焦爐煤氣脫硫工藝方案設計分析

曹 興，桑聯(lián)紅

（山西天脊潞安化工有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

焦爐煤氣主要通過原材料焦炭經(jīng)各種物理化學變化所制得，因原材料焦炭自身的化學組分限制，其在生產(chǎn)過程中難免存在一定量的硫化氫等硫化物，如不及時處理則容易生成多種類型的含硫氣體，造成嚴重的環(huán)境污染問題。近年來，研究人員針對焦爐煤氣脫硫工藝方案設計工作也進行了大量的研究，包括干式工藝、濕式吸收工藝和濕式氧化工藝等，這些工藝的脫硫效果相對較優(yōu)，但仍然存在著設備較為笨重、傳質(zhì)效率偏低等局限，這就需要對焦爐煤氣脫硫工藝方案做進一步的優(yōu)化設計。

1 實驗材料和設備

參考已有研究資料，本次將在已有的“888 法”脫硫工藝的基礎(chǔ)上，引入超重力技術(shù)進行優(yōu)化設計。因此在實驗材料選擇上，首先選擇三核鈦菁鈷磺酸銨（其為“888 法”脫硫的催化劑材料），該化合物因其具有特殊微觀結(jié)構(gòu)而具備較高催化活性，可將氧分子轉(zhuǎn)化為原子態(tài)氧，再將焦爐煤氣中的硫化物轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫，以達成脫硫目的[1-2]。在此基礎(chǔ)上，自某化工廠采購實驗所需的焦爐煤氣，并準備分析純級別的碳酸鈉和氫氧化鈉備用。

為實現(xiàn)超重力技術(shù)模式，本實驗應用旋轉(zhuǎn)填充床（下簡稱RPB）模擬超重力環(huán)境，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)填充床結(jié)構(gòu)示意圖

除此之外，本次所使用的儀器設備還包括硫化氫檢測儀、蠕動泵、空氣流量計、液體流量計、空氣壓縮機、電子天平和水浴鍋。

2 脫硫工藝方案參數(shù)的優(yōu)化

在以上實驗材料和設備均準備就緒后開始進行實驗，實驗流程如下：

1）將三核鈦菁鈷磺酸銨與碳酸鈉混合配制為硫化物吸收液，并用蠕動泵將其輸送至RPB 設備中；

2）打開鋼瓶閥門向RPB 中釋放焦爐煤氣；

3）當RPB 處于運行狀態(tài)時，硫化物吸收液將經(jīng)由液體分布器而噴灑到填料上，此時氣相的運動方向為填料外緣至內(nèi)緣，而液相受到RPB 高速旋轉(zhuǎn)的影響，其將轉(zhuǎn)化為細小液滴，運動方向則與氣相的方向相反，二者實現(xiàn)逆流接觸，從而實現(xiàn)脫硫的目的；

4）反應完成后，反應剩余物質(zhì)進入尾氣吸收罐，由氫氧化鈉溶液對尾氣做進一步吸收，以達到深度脫硫目標，同時使用硫化氫檢測儀器對檢測效果進行測定。

為檢驗脫硫效果，本次基于“脫硫率η”這一指標進行描述[3]，其通過公式（1）進行計算：

式中：φin和φout分別表示反應器入口和出口位置的硫化氫體積分數(shù)；均通過實際測量獲得。代入以上數(shù)據(jù)后即可求得脫硫率。

基于以上實驗步驟，考察不同實驗參數(shù)對脫硫效率的影響，以實現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化，本環(huán)節(jié)具體則分為以下幾個方面進行。

一是測試RPB 轉(zhuǎn)速對脫硫率的影響。控制其他條件不變，分析脫硫率與RPB 轉(zhuǎn)速之間的關(guān)聯(lián)，并改變硫化物吸收液濃度，測試得到的脫硫效果變化如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與脫硫率之間的關(guān)系

根據(jù)圖2 可知，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與脫硫率整體呈現(xiàn)正相關(guān)，特別是在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由800 r/min 上升至1 400 r/min的階段中，脫硫率的增長幅度相對更為顯著。初步推斷，其主要原因是，隨著轉(zhuǎn)速的增大，液體在絲網(wǎng)填料的作用下轉(zhuǎn)化為微小液滴，使得液相與氣相之間的接觸面積相對更高，更容易發(fā)生吸收反應[4]。而當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進一步上升時，由于過高的轉(zhuǎn)速降低了液相在填充床中的停留時間，因此反應不夠充分，造成脫硫率難以繼續(xù)上升，同時也容易帶來不必要的能耗。因此確定1 400 r/min 為合適的轉(zhuǎn)速。

二是測試液氣比（本次為液體與焦爐氣的計量比）對脫硫效率的影響，本次確定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，并保持其他條件不變，將液體與焦爐煤氣之比進行調(diào)整，以測試脫硫率，最終測試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 液氣比對脫硫率的影響

由圖3 可知，液氣比與脫硫率之間整體呈現(xiàn)正相關(guān)，但當液氣比上升至14 L/m3以上時，脫硫率的增加速度則大為放緩。由于本次實驗中，焦爐氣流量為定值，僅對脫硫液體流量進行調(diào)整，因此提高液氣比等效為提升脫硫液體的量。初步推斷，當液氣比上升至14 L/m3以上后，由于填料已經(jīng)完全潤濕，碳酸鈉成分已經(jīng)過量，因此脫硫率難以繼續(xù)提高[5]。最終確定液氣比的最優(yōu)參數(shù)為14 L/m3。

三是對不同溫度下的脫硫效率變化進行分析。設置RPB 轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，液氣比為14 L/m3，改變反應環(huán)境溫度，分析脫硫效率與溫度之間的關(guān)系，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同溫度下的脫硫效率變化圖

由圖4 可知，整體脫硫效率隨著溫度的升高而升高，特別是在300～315 K 范圍內(nèi)，脫硫率的上升相對較為顯著，而在超過315 K 后，脫硫效率上升趨緩。根據(jù)熱力學和動力學原理可知，當溫度不超過315 K時，升高溫度主要作用是提升了硫化氫與碳酸鈉的反應速率；而當溫度上升至315 K 以上后，雖然反應速率進一步提升，但硫化氫的溶解度降低，造成脫硫率難以進一步上升。由此最終確定本次實驗的適宜溫度為315 K。

3 實際應用測試

根據(jù)上述實驗，并結(jié)合已有資料，設置反應溫度為315 K，RPB 轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，液氣比為14 L/m3；同時調(diào)整溶液中的碳酸鈉質(zhì)量濃度為16 g/L，三核鈦菁鈷磺酸銨添加量設置為1%，以此作為焦爐煤氣脫硫工藝的優(yōu)化參數(shù)，在某焦化廠進行中試放大實驗。在經(jīng)過60 d 的實驗后，結(jié)果顯示，其平均脫硫效率為99.4%，高于傳統(tǒng)模式下的99.0%。同時，該脫硫?qū)嶒炈褂玫脑O備總體積僅為0.43 m3，與傳統(tǒng)設備相比，輕量化和小型化特征較為突出，提高了使用便利度，同時也有助于降低后期維護工作的成本。就此推斷，本次焦爐煤氣脫硫工藝方案的設計取得了初步成功。

4 結(jié)語

本次研究主要針對當前焦爐煤氣脫硫工藝中仍存在的技術(shù)問題進行解決和優(yōu)化，以超重力技術(shù)為核心，搭建基于RPB 設備的焦爐煤氣脫硫反應體系進行實驗，并分析了PRB 設備轉(zhuǎn)速、液氣比和反應溫度三項主要指標對焦爐煤氣脫硫效率的影響，選出最優(yōu)參數(shù)并進行中試放大實驗。結(jié)果顯示，在應用超重力技術(shù)并優(yōu)化參數(shù)后，中試放大實驗取得了較優(yōu)的效果，且在成本上具有一定優(yōu)勢。因此推斷該脫硫工藝在今后具有潛在的應用價值。