基于HPF法的萊鋼焦化廠脫硫工藝改進研究

韓東師，張德楠，梁崗，楊立美

(中鋼集團工程設(shè)計研究院有限公司大連焦化分院，遼寧 大連 116000)

0 引言

山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司焦化廠現(xiàn)有三套脫硫設(shè)備，原設(shè)計為 HPF法生產(chǎn)焦?fàn)t煤氣中的氫硫，但其最大的問題是其轉(zhuǎn)向效果不佳，后續(xù)輸送的煙氣中氫硫含量達(dá)不到環(huán)保要求，因此必須進行脫硫工藝的優(yōu)化。萊鋼焦化公司通過幾年的技術(shù)改造，焦化設(shè)備的問題得到了較好解決。焦?fàn)t和加熱器采用了大量的焦油，其燃燒的壓力達(dá)到了新的要求。萊鋼焦化廠采用HPF脫硫工藝，以HPF源為催化劑[1]。脫硫工藝總體運行情況良好，萊鋼焦化廠基本解決了脫硫系統(tǒng)存在的各項問題。因此，需要對HPF開發(fā)過程進行改進，2020年1月，新建了一套用于脫硫液的真空萃取裝置。新脫硫工藝實施后，每年可帶來1 000多萬元的經(jīng)濟效益[2]，解決脫硫工藝液體排放問題。2020年6月使用隔膜壓濾機代替離心機來解決高速硫問題。

1 相關(guān)理論分析

1.1 焦化廠脫硫工序工藝流程

主要問題出現(xiàn)在山東鋼鐵集團的大型萊蕪焦化廠，工藝改造前存在的問題包括：脫硫效率低，主催化劑消耗大，揮發(fā)性有機物低，脫硫液溫度高。結(jié)果表明：焦化煙氣中含硫超標(biāo)[3]，難以滿足脫硫工藝環(huán)保的要求。

1.2 HPF法

HPF法脫硫?qū)僖合啻呋趸摿颍琀PF催化劑對脫硫和再生過程均有催化過程。脫硫工藝分別配備獨立的再生系統(tǒng)[4]。脫硫富液由塔底排放，經(jīng)液體密閉容器進入反應(yīng)池，經(jīng)循環(huán)泵將富液從反應(yīng)器送入回收塔的底部，并在回流柱的底部加入HPF催化劑[5]。

1.3 原因分析

1.3.1 焦?fàn)t煤氣脫硫技術(shù)機理

HPF法焦?fàn)t氣脫硫是以NH3、H2S、 HCN為基礎(chǔ)，利用NH3將H2S、HCN引入到該溶液中，通過脫硫催化劑進行液體吸收。結(jié)果表明，脫硫過程并非按常規(guī)的方法分為幾個塔，而是以脫硫塔為主體。在此基礎(chǔ)上，可以在低濃度、低揮發(fā)氨氣條件下進行有效的脫硫。在此基礎(chǔ)上，文章對采用二級耦合HPF法進行工藝改造的工藝路線進行了研究。該技術(shù)突破了9 g/L高揮發(fā)性氨生產(chǎn)的技術(shù)路線，并實現(xiàn)了三次脫硫。

1.3.2 脫硫系統(tǒng)阻力分析

(1)脫硫塔塔徑計算：在回收車間中，例如，氣體脫硫的體積為60 000 m3/h。

通過計算，可算出：

(2)總結(jié)。從上述計算可知，兩個脫硫塔的串聯(lián)阻抗為1 531.2 Pa，達(dá)到了脫硫塔串聯(lián)后的氣相阻力低于4 000 Pa的技術(shù)規(guī)范。

(3)再生風(fēng)量和循環(huán)量。在生產(chǎn)中，根據(jù)煙氣中硫含量的變化情況，兩個回收塔的風(fēng)量均為3 000～3 500 m3/h。二次循環(huán)廠原設(shè)計為三個空壓機，設(shè)計能力440 m3/min，兩個運轉(zhuǎn)，一套備用。在正常生產(chǎn)過程中，僅有一臺空壓機能提供煙氣。通過對煙氣脫硫工藝的分析，得出了煙氣脫硫的供風(fēng)嚴(yán)重不足、脫硫體系脫硫率高達(dá)5 g/L的問題。從2011年起，新增設(shè)了一臺空壓機，保證了煙氣脫硫系統(tǒng)的充分通風(fēng)，達(dá)到了脫硫工藝的需要。

1.3.3 脫硫液循環(huán)量的核算

現(xiàn)有的液力循環(huán)泵最大流量為3 000 m3/h，新的管路直徑為7 m，脫硫塔中的煙氣流量為77.9 m3/h，而脫硫泵的脫硫流量達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，因此無需對其進行改造。

1.3.4 兩塔串聯(lián)工藝設(shè)計

在計算煙氣脫硫時，確定煙氣直徑為7 m，采用先進的液氣分布器，使空氣在塔中分布均勻，并能充分接觸，從而減小了塔中的阻力，減少了系統(tǒng)的阻力。因場地規(guī)劃限制，將原5.8 m脫硫塔拆掉，新建7 m脫硫塔，并對相關(guān)工藝管道進行改造，以改善脫硫效果。

1.3.5 脫硫效率的影響因素分析與優(yōu)化方案

(1)影響因素分析。氨氣經(jīng)氨塔頂蒸出后進入脫硫預(yù)冷塔[6]，在最初的設(shè)計中，大量氣體從塔頂部和脫硫塔中排出。它與脫硫塔的氣體混合，減少了脫硫過程反應(yīng)。循環(huán)塔中的大量物質(zhì)被循環(huán)液體吸收，導(dǎo)致脫硫塔中的物質(zhì)減少。一段時間內(nèi)，除脫硫塔的多余冷凝水被輸送至澄清槽[7]。因此在接下來的脫硫工藝中，這就產(chǎn)生了兩種后果：

①水蒸汽的浪費，在90 ℃以下的溫度下，氨氣溫度下降到30 ℃，凝結(jié)水變多。含有大量氨氣的凝結(jié)液回流至氨水系統(tǒng)，使氨水含量升高，脫硫過程負(fù)荷增大，造成水蒸汽的浪費。

②降低了進入脫硫塔的氨氣。由于氨氣的存在，使氨氣在煙氣中的濃度降低，使煙氣在煙氣中的揮發(fā)性成分含量降低，降低了脫硫效率[8]。

(2)過高的脫硫溶液溫度對氨的損耗。在2011年分解脫硫劑時，揮發(fā)性物質(zhì)的含量降低了氨的損失，通過對2010、2011年度脫硫工藝的觀測，發(fā)現(xiàn)在冬季，脫硫液的溫度通常在40 ℃以上，而在夏天，脫硫液的溫度要在45 ℃以上，這是因為反應(yīng)熱、氨氣帶來的熱量，再加上氣體的存在，所以很難計算出脫硫液所吸收的熱量[9]。

1.3.6 工藝設(shè)計

目前，脫硫液的單塔循環(huán)能力約為150 m3/h左右，通過大泵的出口管路輸送脫硫液，在換熱器中引入200 200 m3/h的脫硫液，在低溫下進行降溫，再送回原來的管路。其改造后可控制脫硫溫度，與改造前后同期的溫度數(shù)據(jù)相比，改造后的溫度低于5 ℃。

1.3.7 脫硫系統(tǒng)優(yōu)化改造前后運行效果對比

對煤氣脫硫工藝進行了改進和優(yōu)化，使其達(dá)到了較好的效果。通過與改造前后的比較，發(fā)現(xiàn)改進后的脫硫液品質(zhì)得到了改善，在改造前揮發(fā)分的濃度增大，在轉(zhuǎn)換后的NH3-N濃度和副鹽的明顯減少，使硫化氫的液相脫硫效率得到了明顯提高。該裝置的建成投產(chǎn)，提高了產(chǎn)品的純度和產(chǎn)品的質(zhì)量，增大了產(chǎn)品的附加值。

1.4 存在問題

1.4.1 脫硫廢液外排困難

將脫硫液添加到煤中，存在較大的安全隱患，脫硫工藝中含有燃料揮發(fā)性氣體，在脫硫工藝內(nèi)揮發(fā)積聚，造成較大的安全隱患，會對環(huán)境造成二次污染。將脫硫液添加到煤中，脫硫液中的硫元素在系統(tǒng)中循環(huán)，這將增加脫硫工藝系統(tǒng)的處理負(fù)擔(dān)。

1.4.2 脫硫液分離不徹底

使用離心機處理硫泡沫，硫磺泡的液體存在中間的各層中，分離的液體回到排液系統(tǒng)，通過汽車外運處理。在運行過程中，逐漸暴露出以下幾個問題：硫漿的水分約為35%～45%，硫漿不容易儲存和運輸，這使得在現(xiàn)場裝運變得困難；離心機是一種高效分離裝置，分離速度快；目前脫硫工藝離心機處理能力小，無法達(dá)到設(shè)計處理能力。

2 脫硫工藝的改造及效果評價

為進一步提升焦化廠焦?fàn)t煤氣的脫硫效率，為保證環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的互補性，文章在分析焦化廠廢品率現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了脫硫工藝廢品率產(chǎn)生的原因，介紹了兩個脫硫塔的改造。最后，經(jīng)過改造評估，焦化廠的脫硫效果得以提升。焦化廠處理后的煤可用于其他行業(yè)對煤熱能的需求，文章通過對焦化工廠的改造，驗證了其改造效果。

2.1 脫硫工藝效果對比

焦化廠年設(shè)計焦化能力306萬噸，為了確保煙氣中的硫含量達(dá)到環(huán)境保護的要求，在該項目中設(shè)置了兩套煙氣凈化設(shè)備，各設(shè)備的煙氣脫硫技術(shù)也各有差異。通過實驗，分析了各種污染物的脫除效果，并分析了其在實際工程中的應(yīng)用情況。其中，第一組是氨硫循環(huán)洗滌法，AS濕式吸收法，第二組是以碳酸鈉為堿源的ADA濕式氧化法。目前，基于上述脫硫工藝流程所獲得中各種雜質(zhì)的含量是基于上述去除過程得出的，如表1所示。

表1 脫硫工藝效果對比

2.2 脫硫工藝

焦?fàn)t煤氣脫硫過程的主要指標(biāo)是：富氨水和脫酸貧液脫除煤氣中的硫化氫，NaOH分解氨水中的固定氨鹽。實踐表明該裝置包括H2S，通過爐氣凈化，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5 g/m3以下；冬季，焦?fàn)t煤氣經(jīng)一系列脫硫工藝處理后，H2S的質(zhì)量濃度在0.5 g/m3以下；夏季，采用一種煙氣脫硫技術(shù)進行焦?fàn)t煤氣凈化后，H2S質(zhì)量濃度小于0.7 g/m3，設(shè)備必須定期進行清理，每次清理需要25 h，極大增加了脫硫工藝運行的成本。

目前，在脫硫技術(shù)改造后，其脫硫效果的運行狀況是：脫硫后的硫泡沫流動性較低，易導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備發(fā)生堵塞，導(dǎo)致設(shè)備維修周期延長，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升。HPF的運行過程是比較簡單和容易實現(xiàn)的。催化劑的濃度和反應(yīng)的效率有很大的關(guān)系。圖1顯示了反應(yīng)效率和提高催化劑濃度的關(guān)系，可以看出，在催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于28%的情況下，對應(yīng)的效率有明顯的改變，而在催化劑的濃度不斷提高下，對應(yīng)的效率也沒有明顯的改變。綜合考慮脫硫效率和催化劑成本，選擇的催化器的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在29%，對二組脫硫工藝改造后，基于脫硫改造后工藝凈化處理后H2S的質(zhì)量濃度，如圖1所示。

圖1 催化劑與脫硫效率之間的關(guān)系

通過對一套脫硫工藝進行改進，脫硫效率從97%提高到98%，并且通過更換脫硫劑，可以提高相應(yīng)的脫硫工藝，提高脫硫效率，減少相關(guān)設(shè)備的堵塞，減少相關(guān)裝置的維護成本，減少煙氣中硫的含量，從而確保焦?fàn)t煤氣在燃燒過程中的硫含量達(dá)到國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從而提高了脫硫效率，從91.73%提高到96.21%。在第二套脫硫過程中，將 HPF型脫硫劑替代常規(guī)脫硫劑，使脫硫效率由97%提高至98%，徹底解決了因流動性差而造成的設(shè)備堵塞問題。

3 結(jié)語

通過對脫硫工藝的串聯(lián)改造，在原有的基礎(chǔ)上，建立了新的工藝路線，對下一步的脫硫工藝進行了優(yōu)化，為脫硫工藝技術(shù)改造提供了有價值的經(jīng)驗，同時也產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益，年經(jīng)濟效益341.7萬元，該工藝能產(chǎn)生經(jīng)濟效益，節(jié)省大量經(jīng)濟效益。目前，我國的高爐生產(chǎn)技術(shù)正在向低成本、低消耗、低污染的方向發(fā)展，向自動化、大型化、高效化方向發(fā)展。HPF工藝是目前廣泛使用的煙氣脫硫工藝，本技術(shù)是一種適應(yīng)我國國情的新技術(shù)，具有經(jīng)濟效益、清潔、環(huán)保等特點，具有較好的工業(yè)化應(yīng)用前景。