噴淋工藝在焦?fàn)t煤氣脫硫系統(tǒng)堿洗段中的應(yīng)用

羅海滔，趙云清，潘小玉，王春志

（1.江蘇攬山環(huán)境科技股份有限公司，江蘇211100；2.金牛天鐵煤焦化有限公司，河北056404）

0 引言

金牛天鐵煤焦化有限公司內(nèi)焦?fàn)t煤氣脫除硫化氫系統(tǒng)采用真空碳酸鉀法技術(shù)。焦?fàn)t煤氣在脫硫塔內(nèi)完成硫化氫的脫除工作，硫化氫在脫硫塔內(nèi)依次經(jīng)過貧液脫硫段和堿洗段吸收，吸收后硫化氫濃度可以穩(wěn)定在0.5 g/m3左右，最佳可以達(dá)到0.2 g/m3左右。隨著環(huán)保要求越發(fā)嚴(yán)格，現(xiàn)有工藝無法滿足0.02～0.05 g/m3的處理要求，需要對真空碳酸鉀法脫硫技術(shù)進(jìn)行升級改造。堿洗段作為第二級脫硫段，具有極其重要的作用。本文主要從工藝角度對堿洗段展開研究。

1 堿洗段工藝概述

堿洗段是以NaOH 溶液為堿源，利用填料工藝對焦?fàn)t煤氣中硫化氫進(jìn)行二次吸收，進(jìn)一步降低焦?fàn)t煤氣中硫化氫的濃度，確保硫化氫濃度達(dá)到環(huán)保要求。吸收后的堿液送至蒸氨工段[1]。堿洗段工藝示意圖見圖1，堿洗段工藝參數(shù)見表1。

圖1 堿洗段工藝示意圖

NaOH 循環(huán)液通過溶液循環(huán)泵加壓，40%濃度NaOH 溶液經(jīng)計(jì)量泵在混合器內(nèi)與循環(huán)堿液混合后，一起送至脫硫塔堿洗段，經(jīng)由8 只均布噴嘴裝置均勻噴落在堿液填料層上，在填料的表面對焦?fàn)t煤氣中的硫化氫進(jìn)行吸收反應(yīng)。焦?fàn)t煤氣在堿洗段完成二次脫硫，使得硫化氫濃度達(dá)到要求。

堿洗段內(nèi)NaOH 溶液與硫化氫可以發(fā)生如下反應(yīng)[2]：

在堿洗段內(nèi)，主要發(fā)生第一個(gè)反應(yīng)，NaOH 與硫化氫反應(yīng)生成NaHS。

表1 堿洗段工藝參數(shù)

2 分析和討論

金牛天鐵煤焦化有限公司在運(yùn)行中出現(xiàn)了堿液噴灑噴嘴堵塞情況，堿液的循環(huán)液量從70 m3/h降至10 m3/h 左右。分析其原因是運(yùn)行過程中，填料碎裂產(chǎn)生的碎片與系統(tǒng)內(nèi)的廢渣油泥等物在均布噴嘴內(nèi)發(fā)生淤積堵塞，使得堿液的循環(huán)液量大幅度減少，同時(shí)降低了堿液在煤氣流通面上的覆蓋率，導(dǎo)致堿洗段的脫硫效果極差，其塔后煤氣中硫化氫的含量長時(shí)間持續(xù)大于1 g/m3。

由于環(huán)保要求逐步提高，在對脫硫效率升級改造的研究中，需要對脫硫塔重新進(jìn)行更高要求的設(shè)計(jì)。在保持堿洗段效率情況下減少堿洗段的體積，可以有效降低改造難度和施工成本，為貧液脫硫段的升級改造提供更大的空間。

噴淋工藝不僅具有體積小、壓降低、效率高、故障率低和維護(hù)簡單等特點(diǎn)[3]，還具備可以提高反應(yīng)速率、縮小塔徑、減小投資和增加系統(tǒng)可靠性等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)對噴淋工藝在真空碳酸鉀法脫硫堿洗段中的應(yīng)用展開工藝研究。

3 噴淋工藝在堿洗脫硫技術(shù)中的應(yīng)用研究

堿洗段內(nèi)煤氣中硫化氫與循環(huán)堿液中NaOH的反應(yīng)是典型的氣液反應(yīng)，兩相間的傳質(zhì)過程可以用雙膜理論來闡述。根據(jù)雙膜理論，氣液兩相間的反應(yīng)阻力分為氣膜阻力和液膜阻力。由于硫化氫和氫氧化鈉的反應(yīng)屬于不可逆的酸堿中和反應(yīng)，反應(yīng)快且完全，因此其反應(yīng)阻力主要為氣膜阻力，降低煤氣相的氣膜阻力可以有效提高兩相間的傳質(zhì)速率。通過增加相間的相對流動可以有效降低氣膜阻力，從而增加傳質(zhì)反應(yīng)的速率[4]。兩相間的流動情況主要包括相對速度和反應(yīng)面積等。

氣相的流速越大，氣膜的厚度越薄，進(jìn)而氣相阻力越小，其兩相間的傳質(zhì)速率越高，反應(yīng)越快越充分。液相反應(yīng)面積越大，反應(yīng)速率越高。

3.1 工藝研究

聚丙烯拉魯環(huán)DG25，其孔隙率為90%，比表面積為175 m2/m3。在填料表面，堿液的液膜厚度1~2mm[5]。NaOH 溶液循環(huán)泵加壓后的堿液至堿洗段時(shí)壓力約為2.0 MPa，采用噴淋工藝螺旋噴嘴，霧化后的堿液粒徑約為500 μm[6]。現(xiàn)通過表2 將填料工藝和噴淋工藝從相對速度和反應(yīng)面積方面進(jìn)行對比。

表2 填料工藝與噴淋工藝參數(shù)對比

通過表2 可知，噴淋工藝中氣液兩相的相對速度是填料工藝的4 倍以上，反應(yīng)面積是填料工藝的12 倍。相比填料工藝中堿洗段的反應(yīng)速率，噴淋工藝可以大幅度提高。

由于煤氣相的流速可以提高至原來的4 倍，堿洗段的塔徑可以降低至原來的一半，從而能夠顯著降低脫硫塔的建設(shè)成本。

3.2 噴淋工藝在堿洗段中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

噴淋工藝中煤氣相的流速取值4 m/s，則塔徑可以縮小到2.5 m。由于噴淋塔內(nèi)是空塔，此時(shí)煤氣相實(shí)際流速為3.96 m/s。原填料工藝堿洗段中煤氣與堿液的反應(yīng)時(shí)長為1.67 s；在噴淋工藝的設(shè)計(jì)中，若保留反應(yīng)時(shí)長1.67 s 的設(shè)計(jì)參數(shù)，堿洗段噴淋層總高需要為6.6 m。由于噴淋工藝在反應(yīng)面積、相對速度等方面大幅度優(yōu)于填料工藝，固噴淋工藝設(shè)計(jì)中反應(yīng)時(shí)間可取值1.2 s，堿洗噴淋層的總高為4.8 m。而填料工藝中堿洗段總高為4.7 m，采用噴淋工藝僅僅增加0.1 m 左右高度。

原填料塔堿洗段的噴淋密度為3.87 m3/（m2·h），液氣比1 L/m3；由于NaOH 與硫化氫的反應(yīng)屬于不可逆的酸堿中和反應(yīng)，且反應(yīng)速率快，因此噴淋工藝的液量仍然為70 m3/h。6 m 高的堿洗段，噴淋層可以分為3 層，這樣可以增加堿液的覆蓋率，確保硫化氫的脫除高效高速進(jìn)行。

根據(jù)上述研究，對噴淋工藝在真空碳酸鉀法脫除硫化氫技術(shù)堿洗段中的應(yīng)用展開設(shè)計(jì)。噴淋工藝流程示意圖見圖2。

圖2 堿洗段噴淋工藝示意圖

焦?fàn)t煤氣進(jìn)入脫硫塔后，經(jīng)過貧液脫硫段和集液盤后到達(dá)堿洗段。在堿洗段內(nèi)從下向上，與3 層NaOH 循環(huán)液霧滴逆向接觸并進(jìn)行反應(yīng)。NaOH 循環(huán)液在管道內(nèi)分為3 股分別進(jìn)入3 層噴淋層，通過螺旋噴嘴加壓霧化為500 μm 左右的霧滴，每兩層噴淋層間距離為1.2~1.5 m。與煤氣中硫化氫反應(yīng)后的NaOH 循環(huán)液在集液盤上富集并依靠重力返回循環(huán)槽內(nèi)。

NaOH 循環(huán)液通過循環(huán)泵加壓、與40%濃度堿液混合等系統(tǒng)利舊，可以有效降低項(xiàng)目成本和建設(shè)時(shí)間。

4 結(jié)語

在脫硫塔堿洗段應(yīng)用中，相比原來的填料工藝，噴淋工藝具有4 倍以上的相對速度、10 倍以上的反應(yīng)面積等特點(diǎn)，具有更高的傳質(zhì)速率，還具備空間小、成本低、維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)。本文對噴淋工藝在堿洗段的應(yīng)用進(jìn)行了工藝研究和設(shè)計(jì)，為焦?fàn)t煤氣脫硫升級改造提供了更大的空間和必要的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。