陶瓷膜超濾機(jī)在NHD脫硫、脫碳中的應(yīng)用

陳少鋒

(陜西未來(lái)能源化工有限公司, 陜西 榆林 719000)

陶瓷膜超濾機(jī)在NHD脫硫、脫碳中的應(yīng)用

陳少鋒

(陜西未來(lái)能源化工有限公司, 陜西 榆林 719000)

提出了NHD(聚乙二醇二甲醚)脫硫、脫碳工藝中溶液污染的問題，分析了系統(tǒng)運(yùn)行中設(shè)備存在的問題和溶液臟對(duì)系統(tǒng)的危害， 提出了使用陶瓷膜超濾機(jī)對(duì)原溶液過濾系統(tǒng)進(jìn)行改造的方案。通過實(shí)踐證明，解決了溶液污染問題，降低了消耗，保障了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

陶瓷膜；NHD(聚乙二醇二甲醚)；超濾機(jī)

某水煤漿氣化年產(chǎn)24萬(wàn)噸甲醇項(xiàng)目采用山東魯南地區(qū)高硫煤為原料，經(jīng)四噴嘴對(duì)置式新型氣化爐燃燒水煤氣作為合成原料氣。氣體凈化采用NHD溶劑作為吸收溶劑進(jìn)行脫硫、脫碳，NHD脫硫、脫碳技術(shù)自1991年在兗礦魯南化肥廠投用以來(lái)，目前已在國(guó)內(nèi)新建或改建多套裝置上成功應(yīng)用。

1 運(yùn)行現(xiàn)狀

甲醇凈化脫碳工段將脫硫氣在脫碳塔內(nèi)由貧液吸收H2S、COS、CO2，吸收后的富液進(jìn)入脫碳高壓閃蒸槽降壓閃蒸，然后進(jìn)入高位低壓閃蒸槽V4005,閃蒸出大量CO2。閃蒸后的溶液進(jìn)入氣提塔頂部經(jīng)過N2氣提后，溶解在其中的CO2被氣提解析出來(lái)而變?yōu)镹HD貧液。系統(tǒng)經(jīng)過兩年多的運(yùn)行，水煤氣帶入變換系統(tǒng)的炭黑逐漸轉(zhuǎn)移到脫硫、脫碳溶液中。NHD溶液本身沒有腐蝕性，但脫硫系統(tǒng)都采用碳鋼設(shè)備和管道，設(shè)備和管道表面氧化層，由于溶液的沖刷，氧化物隨溶液被帶到高溫高濕的閃蒸槽和再生塔，在此與H2S反應(yīng)，生成灰黑色的硫化物顆粒，使溶液受到污染。

由于溶液受到污染，微小的固體顆粒對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的機(jī)械密封、壓縮機(jī)的活門和填料密封的壽命影響很大，同時(shí)污染物沉積與液位變送器的取壓管中，造成液位不準(zhǔn)。固體顆粒隨溶液進(jìn)入脫碳泵，磨損機(jī)封后造成機(jī)封泄漏跑液，系統(tǒng)停車。雜質(zhì)聚集到填料上將造成填料堵塞，溶液分布不均、氣體偏流，影響溶液吸收，使脫碳指標(biāo)惡化。

2 原溶液過濾器存在的問題

(1)原溶液過濾器結(jié)構(gòu)不合理，只有最上部和側(cè)面人孔，無(wú)法檢查內(nèi)部陶瓷管完好情況，無(wú)法部分更換；

(2)溶液過濾由內(nèi)進(jìn)外出，在過濾過程中濾管承受不了長(zhǎng)期由內(nèi)向外張力，易破損；

(3)原過濾器濾管是瓷粉制成的，由于燒結(jié)溫度低和配方原因使濾管強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致濾管破裂，無(wú)法使用；

(4)溶液過濾器外形尺寸DN2400X5600，過濾面積30m2，不能滿足工藝需要，且反沖用水量大，沖洗不徹底，沖洗水COD高難以處理；

(5)原濾管壁厚30mm，孔隙率小、透氣阻力大，反沖清洗再生難；

以上原因造成過濾器不能正常投用，且無(wú)改造價(jià)值。

3 可能造成的后果

脫硫、脫碳溶液長(zhǎng)期缺少溶液過濾系統(tǒng)，會(huì)造成以下后果：

(1)NHD溶液固含量增高，影響溶液吸收效果，造成脫硫、脫碳指標(biāo)超標(biāo)，甲醇系統(tǒng)停車。溶液污染后需要回制處理，費(fèi)用高且溶液損失大。在2008年因脫硫脫碳指標(biāo)超標(biāo)，我們對(duì)溶液進(jìn)行了返廠回制；

(2)由于溶液受到污染，微小的固體顆粒對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的機(jī)械密封、壓縮機(jī)的活門和填料密封的壽命影響很大，同時(shí)污染物沉積于液位變送器的取壓管中，造成液位假指示；

(3)固體顆粒隨溶液進(jìn)入脫碳泵，磨損機(jī)封后造成機(jī)封泄漏跑液，系統(tǒng)停車。

(4)雜質(zhì)聚集到填料上將造成填料堵塞，溶液分布不均、氣體偏流、攔液，影響溶液吸收，使脫硫、脫碳指標(biāo)惡化。

4.溶液過濾流程

4.1 脫硫NHD溶液過濾流程

從再生塔底部出來(lái)的貧液進(jìn)入貧富液換熱器(E3003)殼程與富液換熱降溫至94℃后進(jìn)入脫硫貧液泵(P3002AB)，升壓至2.1MPa后經(jīng)貧富液換熱器(E3002)殼程與管程N(yùn)HD富液換熱，溫度降至48℃，再進(jìn)入貧液循環(huán)水水冷器(E3008AB)殼程與管程循環(huán)水換熱，溫度被降至40℃左右，然后再進(jìn)入貧液一次水水冷器(E3009AB)殼程與管程一次水換熱，最終溫度降至24℃，分成三路：第一路經(jīng)變換脫硫泵(P3001AB)送至變換脫硫塔頂部；第二路經(jīng)燃?xì)饷摿虮?P3005ABC)加壓送至燃?xì)饷摿蛩敳浚回氁罕?P3002AB)出口引一路去溶液過濾器(M3001A)，過濾后的溶液返回貧液泵(P3002AB)入口。

4.2 脫碳NHD溶液過濾流程

脫碳高壓閃蒸槽底出來(lái)的溶液分一路到溶液過濾器M3001B入口，過濾后的溶液回到氣提塔。

5 改造方案

5.1 技術(shù)方案

(1)對(duì)原陶瓷過濾器設(shè)備結(jié)構(gòu)重新選型，改為溶液過濾由外進(jìn)內(nèi)出，減輕濾管承受壓力。在實(shí)際使用時(shí)，外膜攔截液體中的細(xì)微懸浮物、雜質(zhì)、油類和酸性有害微小物質(zhì)；因外膜較薄，內(nèi)支撐體骨架起保護(hù)外膜的作用，孔徑較大，不容易造成陶瓷膜過濾管的阻塞；而且在反沖再生時(shí)由里向外反沖，因內(nèi)支撐體孔徑較大，沖擊力較強(qiáng)，更容易使膜表面掉渣、脫渣，快速完成陶瓷膜過濾管的再生利用。陶瓷膜過濾管因外表膜微孔小，顯氣孔率大，在使用中不但效果明顯，且再生利用好而快，過濾精度高，再生后使用壽命長(zhǎng)。

(2)原單個(gè)出液口、反洗口，改為分組出液口、反洗口，加大反沖洗力度，能有效反沖洗干凈，減少濾管阻力，因外膜較薄，內(nèi)支撐體骨架起保護(hù)外膜的作用，孔徑較大，不容易造成陶瓷膜過濾管的阻塞；而且在反沖再生時(shí)由里向外反沖，因內(nèi)支撐體孔徑較大，沖擊力較強(qiáng)，更容易使膜表面掉渣、脫渣，快速完成陶瓷膜過濾管的再生利用。延長(zhǎng)濾管使用壽命。

(3)濾管選用：濾管選用壁薄、阻力小、耐壓強(qiáng)度好的棕剛玉陶瓷濾管。外表膜制備采用橢圓形棕剛玉顆粒，棕剛陶瓷膜為過濾層的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在確保陶瓷膜過濾管主體強(qiáng)度的同時(shí)，提高了過濾分離效率，并實(shí)現(xiàn)膜管的快速反沖再生，提高了過濾效率和膜管的使用壽命。利用高溫?zé)蓵r(shí)顆粒表面產(chǎn)生相變形成微米級(jí)孔徑技術(shù)，增大產(chǎn)品高滲透量。其最高使用溫度可大于1000℃，這一優(yōu)越特性特別適用于高溫氣體凈化、高溫操作產(chǎn)物的直接分離或人為提高分離溫度以降低被分離物的粘度(液相分離)、提高材料通量耐壓強(qiáng)度。

(3)根據(jù)溶液循環(huán)量，將過濾器過濾面積增加至96m3。

(4)設(shè)備筒體采用法蘭連接，上部設(shè)置人孔，便于檢查、檢修。

(5)過濾器投用過程中保證脫硫、脫碳溶液穩(wěn)定運(yùn)行，防止泵氣蝕；

5.2 實(shí)施的方式、方法、步驟

(1)將脫硫過濾器M3001B用于脫碳溶液過濾使用，將脫碳高壓閃蒸槽去脫硫補(bǔ)液的管道改至M3001B溶液入口，去再生塔補(bǔ)液閥前加盲板，經(jīng)M3001B過濾后的溶液回到氣提塔，原M3001B進(jìn)、出口加盲板；

(2)利用原M3001AB溶液過濾器基礎(chǔ)，對(duì)原設(shè)備更換為分組出清液，管壁外側(cè)進(jìn)，管內(nèi)出液的棕剛玉陶瓷膜過濾器。

(3)濾管壁改為9.3mm厚棕剛玉陶瓷濾管。

(4)組箱體和拉桿選用304不銹鋼材質(zhì)。

(5)將脫硫、脫碳溶液過濾器M3001AB反沖洗的水排入V3007NHD沖洗罐，通過離心泵加壓后與V2007匯合后送入氣化磨機(jī)。

5.3 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。

6 陶瓷膜超濾機(jī)技術(shù)參數(shù)

6.1 脫硫工藝條件

脫硫溶液過濾器設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 脫硫溶液過濾器設(shè)計(jì)參數(shù)

6.2 脫碳工藝條件

脫碳溶液過濾器設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 脫碳溶液過濾器設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 溶液過濾器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

6.3 濾芯技術(shù)參數(shù)

濾除范圍：≤0.5μm，反沖壓力：0.7MPa。

過濾流量：脫硫溶液過濾器≥90m3/h ，脫碳溶液過濾器≥40m3/h,過濾面積：96m2,過濾后固體含量：≤30mg/L。

7 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

(1)棕剛玉陶瓷膜技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn):第一，外表膜制備采用橢圓形棕剛玉顆粒，利用高溫?zé)蓵r(shí)顆粒表面產(chǎn)生相變形成微米級(jí)孔徑技術(shù)，增大產(chǎn)品高滲透量。第二，采用多孔碳化硅材料為支撐體、棕剛陶瓷膜為過濾層的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在確保陶瓷膜過濾管主體強(qiáng)度的同時(shí)，提高了過濾分離效率，并實(shí)現(xiàn)膜管的快速反沖再生，提高了過濾效率和膜管的使用壽命。 第三，調(diào)整溶膠組分，應(yīng)用緩沖層，優(yōu)化浸漬、干燥和燒結(jié)工藝，實(shí)現(xiàn)了陶瓷膜厚度和孔徑的有效控制，解決了膜體在干燥和燒成時(shí)開裂等關(guān)鍵技術(shù)難題，使陶瓷膜微米孔的骨架結(jié)合緊密。第四，該膜過濾管外膜孔徑小，氣孔隙率高。

(2)過濾管改用耐壓強(qiáng)度好、濾管壁薄阻力小的棕剛玉陶瓷濾管。孔隙率高、透氣阻力小、可控孔徑、清洗再生方便等特點(diǎn)。

(3)原內(nèi)進(jìn)外出液過濾工藝，改為外進(jìn)內(nèi)出液

外膜攔截液體中的細(xì)微懸浮物、雜質(zhì)、油類和酸性有害微小物質(zhì)；因外膜較薄，內(nèi)支撐體骨架起保護(hù)外膜的作用，孔徑較大，不容易造成陶瓷膜過濾管的阻塞；而且在反沖再生時(shí)由里向外反沖，因內(nèi)支撐體孔徑較大，沖擊力較強(qiáng)，更容易使膜表面掉渣、脫渣，快速完成陶瓷膜過濾管的再生利用。

(4)清液、反沖口分組，加大反沖洗力度，能有效反沖洗干凈，減少濾管阻力，因外膜較薄，內(nèi)支撐體骨架起保護(hù)外膜的作用，孔徑較大，不容易造成陶瓷膜過濾管的阻塞；而且在反沖再生時(shí)由里向外反沖，因內(nèi)支撐體孔徑較大，沖擊力較強(qiáng)，更容易使膜表面掉渣、脫渣，快速完成陶瓷膜過濾管的再生利用。延長(zhǎng)濾管使用壽命。加大了反沖洗力度，使濾管反洗干凈，延長(zhǎng)了濾管使用壽命和效果。

(5)陶瓷超濾機(jī)是一種以壓力為推動(dòng)力的膜分離過程，與傳統(tǒng)的沉降分離、板框分離、離心分離所不同的是，陶瓷膜過濾管在固液分離中主要采用錯(cuò)流過濾方式，需分離的料液在循環(huán)側(cè)不斷循環(huán)。外膜表面能夠截留固體，同時(shí)讓液體透過雙層非對(duì)稱性膜孔滲出。由于液體平行過濾介質(zhì)表面，使過濾阻力大大降低。從而可在較低的壓力下保持較高的通量。由于內(nèi)支撐體膜微孔比外表分離膜微孔大，在反沖再生利用中能有效、快速脫渣，使過濾操作可以長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行，又能快速使陶瓷膜過濾管再生利用。

(6)實(shí)際使用中，被過濾的液體通過陶瓷膜過濾管經(jīng)清液口流出，完成過濾過程。而液體中細(xì)微懸浮物、雜質(zhì)、油類和通過處理的酸性有害微小物質(zhì)，通過過濾方法截留在陶瓷膜過濾管的外膜表面，陶瓷膜過濾管所截留的微小顆粒物達(dá)到一定厚度時(shí)，壓差增大，應(yīng)停機(jī)，用液體反沖洗陶瓷膜過濾管，完成再生過程，可繼續(xù)投入運(yùn)行。

(7)采用陶瓷膜管倒掛式安裝、分組過濾、多組反沖口、筒體采用法蘭連接、上部設(shè)置檢查人孔等獨(dú)特設(shè)計(jì)，有利于設(shè)備安裝與觀察檢修。

8 經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益分析

8.1 經(jīng)濟(jì)效益

由于變換氣中催化劑粉末、煤灰、氧化物等被分離掉，保護(hù)了脫硫、脫碳溶液，避免了溶液污染，在同樣負(fù)荷下降低了溶液循環(huán)量和冷量消耗，減少溶液損失，延長(zhǎng)了機(jī)封和閃壓機(jī)活門的更換周期。

(1)由于溶液受到污染，脫硫脫碳溶液平均每四年需要回制一次，回制費(fèi)用6000元/噸，溶液回制損失按6%計(jì)算， NHD溶液按20000元/噸計(jì)算，脫硫脫碳系統(tǒng)一共有溶液500噸，平均每年可節(jié)約費(fèi)用(6000×500+500×6%×20000)/4=90萬(wàn)元；

(2)溶液循環(huán)量降低后每小時(shí)節(jié)約電耗10kWh,每年按330天計(jì)算，可節(jié)約電耗10×24×330=79.2MWh；

(3)降低氨吸收制冷負(fù)荷，每年可減少液氨消耗量20噸，每噸液氨按2000元計(jì)算，每年可節(jié)約2000×20=4萬(wàn)元；

(4)每月可減少溶液損失0.2噸左右，每噸NHD溶液20000元，每年可節(jié)約溶液消耗費(fèi)用20000×0.2×12=4.8萬(wàn)元；

(5)脫碳貧液泵機(jī)封每個(gè)單價(jià)為9800元，每年可減少機(jī)封消耗4個(gè)，可節(jié)省費(fèi)用9800×4=3.92萬(wàn)元，同時(shí)還節(jié)省了更換的人工費(fèi)用；

(6) 閃壓機(jī)活門每套單價(jià)為11522元，每年可減少活門消耗2套，可節(jié)省費(fèi)用11522×2=2.3萬(wàn)元。

8.2 社會(huì)效益

溶液經(jīng)過濾后可減少溶液循環(huán)量，降低溶液消耗，降低電耗。

反沖洗的水送入氣化磨機(jī)磨煤，達(dá)到了廢水利用，避免了環(huán)境污染。

9 運(yùn)行總結(jié)

陶瓷膜過濾器在NHD溶液脫硫、脫碳中應(yīng)用后，解決了溶液污染問題，降低了消耗，保障了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(本文文獻(xiàn)格式：陳少鋒.陶瓷膜超濾機(jī)在NHD脫硫、脫碳中的應(yīng)用[J].山東化工，2016，45(12)：114-116，119.)

Application of Ceramic Membrane Ultrafilter in NHD Desulfurization and Decarbonization

Chen Shaofeng

(Shaanxi Future Energy Chemical Industry Co., Ltd. ,Yulin 719000，China)

The solution pollution during NHD desulfurization and decarbonization process was proposed. The problems existing in the equipments in the operation of the system and the dangers of contaminated solution on the system were analyzed. Ceramic membrane ultrafilter was used to reform the original solution filtration system. Practice shows that this method solved the problem of solution pollution, and reduced consumption, and ensured the safety and stability of the system.

ceramic membrane; NHD; ultrafilter

2016-05-29

陳少鋒(1981—)，湖北襄陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事氣體凈化相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)及項(xiàng)目建設(shè)管理工作。

TQ546.5

A

1008-021X(2016)12-0114-03