2.0 MPa加壓濕法脫硫設計及運行合理化建議

2.0 MPa加壓濕法脫硫設計及運行合理化建議

朱海新 鄭立華

(北京博源恒升高科技有限公司

北京100190)

加壓脫硫工藝一般根據壓力可分為0.8 MPa、1.2～1.5 MPa、1.7～2.0 MPa和2.4～2.6 MPa脫硫。初期加壓脫硫工藝設計壓力一般較低，控制在1.5 MPa以下，此時，加壓變脫系統的設計及操作相對較易；后來，對設備投資、占地面積、運行費用等方面進行了考慮，加壓脫硫壓力逐步上升至1.7～2.0 MPa，甚至個別裝置脫硫系統壓力在2.6 MPa左右。對于這種壓力較高的脫硫系統，在設計及操作方面，與低壓脫硫系統明顯不同，此處主要討論2.0 MPa加壓脫硫系統。

1 2.0 MPa加壓脫硫系統存在的問題及原因分析

2.0 MPa加壓脫硫系統運行時，一般會出現系統壓差波動、阻力上升；嚴重時，塔內會形成液泛，造成“淹塔”、帶液等問題，導致系統不能正常運行。同時，有些企業還會出現脫硫效果不穩定的情況，壓差高時脫硫效果較好，壓差低時脫硫效果較差，偶爾還會伴隨再生槽再生效果不好，不能正常形成泡沫或噴射器不吸空氣，甚至向外噴氣、倒液等情況。設備檢修時，往往發現塔內填料、氣液分布器等比較干凈，沒有出現塔內填料、氣液分布器或除沫器等堵塞的問題，依常規看，不應出現以上問題。其原因主要是塔內起泡、CO2閃蒸不完全及溶液夾帶氣體或噴射器堵塞。

脫硫塔內起泡時，塔內空間會迅速被氣泡占據，氣液通道比正常時小，故造成局部氣液流速過快，塔內阻力上升。當溶液本身重力不足以克服氣體上升所產生的“托力”時，溶液無法下流，則會出現托液、攔液等情況，此時氣液接觸面積會比之前要增大不少，因此，塔內壓差上漲時，如循環量不變，脫硫效果有時反而會變好。在2.0 MPa下加壓脫硫，因系統壓力較高，故各組分氣體分壓相對較高，此時溶液所吸收的CO2，H2，N2及CO等氣量也會增大。若脫硫塔和閃蒸槽設計不合理，溶液會從脫硫塔內夾帶少量氣體，或CO2在閃蒸槽閃蒸不完全而進入再生槽上部噴射器中。由于壓力降低，此時部分氣體從此處閃蒸，造成再生槽再生壓力不穩定，噴射器不吸空氣甚至倒噴氣體，再生壓力的變化會導致泡沫不能正常形成或溢出。脫硫塔內易起泡的原因如下。

(1) 目前，加壓脫硫工藝多數為濕式氧化法脫硫，脫硫液一般以純堿作為堿源，也有些企業會加入部分液堿或片堿，與氣體中大量的CO2發生酸堿中和反應而生成純堿，其反應方程式如下：

2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O

無論采用純堿、液堿或片堿作為堿源，最終該脫硫液都會成為碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液。該溶液本身為發泡性溶液，再加上本身溶液內含有少量硫單質，經不斷攪拌，溶液會表現出一定的黏度，且硫在溶液內也會造成溶液發泡。

(2) 脫硫液在脫硫過程中，氣體由塔下部進入、塔頂而出，而脫硫液由塔上部進入、塔底而出，氣液進行逆向接觸，兩相在液體流動的表面發生氣液傳質。當塔內局部噴淋密度過大時，相當于氣體在溶液內鼓泡，而溶液又為發泡性溶液，故極易造成氣體在塔內鼓出氣泡。

(3) CO2在堿性水溶液中的吸收與解吸反應。由于CO2為酸性氣體，溶液呈堿性，因此會發生以下酸堿中和反應：

Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3

該吸收反應為可逆反應，CO2被碳酸鈉溶液吸收的同時也會發生碳酸氫鈉的解吸，只是吸收速度大于解吸速度，故該反應所表現出來的為吸收反應。CO2在解吸時從溶液內部釋放出來，類似于氣體在溶液中鼓泡。CO2與堿溶液除發生酸堿中和反應外，還會被脫硫液中的水吸收，且CO2分壓越高，溶液吸收的CO2含量也會越高。CO2在水中發生反應如下：

該反應過程為可逆反應，CO2被水吸收的同時還會被解吸出來，且CO2分壓越高，吸收與解吸的量越多，反應速度也會越快，在塔內越容易形成起泡。

(4) 其他氣體在溶液中的吸收、解吸反應。CO，H2及N2在溶液中的吸收、解吸反應基本與CO2相同，所不同的是這些氣體微溶于水，對溶液起泡造成的影響較CO2要小很多。在壓力不高時，氣體在溶液中的溶解度符合亨利定律，即氣體的溶解度與其在氣相中的分壓成正比，隨著氣體分壓的升高，氣體吸收和解吸的量會增加，且速度加快，在一定程度上對溶液在塔內起泡具有推動作用。

2 2.0 MPa加壓脫硫系統設計

通過以上分析可以看出，加壓脫硫時出現塔內易起泡的主要影響因素在于脫硫系統壓力、進口氣中H2S含量及CO2含量。當該3項數值越大時，則塔內越易起泡。如脫硫系統設計存在問題時，則有可能會出現溶液夾帶氣體從塔內而出、再生槽噴射器向外噴氣等情況，針對2.0 MPa加壓脫硫系統的特點，在設計之初就應從以下幾個方面進行優化。

2.1 空塔氣速

對于2.0 MPa脫硫系統來說，空塔氣速一般控制在0.16 m/s以內。當溶液中H2S或CO2含量升高時，空塔氣速需進一步下調，綜合一次性投資，最低空塔氣速可控制在0.10 m/s左右，但也有些企業控制偏高或偏低，如江蘇晉煤恒盛新廠合成氨裝置采用2.0 MPa變脫工藝，日產合成氨1 100～1 150 t，采用Φ4 000 mm脫硫塔單塔，實際空塔氣速已達0.221 m/s，但日常操作基本問題不大；河南心連心三廠采用2.0 MPa變脫工藝，日產合成氨1 050～1 080 t，采用Φ4 000 mm脫硫塔雙塔并聯，空塔氣速為0.109 m/s。

2.2 塔內填料

在保證脫硫效果的前提下，應盡可能選擇填料比表面積大、孔隙率高的填料，注意避免使用大量面接觸的填料，如矩鞍環填料；應盡可能選擇點、面相結合的填料，如海爾環、鮑爾環等。

2.3 塔頂空間

為預防塔內起泡后迅速帶液至后工段，在塔頂需預留一定空間，給操作帶來一定的緩沖時間。一般塔頂預留高度約4 m，也可適當加大。

2.4 溶液循環量

按工藝要求來確定塔內溶液循環量，但需注意，循環泵最好采用變頻電機，在調整溶液循環量時，可節省運行費用，尤其是在目前小氮肥企業用電優惠政策逐步取消的大環境下。

2.5 閃蒸槽

與0.8 MPa變脫工藝不同，由于2.0 MPa變脫系統壓力較高，溶液中吸收的氣體量也會較多，因此，在該壓力下系統必須設閃蒸槽，且溶液停留時間應≥2 min，能給溶液足夠的時間將溶液中的CO2及其他氣體閃蒸出去。在閃蒸槽的選擇上，由于立式閃蒸槽占地面積小，因此被廣泛采用。溶液進入閃蒸槽時的形式可分為切線進入與直線進入。溶液切線進入時，沿塔壁作圓周運動，與設備立面接觸時，因閃蒸壓力降低，故將溶液中的CO2解吸出去；溶液直線進入時，需在閃蒸槽內設置液體分布器，并根據實際情況加裝填料，填料一般選擇1～2層，總高2～3 m。溶液切線進入時，設備結構簡單，無需復雜的設計、制作及安裝，利用簡單的物理原理實現CO2氣體的解吸，但因切線進入會對設備立面造成沖刷腐蝕，當溶液中固體含量較多時，沖刷腐蝕速度加快。溶液直線進入時，設計、制作及安裝較為繁瑣，塔內不裝填料時分離效果弱于切線進入；加裝填料時，因脫硫液在閃蒸槽中發生部分氧化反應，溶液中部分硫離子及硫氫根被氧化生成硫單質，使溶液變臟，有時會造成閃蒸填料段堵塞，尤其在H2S含量過高時更為嚴重，填料堵塞后只得停車清理；溶液直線進入對設備基本不會產生沖刷，一般只會產生電化學腐蝕。大部分合成氨企業采用直線進入+分布器+填料的形式對溶液進行閃蒸。

3 避免溶液起泡需注意的問題

(1) 溶液溫度較高時，溶液吸收CO2的能力會相應減弱，因此，可通過提高溶液溫度的辦法來降低溶液吸收CO2含量。溶液溫度較高時，溶液吸收H2S的能力會降低，且在再生槽形成的硫泡沫會較虛，溶液再生也會受影響，故溶液溫度一般控制在45～50 ℃。在脫硫效果允許的條件下，也可適當提高溶液溫度；但需注意，提高溶液溫度時最好不要通過氣體提溫的方式，因氣體溫度升高時，氣體中含有的飽和水會增多，極易造成溶液膨脹，可通過在管道或貧液槽內對溶液進行提溫。脫硫塔出口需加裝冷凝器及氣水分離器，以避免向后工序大量帶水。

(2) 在正常生產過程中，應隨時關注溶液再生情況，當發現泡沫不正常、噴射器反噴等情況時應查明原因，并及時清理噴射器。清理噴射器時，一定要全面徹底，清理部位包括吸空氣口、吸空氣室、喉管及尾管。清理喉管和尾管時，可用高壓水槍沖洗，水源應為軟水或除鹽水。

(3) 系統加藥、加堿一般采用每天1次加入；但當氣體中H2S及CO2含量較高時，也可采用分次加入，每天分2次或3次向系統中補加藥品。若氣體中H2S質量濃度達到1 g/m3甚至超過1 g/m3、φ(CO2)>40%時，應24 h連續不斷向系統中均勻加入催化劑及純堿，盡量避免1次加藥量過大而造成溶液成分波動，連續加藥也可使藥品作用時間延長。

(4) 系統發生壓差增大時，可通過加油對溶液進行消泡或降低溶液循環量。加油原則為少量、多次，盡量避免加油量過大，否則會導致再生槽泡沫消失。加油時，可選擇機油或植物油，或2種油混合后加入系統中。在消泡能力上，機油屬于礦物油，礦物油的消泡能力弱于植物油，但對再生槽泡沫影響較小；植物油消泡能力強于礦物油，但對再生槽泡沫影響較大。在所用的植物油中，大豆油基本等同于色拉油，但弱于菜籽油，菜籽油又弱于蓖麻油。如系統空塔氣速過快或循環量過大時，可在運行中向溶液中連續滴加機油，加入位置在液位調節器或貧液槽。

4 結語

2.0 MPa加壓脫硫有其獨特的設計及操作要點，在生產中遇到的問題也是多方面的，造成一種現象的可能原因很多，處理問題的時候就要求能抽絲剝繭，先解決主要問題，再關注其他細節，有重點、有針對性地將問題逐步解決。

2015- 09- 11)