后煤氣H2S含量從250 mg/m3至不足10 mg/m3，采用氧化法甚至無(wú)需干法脫硫作補(bǔ)充，可一次脫硫直接供作甲醇原料氣或低硫燃?xì)狻Ｔ谶@些差別的背后盡管表面現(xiàn)象千差萬(wàn)別，但最本質(zhì)最核心的影響依然是氨，是氨在脫硫過(guò)程中的形態(tài)與行為不同，以致氨的作用發(fā)揮程度有所差異所致［2］。因此，深入分析氨在脫硫過(guò)程中的作用與形態(tài)行為，使其潛力獲得最大限度的發(fā)掘與發(fā)揮，對(duì)于指導(dǎo)氨作堿源COG脫硫工藝、設(shè)備選型及配置、過(guò)程條件等的優(yōu)化無(wú)疑會(huì)起到積極的促進(jìn)作用。

1 氨在脫硫過(guò)程中的作用

1.1 增加溶液的硫容量

COG中含有無(wú)機(jī)硫化氫和少量有機(jī)硫化物，COG脫硫主要脫除無(wú)機(jī)硫。COG一般含H2S 5～7g/m3，有機(jī)硫1 g/m3左右。H2S是一種弱酸性氣體，其在0℃和常壓下在水中的溶解度為1∶2.6，即:1單位體積的水能溶解2.6單位體積的硫化氫，溫度升高溶解度降低。但由于COG含H2S較少，其分壓PH2S僅3～3.5 mmHg，即使在平衡條件下用水吸收H2S的量也十分有限。

H2S雖能溶于水，其溶解度與溫度相關(guān)。H2S系二元酸性化合物，遇水被吸收，隨即發(fā)生解離:

H2S的一級(jí)解離平衡常數(shù)

隨著H2S的解離，溶液中以分子狀態(tài)存在的H2S濃度減小，溶液表面硫化氫分壓P’H2S降低，從而令氣相中的H2S更多地轉(zhuǎn)移至液相。由于受解離平衡的制約，液相中分子狀態(tài)的H2S濃度上升，P’H2S也上升至新值，至 PH2S=P’H2S時(shí)則吸收過(guò)程隨解離達(dá)到平衡而終止。

當(dāng)向溶液中加入氨時(shí)，由于游離氨的存在，H2S的解離度增高，P’H2S 降低，PH2S＞ P’H2S，促使氣相中H2S轉(zhuǎn)移至液相中。且隨游離氨濃度的上升(pH也上升)而令更多H2S從氣相轉(zhuǎn)移液相中。從而使溶液的硫容增加直至達(dá)到平衡為止。溶液中H2S和氨在溶液中的解離平衡關(guān)系用下式表示:

式中:K——解離平衡常數(shù);

［NH4+］——氨離子濃度，摩爾分率;

［HS－］——硫氫根離子濃度，摩爾分率;

［H2S］——硫化氫分子濃度，摩爾分率;

［NH3］——游離氨濃度，摩爾分率。

1.2 溶液中游離氨的存在將使H2S的吸收持續(xù)進(jìn)行

上述隨著溶液吸收H2S的數(shù)量不斷增多，溶液中游離氨濃度也逐漸降低，溶液pH值也隨之降低至解離停止，當(dāng) PH2S=P’H2S時(shí)，溶液即不再吸收H2S。但是只要向溶液中不斷補(bǔ)入氨，并能保持較高的pH值，同時(shí)及時(shí)從溶液中移除HS－，H2S的吸收就能以較快的速度持續(xù)進(jìn)行。

這是因?yàn)樵谙∪芤褐校趐H值較高(如pH=8.5～9.0)的條件下，能使H2S的解離度保持較高水平(＞90%)，從而 H2S的吸收推動(dòng)力增高，即PH2S– P’H2S= △PH2S，△PH2S也能保持較高水平，以促進(jìn)H2S吸收速率的提升。

在實(shí)際生產(chǎn)條件下的脫硫過(guò)程中，脫硫初始時(shí)氣相中的硫化氫分壓和終了時(shí)氣相中的硫化氫分壓很少變化。這是因?yàn)槭芙固亢蛑笜?biāo)要求的制約，煤氣中H2S含量相對(duì)穩(wěn)定;而脫硫后煤氣中H2S也相對(duì)固定(H2S≤250 mg/m3或≤20 mg/m3)。在脫硫過(guò)程中惟一要適應(yīng)這種要求的就是溶液中游離氨的濃度。因?yàn)?

可見，在整個(gè)脫硫過(guò)程中，只要溶液中游離氨的濃度適應(yīng)脫硫效率的要求，脫后煤氣中H2S指標(biāo)就能達(dá)到預(yù)期值。

適應(yīng)脫硫效率要求的溶液中游離氨濃度可以通過(guò)如下步驟計(jì)算出:

按亨利定律:液相中［H2S］=PH2S/HH2S。當(dāng)系統(tǒng)溫度、壓力一定時(shí)，氣相中的H2S的平衡濃度(g/m3)，可按下式計(jì)算:

式中:YH2S——平衡條件下煤氣中H2S含量，g/m3;

［NH+4］——溶液中氨離子(NH+4)濃度，摩爾分率;

［NH3］——游離氨濃度，摩爾分率;

［HS－］——溶液中硫氫根離子(HS－)濃度，摩爾分率;

P——煤氣總壓力，大氣壓;

HH2S——H2S 的亨利系數(shù)，g－mol/L·Pa;

K——解離平衡常數(shù)。

由公式(1)可以看出，氣相中H2S的平衡濃度YH2S(g/m3)條件下液相中游離氨濃度應(yīng)為:

由公式(2)可見，氣相中H2S的平衡濃度YH2S與液相中的氨的濃度(NH3)成近似反比關(guān)系。當(dāng)溫度、壓力及溶液中［NH+4］及［HS－］相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，這種反比是線性的。即隨溶液［NH3］升高YH2S成比例降低。

前述將硫化氫的亨利系數(shù)HH2S視為常數(shù)，主要是因?yàn)镠H2S在通常操作范圍條件下，其值變化不大。在實(shí)際生產(chǎn)條件下，煤氣總壓P波動(dòng)極小，一般僅500 Pa～1000 Pa，因此P也可視為常數(shù)。而過(guò)程溫度變化范圍較大，從20℃到40℃不等，也正是過(guò)程溫度的不同導(dǎo)致了液相中游離氨濃度［NH3］的變化，從而最終影響到脫硫效率。鑒于溫度對(duì)液相中游離氨濃度的影響顯著，可通過(guò)氨的亨利系數(shù)計(jì)算求得［NH3］，且氨的亨利系數(shù)隨溫度急劇變化。因此，在實(shí)際計(jì)算或分析脫硫效率影響因素時(shí)，都不能將氨的亨利系數(shù)HNH3視為常數(shù)。且可通過(guò)HNH3在已知煤氣中氨分壓PNH3及與脫硫效率相適應(yīng)的液相游離氨濃度［NH3］時(shí)，并計(jì)算出此條件下相應(yīng)的氨的亨利系數(shù)，進(jìn)而查氨的亨利系數(shù)表，即可確定與該氨的亨利系數(shù)相對(duì)應(yīng)的溫度值，從而可以進(jìn)一步確定適宜的脫硫過(guò)程溫度。

1.3 溶液中的游離氨起抗CO2、HCN對(duì)溶液吸收H2S的干擾作用

由于 COG中除含 NH3、H2S外，還含 CO240～55 g/m3、HCN 0.8～ 1.2 g/m3。HCN 的酸性較之H2S更強(qiáng)，而CO2的酸性雖比HCN的酸性為弱，但HCO3－與NH4+的結(jié)合能力仍強(qiáng)于HS－與NH4+的結(jié)合能力，故其對(duì)H2S吸收的干擾作用不容忽視。因此(1)、(2)式的計(jì)算結(jié)果只能是粗略的。

由于氣相中有HCN和CO2以及O2的存在，構(gòu)成NH3—H2S—HCN—CO2—H2O多元物系，故溶液中有HCO3－、CNS－、S2O……等離子存在，且其酸性比HS－強(qiáng)，這些酸性離子與NH4+的結(jié)合能力較HS－與NH4+結(jié)合能力更強(qiáng)，從而可使H2S的解離反應(yīng)向逆向進(jìn)行，令溶液中分子狀態(tài)的H2S增多，液相表面的硫化氫分壓P’H2S增加，則H2S的吸收推動(dòng)力降低，H2S的吸收速率隨之下降。故上述計(jì)算應(yīng)修正如下:

以LS表示液相中硫的總濃度(mol/L)，即LS=［H2S］+［HS－］，由溶液中 PH ＞8.5～9.0，故 H2S 的解離度在90%～99%，故［HS－］遠(yuǎn)高于［H2S］，故LS≈［HS－］;［NH+4］=［HS－］+［HCO－3］+［CNS－］+……+Xi=∑Xi;設(shè)溶液中總氨為A，游離氨濃度［NH3］=A－∑Xi，且令k/K=C，則⑴式可表示為:

由公式(3)可以看出，在溶液中隨各種酸性離子濃度(∑Xi)和液相中總硫的增加，與之平衡的氣相中H2S含量也隨之升高。但可通過(guò)提高溶液中總氨A加以平衡，此時(shí)增加A即提升［NH3］，游離氨濃度增加可以抗多種酸根(∑Xi)對(duì)溶液吸收H2S的干擾作用，從而提高脫硫效率。如通過(guò)提鹽、析鹽或排出脫硫廢液則可有效降低∑Xi，也可保持或提高脫硫效率。還有就是及時(shí)從溶液移除HS－，以降低LH2S，同樣可以有效地提高脫硫效率。在生產(chǎn)實(shí)際的脫硫過(guò)程中提高脫硫效率的措施有:

1)降低總LS的措施就是降低［HS－］，其具體方法如AS法中的脫酸，使H2S、HCN、CO2呈氣態(tài)逸出;氧化法HS－的氧化生成單體硫等等。移除HS－的效率直接關(guān)系到脫硫效率的高低和副反應(yīng)速率，是脫硫過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2)提高總氨A是提高脫硫效率最最重要的措施，其最直接最有效的辦法就是降低過(guò)程溫度。溫度降低可以減小溶液表面氨的分壓，從而促使氨從氣相轉(zhuǎn)移至液相，提高液相中的游離氨濃度(［NH3］)，進(jìn)而促使脫硫效率提高。例如過(guò)程溫度從30℃左右降至20℃，亨利系數(shù)升高幾近13倍，可使液相中［NH3］大幅升高。氨水吸收H2S系放熱反應(yīng)，過(guò)程溫度降低無(wú)疑會(huì)促進(jìn)H2S的吸收;其次是防止脫硫系統(tǒng)氣相中氨的流失，如采用直接式預(yù)冷塔冷卻煤氣，在更換冷卻液的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間會(huì)導(dǎo)致氣相中的氨流失30%～40%，會(huì)周期性大幅降低脫硫效率。實(shí)踐證明，在COG脫硫的實(shí)際運(yùn)行中，過(guò)程溫度控制在22℃～24℃，煤氣含NH35 g/m3左右，H2S 6 g/m3～7 g/m3，凈化后煤氣 H2S完全可長(zhǎng)期保持＜10 mg/m3。實(shí)踐也未見氣相中氨硫比低對(duì)脫硫效率的影響，單純強(qiáng)調(diào)COG中氨硫比對(duì)脫硫效率的作用，顯然忽略了過(guò)程條件對(duì)溶液中［NH3］的決定性影響。也有人擔(dān)心初冷煤氣溫度過(guò)低會(huì)降低煤氣氨含量，影響脫硫效率。實(shí)際是初冷溫降低后，煤氣中的NH3進(jìn)入初冷冷凝液，而冷凝液進(jìn)入循環(huán)氨水，氨也隨之進(jìn)入循環(huán)氨水，當(dāng)循環(huán)氨水在集氣管噴灑冷卻荒煤氣時(shí)，這部分氨又重新進(jìn)入煤氣，此時(shí)進(jìn)入初冷器的煤氣所含氨已有所升高，由于煤氣中氨含量升高，與冷凝液氨含量達(dá)到新的平衡，而初冷后煤氣中氨并不會(huì)降低，因此，無(wú)需擔(dān)心初冷溫度降低會(huì)影響初冷后煤氣含氨的問(wèn)題。

3)降低溶液中的∑Xi會(huì)促進(jìn)脫硫效率的提高。其具體辦法是提鹽、析鹽或從系統(tǒng)排出廢液;還有就是氧化法可以選擇性能更好的脫硫劑，以降低溶液中［HS－］，減小副反應(yīng)的推動(dòng)力，降低副反應(yīng)速率，以減少∑Xi;對(duì)于AS法通過(guò)脫酸和向脫硫液加堿可消除∑Xi，從而提高貧液的硫容，促進(jìn)脫硫效率的提高。

2 溶液中氨的形態(tài)與行為

正如前所述，脫硫液中的總氨A主要有兩種形態(tài)，即游離氨和NH+4。游離氨是脫硫液中的活性成分，它的存在一方面可以促進(jìn)H2S的吸收，同時(shí)提升H2S的解離度，降低溶液［H2S］，增加H2S的吸收推動(dòng)力，是決定脫硫效率的最最重要的因素。

離子型氨(NH+4)是煤氣中 CO2、HCN、O2等雜質(zhì)氣體與氨反應(yīng)生成鹽而形成的，除NH4HCO3不夠穩(wěn)定，常溫下即可分解外，其他鹽比較穩(wěn)定。所有∑Xi都消耗一定的氨，對(duì)脫硫過(guò)程均具負(fù)面影響。為降低HCO－

3的影響，應(yīng)破壞其生成條件(如縮短氣液接觸時(shí)間)，以防止其生成，或及時(shí)排除之。

應(yīng)當(dāng)指出:溶液吸收CO2受液膜阻力控制，而H2S的吸收受氣膜阻力控制，H2S的吸收先于且快于CO2的吸收。AS法中因氣液接觸時(shí)間受控(指氣相負(fù)荷與設(shè)計(jì)值一致)，以及氧化法中因H2S的吸收—解離—HS－氧化速度極快，故在∑Xi中均可不計(jì)CO2的影響。

3 討論

本文以亨利定律為基礎(chǔ)，對(duì)液相中氨與硫化氫的平衡，以及氣相中HCN、CO2進(jìn)入液相中后形成的HCO－3、CNS－、S2O2－3對(duì)H2S吸收的影響進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，從而可以更加直觀地了解∑Xi對(duì)脫硫過(guò)程的具體影響。但是溶液中各組分的濃度與其分壓的關(guān)系是否符合亨利定律及其符合程度，會(huì)直接影響式⑵、⑶的準(zhǔn)確性。表1提供了溶液中組分濃度與其分壓偏離亨利定律的程度。

由表1可以看出:①液相中氨的濃度所對(duì)應(yīng)的氨的蒸汽壓實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的偏差雖有差異，但相對(duì)差異一般均在1%～5%之間，其準(zhǔn)確程度可滿足工程計(jì)算要求;②液相中CO2的濃度與所對(duì)應(yīng)的蒸汽壓實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的偏差值雖較大，但相對(duì)差異一般在5%以內(nèi)，其準(zhǔn)確度在工程計(jì)算中已可接受;③液相中H2S濃度所對(duì)應(yīng)的蒸汽壓實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的偏差值一般較小，在應(yīng)用范圍內(nèi)其精確度可以適應(yīng)工程計(jì)算要求。實(shí)驗(yàn)值雖與按亨利定律的計(jì)算值有偏差，但相對(duì)偏差較小，故公式⑵、公式⑶仍可用于工程計(jì)算。

表1 20℃時(shí)氨、二氧化碳、硫化氫水溶液蒸汽分壓

4 結(jié)論

1)COG 組成復(fù)雜，含有 NH3、H2S、HCN、CO2等多種氣體，對(duì)于脫硫過(guò)程所形成的 NH3－H2SHCN－CO2－H2O多元物系，其相互作用和影響十分復(fù)雜。用歸類簡(jiǎn)化法，可以更直觀的剖析其對(duì)脫硫過(guò)程的影響。

2)氨在脫硫液中的形態(tài)與行為影響脫硫過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)。游離氨濃度(［NH3］)是決定脫硫效率的關(guān)鍵性因素，應(yīng)千方百計(jì)確保［NH3］適應(yīng)脫硫效率的要求。

3)離子型氨(NH+4)是與∑Xi伴生存在的，∑Xi對(duì)脫硫過(guò)程的負(fù)面影響也是可以通過(guò)采取多種措施加以控制的。

4)在AS法和氧化法中，因脫硫過(guò)程氣液相接觸時(shí)間或氧化反應(yīng)時(shí)間受控，故皆可忽略CO2對(duì)∑Xi的作用。

［1］季廣祥.提高以氨作堿源氧化法焦?fàn)t煤氣脫硫效率的必要條件.煤化工，2009，37(1):57 －60.

［2］季廣祥.氨作堿源濕式氧化法焦?fàn)t煤氣脫硫機(jī)理芻議.煤化工，2011，39(6):52 －54.

PURPOSE AND BEHAVIOR OF AMMONIA DURING COG DESULPHURATION WITH AMMONIA AS ALKALI RESOURCE

Ji Guangxiang
(Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd)

It introduces the purpose and behavior of ammonia during COG desulphuration in detail through analyzing the core factors which affect desulphuration efficiency with ammonia as alkali resource and explores the quantization influence of morphology on desulphuration efficiency by induction method.

COG desulphuration ammonia as alkali resource purpose and behavior of ammonia

*聯(lián)系人:季廣祥，教授級(jí)高工，享受國(guó)務(wù)院特殊津貼，河南.安陽(yáng)(455004)，安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司;

2012—5—16