濕式氧化還原法高效吸收反應(yīng)塔吸收效率測試研究

朱紅彬（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司,山東　東營　257026）

濕式氧化還原法高效吸收反應(yīng)塔吸收效率測試研究

朱紅彬
（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司,山東東營257026）

為了提高濕式氧化還原法脫硫吸收反應(yīng)器的效率和防硫堵性能，實(shí)現(xiàn)單塔凈化吸收的目標(biāo)，在理論分析的基礎(chǔ)上，提出了新型高效吸收反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，并基于絡(luò)合鐵脫硫工藝開展了現(xiàn)場試驗(yàn)測試，其吸收效率高到99.9%以上，防硫堵性能顯著。

高效；吸收反應(yīng)器；天然氣脫硫；防堵

濕式氧化還原法脫硫又稱直接轉(zhuǎn)化法，是指使用含有氧載體的溶液將天然氣中的H2S氧化為元素硫，被還原的氧化劑經(jīng)空氣再生又恢復(fù)了氧化能力的一類氣體脫硫方法[1]。按照反應(yīng)原理分為H2S吸收過程和溶液再生過程。其吸收過程的關(guān)鍵設(shè)備為吸收塔，吸收塔的核心作用是完成H2S的氣液傳質(zhì)過程。這一過程受多方面因素的影響，但大致可分為物理因素和化學(xué)因素。其中化學(xué)因素的影響主要因脫硫藥劑的PH值、離子濃度等參數(shù)的不同而存在差異，物理因素受反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、氣液分布等因素的影響。因此針對某種脫硫劑來講，吸收塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于其傳質(zhì)效率、防硫沉積起到至關(guān)重要的作用。本文重點(diǎn)對絡(luò)合鐵脫硫技術(shù)的吸收反應(yīng)器進(jìn)行了吸收效率和和防硫堵效果進(jìn)行了測試研究。

1　絡(luò)合鐵法脫硫技術(shù)及吸收傳質(zhì)過程

絡(luò)合鐵法是濕式氧化還原法工藝中鐵法工藝的代表工藝之一，該技術(shù)以鐵離子作為催化劑，在堿性溶液中通過添加絡(luò)合劑使鐵離子在溶液中形成均相體系，防止沉淀的產(chǎn)生。其反應(yīng)技術(shù)原理如下：其主要反應(yīng)如下[2]：

（1）堿性水溶液吸收H2S、析硫過程

（2）再生反應(yīng)

通過以上反應(yīng)原理可見，其吸收過程（1）中首先H2S進(jìn)入液相，實(shí)現(xiàn)從氣相到液相轉(zhuǎn)移，在這個(gè)過程中氣體首先要突破氣液相界面進(jìn)入到液相。H2S吸收氣液傳質(zhì)是基于氣液雙膜控制理論。在氣液雙膜控制理論中，H2S氣液傳質(zhì)是假定在氣液界面處，溶入液體中H2S濃度與氣相中H2S分壓力處于平衡狀態(tài)，此關(guān)系符合亨利定律。H2S通過氣膜和液膜傳質(zhì)時(shí)，其總的傳質(zhì)速率分別與其傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力成正比。

據(jù)此，可推得下式(6)～(7)：

式中：N——H2S總傳質(zhì)速率，mol/cm2?L；

PH2S——?dú)庀啾倔wH2S分壓力，kPa；

CH 2S——液相本體的H2S濃度，mol/L；

H——亨利常數(shù)，kPa/mol?L；

kg，kl——分別為氣膜和液膜傳質(zhì)系數(shù)；

φ——液相增強(qiáng)因子；

kG——總氣相傳質(zhì)系數(shù)。

對于式(1)，在石灰石脫硫系統(tǒng)中，液相中H2S分壓力H?CH 2S與氣相中H2S分壓力PH 2S相比，通常可以忽略不計(jì)。當(dāng)比值φkl/ Hkg遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1時(shí)，傳質(zhì)受液膜阻力的控制;當(dāng)其遠(yuǎn)大于1時(shí)，傳質(zhì)受氣膜阻力的控制。通常濕式氧化還原法脫硫吸收過程受液膜阻力控制，氣液接觸面積是液膜阻力影響的重要因素，因此在吸收塔內(nèi)氣相中的H2S與液相脫硫液如何充分接觸，是提高吸收效率的關(guān)鍵。

2　高效吸收反應(yīng)器

傳統(tǒng)的濕式氧化還原法脫硫多采用板式塔、填料塔等塔器，對于H2S含量較高的氣體，往往需要通過多個(gè)塔器串聯(lián)吸收的方式才能確保脫硫后氣體中的H2S小于20m g/Nm3。另一方面，濕式氧化還原法由于溶液中含有固相硫磺，容易出現(xiàn)硫堵、發(fā)泡等問題。為了解決以上問題，本文提出一種新型吸收反應(yīng)器結(jié)構(gòu)型式。

本吸收反應(yīng)器工作流程為：含硫原料氣首先與貧液1在線管中進(jìn)行混合，進(jìn)入塔器底部的分布裝置，氣體向上流動(dòng)，與向下流動(dòng)的液體形成逆流接觸，氣體上浮到液面之上繼續(xù)與從貧液2進(jìn)入的液體形成逆接觸，凈化后的氣體從凈化氣管線進(jìn)入后續(xù)流程，富液進(jìn)入塔底部的富液管線。

3　吸收效率實(shí)驗(yàn)測試

以絡(luò)合鐵脫硫劑作為吸收藥劑，通過開展現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試，確定反應(yīng)器整體效率及在塔內(nèi)不同位置的硫化器脫除率。原料氣采用井口含硫天然氣，H2S含量平均為10.02g/Nm3，氣量為400Nm3/h左右，脫硫液量為2m3/h，吸收壓力在2.2-2.3Mpa。該測試共分為兩組，試驗(yàn)一：維持氣量、貧液II液量為0、壓力等條件不變，調(diào)整液位高度，測試貧液I的吸收效率；試驗(yàn)二：維持氣量、貧液I液量為0、壓力等條件不變，測試不同液位貧液II的吸收效率；

通過以上測試可見，該反應(yīng)器整體脫除效率高，能夠?qū)艋瘹庵蠬2S控制在20mg/Nm3以內(nèi)。單獨(dú)通過貧液I吸收，吸收效率最高達(dá)100%，當(dāng)液位低至0時(shí)，仍有90%的吸收效率；單獨(dú)采用貧液II吸收，吸收效率在93%以上，霧化效果明顯，吸收效果顯著。另外通過觀察，該反應(yīng)器內(nèi)部沒有出現(xiàn)由于硫磺導(dǎo)致的沉積和堵塞等現(xiàn)象。

吸收反應(yīng)器效率測試

4　結(jié)論

通過理論和經(jīng)驗(yàn)分析得出了提高吸收反應(yīng)器效率和防硫堵的方法，并開展了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試，得到如下結(jié)論：

（1）改濕式氧化還原法吸收反應(yīng)塔吸收效率高，可實(shí)現(xiàn)單塔100%吸收，大幅度提高了吸收效果和抗波動(dòng)能力，另外防硫堵效果顯著，有效解決了傳統(tǒng)填料容易出現(xiàn)的硫沉積的問題。

（2）貧液I的預(yù)混合吸收效率可達(dá)90%，貧液II的吸收效率93%以上，針對更高濃度的H 2S吸收，可同時(shí)采用兩種吸收方式，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行液量的調(diào)整和分配。

（3）貧液II除了具有較高的吸收率外，還具有有效防止硫磺聚集的作用，在塔器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)予以充分考慮。

[1]王開岳等．天然氣凈化工藝[M].石油工業(yè)出版社,2005:193-194．

[2]肖九高,楊建平,郝愛香.國外絡(luò)合鐵法脫硫技術(shù)研究進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù),2003,24(05):41-43.

朱紅彬（1984—），男，中國石油大學(xué)（華東）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，工程師，主要從事于天然氣脫硫技術(shù)研究。