絡合鐵脫硫工藝優化試驗

楊建平

（中石化南京化工研究院有限公司，江蘇南京210048）

絡合鐵（MCS）脫硫技術為環境友好技術，主要用于處理含硫氣體回收硫，在含硫尾氣的高效處理、含硫原料氣的硫磺回收及保障氣體安全輸送等方面具有重要的環保效益和經濟效益。MCS脫硫技術集脫硫、硫回收以及尾氣處理于一體，具有脫硫效率高、副反應小、吸收硫容大，脫硫過程中無“三廢”等特點，屬于濕式氧化還原脫硫技術。

在目前MCS脫硫技術不能安全和經濟處理的場合，如脫除高濃度二氧化碳氣體中的硫化氫達標排放，脫除天然氣中的硫化氫等，筆者通過正交試驗優化工藝參數，為工業生產過程提供數據支撐。

1 MCS脫硫原理

MCS脫硫技術是一種以鐵為催化劑脫除氣體中硫化物的方法，該技術采用堿性的絡合鐵溶液吸收H2S，H2S與堿反應生成HS-，反應過程中高價態的鐵離子被還原成低價態，HS-轉化成硫磺。在絡合鐵溶液的再生過程中，含低價態鐵離子的絡合鐵溶液與空氣接觸被氧化成高價態鐵離子的絡合鐵溶液，恢復絡合鐵溶液的氧化性能，進而循環吸收H2S[1]。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

試驗氣體由氮氣、二氧化碳、硫化氫和飽和水蒸氣組成，其中φ(H2S)為1%～3%。

2.2 試驗流程

試驗流程見圖1。

圖1 試驗流程

從配氣罐來的試驗氣進入吸收塔下部與自上而下的絡合鐵溶液逆流接觸，試驗氣中的H2S被絡合鐵溶液吸收。脫除了H2S的試驗氣經冷卻、分離絡合鐵溶液后放空。吸收了H2S的絡合鐵溶液從吸收塔底部加壓打入再生塔中，被空氣氧化再生。再生的絡合鐵溶液進入貧液槽，硫磺在貧液槽底部沉降后排放回收，貧液從貧液槽上部流出，經貧液泵打入吸收塔中進行循環吸收。再生塔上部出來的CO2經再生氣分離器冷卻、分離絡合鐵溶液后放空。

2.3 試驗方法

采用穩壓閥調整試驗氣體的壓力在0.010～0.018 MPa，在壓力穩定的條件下，利用氣體流量計控制氣體以15～40 L/h的流量進入吸收塔，控制溶液循環量在1.6～3.0 L/h，凈化后的氣體通過調節閥控制塔頂壓力后放空。

3 結果與討論

絡合鐵脫硫過程中，脫硫效率、脫硫劑消耗與反應溫度、堿量、氣液體積比、空氣量等因素有關。為探索最佳工藝條件，進行四因素三水平的正交試驗，因素水平設計見表1。

表1 因素水平設計

根據表1，在脫硫劑評價試驗裝置上進行正交試驗，以脫硫效率、脫硫劑消耗占投加量的比值為評價指標，試驗結果見表2。對脫硫效率和脫硫劑消耗占比數據進行分析，結果分別見表3和表4。

表2 試驗組合方案及結果

表3 脫硫效率 單位：%

表4 脫硫劑消耗占比 單位 ：%

由表3可見：根據極差R判斷出四因素影響的主次順序為C、A、D、B，即氣液體積比、反應溫度、O2與H2S體積比、堿量。氣液體積比及反應溫度對脫硫凈化指標有顯著影響，O2與H2S體積比及堿量沒有顯著影響。

在脫硫過程中需要選擇適宜的氣液體積比，維持脫硫指標穩定；反應溫度低時，反應速率慢，凈化指標低，但溫度過高時，能耗高，脫硫劑消耗也高；絡合鐵溶液再生過程中，需要適宜的空氣量保證低價鐵被氧化成高價鐵，從而恢復脫硫液的吸收性能，空氣量低則低價鐵不能被氧化完全，影響絡合鐵溶液的再生效果和脫硫凈化指標，但空氣量太高，會加快副反應的生成，導致脫硫凈化指標下降；維持脫硫液為弱堿性，堿量高可提高脫硫凈化指標，但堿度過高，會吸收大量的二氧化碳，增加再生負荷導致脫硫凈化指標下降。綜上所述，脫硫效率優組合為A2B2C1D2，即：反應溫度為 40 ℃，堿量 (ρ)為 25 g/L，氣液體積比為 8，φ(O2)/φ(H2S)的值為 6。

由表4可見：根據極差R判斷出四因素影響的主次順序為A、D、C、B，即反應溫度、O2與H2S體積比、氣液體積比、堿量。在該試驗范圍內，反應溫度為40℃時，脫硫劑消耗占比最低，升高或降低反應溫度都會增加脫硫劑消耗量。絡合鐵溶液再生過程中，空氣量低，低價鐵不能被氧化完全，空氣量太高又會加快副反應發生，都會導致脫硫劑消耗量增加。氣液體積比對脫硫劑的消耗存在影響，氣液體積比低，脫硫裝置在低負荷下運行；氣液體積比高，脫硫裝置在超負荷下運行，兩種工況都會導致脫硫劑消耗量增加。向絡合鐵溶液中加入堿以維持脫硫液為弱堿性，但堿量越高脫硫劑的消耗量越大。綜上所述，脫硫劑消耗的優組合為A2B1C2D2，即 ：反應溫度為 40 ℃，堿量 (ρ)為 20 g/L，氣液體積比為 10，φ(O2)/φ(H2S)的值為 6。

根據脫硫凈化評價指標對比分析2個優組合：①A因素優水平為A2；②B因素優水平為B2或B1，B2比B1的脫硫凈化指標提高14%，脫硫劑消耗增加11%，綜合考慮上述兩方面以及脫硫裝置的操作彈性優選B2；③C因素優水平C2或C1，C2比C1的脫硫凈化指標降低31%，脫硫劑消耗降低28%，C2或C1二種因素影響程度相近，考慮在相同條件下盡量提高裝置的處理能力，C因素優水平選擇C2；④D因素優水平D2。根據上述分析確定最終的脫硫凈化優組合條件為反應溫度40 ℃、堿量 (ρ)為 25 g/L、氣液體積比為 10、φ(O2)/φ(H2S)的值為6。

4 驗證試驗

在反應溫度為 40 ℃、堿量 (ρ)為 25 g/L、氣液體積比為10、φ(O2)/φ(H2S)的值為6的優組合條件下，進行8組驗證試驗，試驗結果見表5。

從表5可以看出：凈化氣中ρ(H2S)＜6 mg/m3，滿足GB 14554—1993《惡臭污染物排放標準》。脫硫劑中絡合鐵初始質量濃度為10.5 g/L，8組重復試驗結束后分析絡合鐵質量濃度為10.3 g/L，折算脫硫劑消耗占比為1.9%，脫硫劑消耗在合理的區間內。通過驗證試驗說明脫硫優組合條件是合理和經濟的。

表5 優組合條件的驗證試驗結果

5 結論

1）通過正交試驗極差分析，氣液體積比和反應溫度對絡合鐵脫硫效率的影響具有顯著作用，脫硫效率的優組合條件為：反應溫度40 ℃，堿量(ρ)25 g/L，氣液體積比為 8，φ(O2)/φ(H2S)的值為 6。

2）通過正交試驗極差分析，對脫硫劑消耗的影響因素主次順序為反應溫度、O2與H2S體積比、氣液體積比、堿量，脫硫劑消耗的優組合條件為反應溫度 40 ℃、堿量 (ρ)20 g/L、氣液體積比為 10、φ(O2)/φ(H2S)的值為 6。

3）根據脫硫效率和脫硫劑消耗的對比分析，最終確定脫硫凈化的優組合條件為反應溫度40 ℃、堿量 (ρ)25 g/L、氣液體積比為 10、φ(O2)/φ(H2S)的值為6。

4）驗證試驗表明，脫硫凈化的優組合條件是經濟、合理的，對絡合鐵脫硫裝置具有指導意義。