鐵系脫硫劑脫除硫化氫的研究實(shí)驗(yàn)

單紅飛，李曉凡

（沈陽三聚凱特催化劑有限公司，遼寧 沈陽 110144）

隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，煤氣廣泛應(yīng)用于工業(yè)(機(jī)械、冶金、建材、玻璃等)燃料氣、城市(民用)煤氣、化工合成氣(合成氨、甲醇)等行業(yè)[1-2],隨著先進(jìn)的、高效煤氣化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，隨著世界環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，煤炭潔凈利用在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中非常重要。

在煤炭氣化過程中，煤中的硫在氣化過程中發(fā)生轉(zhuǎn)移，大部分以H2S 形式轉(zhuǎn)移到煤氣中，硫化氫(H2S)是一種無色、有毒氣體，對(duì)人類神經(jīng)系統(tǒng)具有嚴(yán)重的傷害性，由于其在煤氣的含量高，受到的關(guān)注較多，也是煤氣凈化研究的重點(diǎn)[3-4]。

煤氣凈化可以采用濕法和干法，濕法脫硫雖技術(shù)成熟，但是需增設(shè)換設(shè)備，投資大[5-7]。干法同常溫濕法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少。

2）操作平穩(wěn)，脫硫精度高[8-9]。

鐵系脫硫劑作為一種常用的金屬脫硫劑，其來源廣泛，如鐵礦石，赤泥等脫硫劑。鐵系脫硫劑硫容較高，并且容易再生；鐵系脫硫劑在常溫和高溫條件均可實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化氫的脫除，隨著鐵系脫硫劑應(yīng)用工況逐漸增加，關(guān)于影響鐵系脫硫劑精度和硫容因素越來越受到關(guān)注[10]。

本實(shí)驗(yàn)以廉價(jià)的鐵化合物，制備脫硫劑，考察空速、粒度對(duì)脫硫劑脫硫精度及硫容的影響，確定了脫硫劑脫除硫化氫的擴(kuò)散規(guī)律、反應(yīng)影響因素，更好的指導(dǎo)反應(yīng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化與過程監(jiān)控。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 脫硫劑的制備

脫硫劑M-1 的實(shí)驗(yàn)室制備過程，主要包括混料、捏合、擠條、干燥等步驟，具體如圖1所示。

圖1 脫硫劑制備方框圖

1）混料：將所需原料在大研缽中充分干混均勻。

2）捏合：在研缽中放入適量純水，進(jìn)一步混合均勻，轉(zhuǎn)入雙螺桿擠條機(jī)中充分捏和。

3）擠條：在雙螺桿擠條機(jī)中使用φ4 或φ2、φ3 模具進(jìn)行擠條。

4）晾曬：將濕條置于陽光下晾曬24 h 即為成品。

1.2 性能評(píng)價(jià)

1.2.1 評(píng)價(jià)流程圖

評(píng)價(jià)裝置的流程如圖2所示。

圖2 評(píng)價(jià)裝置圖

如圖2所示，原料氣經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入反應(yīng)管反應(yīng)，反應(yīng)后氣體依次經(jīng)過0.1 mol·L-1硝酸銀溶液，濕式流量計(jì)以及氫氧化鈉溶液。硝酸銀溶液變色視為穿透，同時(shí)以微量硫分析儀檢測(cè)出口。

1.2.2 評(píng)價(jià)條件

評(píng)價(jià)條件見表1。

表1 評(píng)價(jià)條件表

1.3 硫容計(jì)算

根據(jù)脫硫劑消耗的原料氣體積來計(jì)算脫硫容，計(jì)算公式為：

式中：S—硫容，%；

V—原料氣通過脫硫劑的流量，L；

m—脫硫劑裝劑質(zhì)量，g；

C—硫化氫濃度，%。

1.3 出口硫分析

試驗(yàn)中，出口尾氣中硫含量采用TY-2000 型微量硫分析儀進(jìn)行分析。該儀器對(duì)H2S 的最小檢測(cè)量為0.02×10-6。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料氣濃度的影響

從表2 的結(jié)果可知，隨著原料氣濃度的提高，硫容明顯提高。當(dāng)原料氣濃度提高10 倍，硫容由24%緩慢上升至48.70%。分析原因是由于H2S 濃度的升高使脫硫劑床層內(nèi)濃度梯度加大，傳質(zhì)擴(kuò)散推動(dòng)力大，深入顆粒孔隙內(nèi)部的概率越高，此方面影響使硫容增大，并且穿透快；另一方面，高濃度的H2S 使大量H2S 分子在未進(jìn)入顆粒內(nèi)部即在顆粒外與表面活性鐵反應(yīng)生成硫化鐵，分子體積增大從而阻塞孔隙通道，減少H2S 分子進(jìn)入顆粒內(nèi)部的機(jī)會(huì)，此方面影響使硫容存在降低的趨勢(shì)。綜合兩方面的影響，由于顆?？紫洞罂纵^多，從而使后一方面的影響相對(duì)較弱。

表2 原料氣濃度對(duì)硫容的影響

2.2 空速的影響

以M-1 脫硫劑為研究對(duì)象，原料氣濃度為1.2%H2S，考察空速對(duì)硫容的影響。在保證脫硫精度的前提下，不同空速對(duì)硫容的影響結(jié)果表3。

表3 原料氣濃度對(duì)硫容的影響

由表3 結(jié)果可知，隨著空速提高，脫硫劑的硫容逐漸減小，隨著空速變大，硫化氫與鐵合物接觸時(shí)間少，硫化氫沒有擴(kuò)散到脫硫劑內(nèi)部，只與脫硫劑表面反應(yīng)，當(dāng)空速為2 000 h-1時(shí)，M-1 的硫容僅為12.00%，說明該鐵系脫硫劑不適用于大空速工況。

2.3 粒度的影響

原料氣濃度為1.2%H2S，空速為500 h-1，其他評(píng)價(jià)條件不變，在保證脫硫精度的前提下，考察粒度對(duì)硫容的影響，結(jié)果見表4。

表4 原料氣濃度對(duì)硫容的影響

由表4 結(jié)果可知，隨著粒度的增加，硫容呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。顆粒度越細(xì)，暴露出的活性位越多，硫化氫與鐵化物反應(yīng)越充分，硫容大。

2.4 高徑比對(duì)硫容的影響

以微量硫分析儀為檢測(cè)出口，在不同空速條件下，對(duì)M-1 進(jìn)行脫硫評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表5。

表5 空速對(duì)硫容的影響

從結(jié)果看出，高徑比對(duì)脫硫精度的影響較大，高徑比由 2.4∶1～4∶1，硫容由 15.51%升高到57.15%，隨著高徑比升高，原料氣的硫化氫與脫硫劑接觸時(shí)間長(zhǎng)，有助于硫化氫在脫硫劑表面的內(nèi)擴(kuò)散，進(jìn)而提高脫硫劑的脫硫效果。

3 結(jié)論

制備M-1 脫硫，考察了原料氣濃度、空速、粒度對(duì)脫硫效果的影響，通過實(shí)驗(yàn)，空速越大，硫容越大，粒度越小，硫容越大；空速及裝劑的高徑比對(duì)脫硫精度的影響大于粒度，為脫硫劑實(shí)際應(yīng)用提供理論支撐，更好的指導(dǎo)反應(yīng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化與過程監(jiān)控。