2.0 MPa加壓濕法脫硫設(shè)計及運行合理化建議

朱海新 鄭立華

(北京博源恒升高科技有限公司

北京100190)

加壓脫硫工藝一般根據(jù)壓力可分為0.8 MPa、1.2～1.5 MPa、1.7～2.0 MPa和2.4～2.6 MPa脫硫。初期加壓脫硫工藝設(shè)計壓力一般較低，控制在1.5 MPa以下，此時，加壓變脫系統(tǒng)的設(shè)計及操作相對較易；后來，對設(shè)備投資、占地面積、運行費用等方面進(jìn)行了考慮，加壓脫硫壓力逐步上升至1.7～2.0 MPa，甚至個別裝置脫硫系統(tǒng)壓力在2.6 MPa左右。對于這種壓力較高的脫硫系統(tǒng)，在設(shè)計及操作方面，與低壓脫硫系統(tǒng)明顯不同，此處主要討論2.0 MPa加壓脫硫系統(tǒng)。

1 2.0 MPa加壓脫硫系統(tǒng)存在的問題及原因分析

2.0 MPa加壓脫硫系統(tǒng)運行時，一般會出現(xiàn)系統(tǒng)壓差波動、阻力上升；嚴(yán)重時，塔內(nèi)會形成液泛，造成“淹塔”、帶液等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運行。同時，有些企業(yè)還會出現(xiàn)脫硫效果不穩(wěn)定的情況，壓差高時脫硫效果較好，壓差低時脫硫效果較差，偶爾還會伴隨再生槽再生效果不好，不能正常形成泡沫或噴射器不吸空氣，甚至向外噴氣、倒液等情況。設(shè)備檢修時，往往發(fā)現(xiàn)塔內(nèi)填料、氣液分布器等比較干凈，沒有出現(xiàn)塔內(nèi)填料、氣液分布器或除沫器等堵塞的問題，依常規(guī)看，不應(yīng)出現(xiàn)以上問題。其原因主要是塔內(nèi)起泡、CO2閃蒸不完全及溶液夾帶氣體或噴射器堵塞。

脫硫塔內(nèi)起泡時，塔內(nèi)空間會迅速被氣泡占據(jù)，氣液通道比正常時小，故造成局部氣液流速過快，塔內(nèi)阻力上升。當(dāng)溶液本身重力不足以克服氣體上升所產(chǎn)生的“托力”時，溶液無法下流，則會出現(xiàn)托液、攔液等情況，此時氣液接觸面積會比之前要增大不少，因此，塔內(nèi)壓差上漲時，如循環(huán)量不變，脫硫效果有時反而會變好。在2.0 MPa下加壓脫硫，因系統(tǒng)壓力較高，故各組分氣體分壓相對較高，此時溶液所吸收的CO2，H2，N2及CO等氣量也會增大。若脫硫塔和閃蒸槽設(shè)計不合理，溶液會從脫硫塔內(nèi)夾帶少量氣體，或CO2在閃蒸槽閃蒸不完全而進(jìn)入再生槽上部噴射器中。由于壓力降低，此時部分氣體從此處閃蒸，造成再生槽再生壓力不穩(wěn)定，噴射器不吸空氣甚至倒噴氣體，再生壓力的變化會導(dǎo)致泡沫不能正常形成或溢出。脫硫塔內(nèi)易起泡的原因如下。

(1) 目前，加壓脫硫工藝多數(shù)為濕式氧化法脫硫，脫硫液一般以純堿作為堿源，也有些企業(yè)會加入部分液堿或片堿，與氣體中大量的CO2發(fā)生酸堿中和反應(yīng)而生成純堿，其反應(yīng)方程式如下：

2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O

無論采用純堿、液堿或片堿作為堿源，最終該脫硫液都會成為碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液。該溶液本身為發(fā)泡性溶液，再加上本身溶液內(nèi)含有少量硫單質(zhì)，經(jīng)不斷攪拌，溶液會表現(xiàn)出一定的黏度，且硫在溶液內(nèi)也會造成溶液發(fā)泡。

(2) 脫硫液在脫硫過程中，氣體由塔下部進(jìn)入、塔頂而出，而脫硫液由塔上部進(jìn)入、塔底而出，氣液進(jìn)行逆向接觸，兩相在液體流動的表面發(fā)生氣液傳質(zhì)。當(dāng)塔內(nèi)局部噴淋密度過大時，相當(dāng)于氣體在溶液內(nèi)鼓泡，而溶液又為發(fā)泡性溶液，故極易造成氣體在塔內(nèi)鼓出氣泡。

(3) CO2在堿性水溶液中的吸收與解吸反應(yīng)。由于CO2為酸性氣體，溶液呈堿性，因此會發(fā)生以下酸堿中和反應(yīng)：

Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3

該吸收反應(yīng)為可逆反應(yīng)，CO2被碳酸鈉溶液吸收的同時也會發(fā)生碳酸氫鈉的解吸，只是吸收速度大于解吸速度，故該反應(yīng)所表現(xiàn)出來的為吸收反應(yīng)。CO2在解吸時從溶液內(nèi)部釋放出來，類似于氣體在溶液中鼓泡。CO2與堿溶液除發(fā)生酸堿中和反應(yīng)外，還會被脫硫液中的水吸收，且CO2分壓越高，溶液吸收的CO2含量也會越高。CO2在水中發(fā)生反應(yīng)如下：

該反應(yīng)過程為可逆反應(yīng)，CO2被水吸收的同時還會被解吸出來，且CO2分壓越高，吸收與解吸的量越多，反應(yīng)速度也會越快，在塔內(nèi)越容易形成起泡。

(4) 其他氣體在溶液中的吸收、解吸反應(yīng)。CO，H2及N2在溶液中的吸收、解吸反應(yīng)基本與CO2相同，所不同的是這些氣體微溶于水，對溶液起泡造成的影響較CO2要小很多。在壓力不高時，氣體在溶液中的溶解度符合亨利定律，即氣體的溶解度與其在氣相中的分壓成正比，隨著氣體分壓的升高，氣體吸收和解吸的量會增加，且速度加快，在一定程度上對溶液在塔內(nèi)起泡具有推動作用。

2 2.0 MPa加壓脫硫系統(tǒng)設(shè)計

通過以上分析可以看出，加壓脫硫時出現(xiàn)塔內(nèi)易起泡的主要影響因素在于脫硫系統(tǒng)壓力、進(jìn)口氣中H2S含量及CO2含量。當(dāng)該3項數(shù)值越大時，則塔內(nèi)越易起泡。如脫硫系統(tǒng)設(shè)計存在問題時，則有可能會出現(xiàn)溶液夾帶氣體從塔內(nèi)而出、再生槽噴射器向外噴氣等情況，針對2.0 MPa加壓脫硫系統(tǒng)的特點，在設(shè)計之初就應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 空塔氣速

對于2.0 MPa脫硫系統(tǒng)來說，空塔氣速一般控制在0.16 m/s以內(nèi)。當(dāng)溶液中H2S或CO2含量升高時，空塔氣速需進(jìn)一步下調(diào)，綜合一次性投資，最低空塔氣速可控制在0.10 m/s左右，但也有些企業(yè)控制偏高或偏低，如江蘇晉煤恒盛新廠合成氨裝置采用2.0 MPa變脫工藝，日產(chǎn)合成氨1 100～1 150 t，采用Φ4 000 mm脫硫塔單塔，實際空塔氣速已達(dá)0.221 m/s，但日常操作基本問題不大；河南心連心三廠采用2.0 MPa變脫工藝，日產(chǎn)合成氨1 050～1 080 t，采用Φ4 000 mm脫硫塔雙塔并聯(lián)，空塔氣速為0.109 m/s。

2.2 塔內(nèi)填料

在保證脫硫效果的前提下，應(yīng)盡可能選擇填料比表面積大、孔隙率高的填料，注意避免使用大量面接觸的填料，如矩鞍環(huán)填料；應(yīng)盡可能選擇點、面相結(jié)合的填料，如海爾環(huán)、鮑爾環(huán)等。

2.3 塔頂空間

為預(yù)防塔內(nèi)起泡后迅速帶液至后工段，在塔頂需預(yù)留一定空間，給操作帶來一定的緩沖時間。一般塔頂預(yù)留高度約4 m，也可適當(dāng)加大。

2.4 溶液循環(huán)量

按工藝要求來確定塔內(nèi)溶液循環(huán)量，但需注意，循環(huán)泵最好采用變頻電機，在調(diào)整溶液循環(huán)量時，可節(jié)省運行費用，尤其是在目前小氮肥企業(yè)用電優(yōu)惠政策逐步取消的大環(huán)境下。

2.5 閃蒸槽

與0.8 MPa變脫工藝不同，由于2.0 MPa變脫系統(tǒng)壓力較高，溶液中吸收的氣體量也會較多，因此，在該壓力下系統(tǒng)必須設(shè)閃蒸槽，且溶液停留時間應(yīng)≥2 min，能給溶液足夠的時間將溶液中的CO2及其他氣體閃蒸出去。在閃蒸槽的選擇上，由于立式閃蒸槽占地面積小，因此被廣泛采用。溶液進(jìn)入閃蒸槽時的形式可分為切線進(jìn)入與直線進(jìn)入。溶液切線進(jìn)入時，沿塔壁作圓周運動，與設(shè)備立面接觸時，因閃蒸壓力降低，故將溶液中的CO2解吸出去；溶液直線進(jìn)入時，需在閃蒸槽內(nèi)設(shè)置液體分布器，并根據(jù)實際情況加裝填料，填料一般選擇1～2層，總高2～3 m。溶液切線進(jìn)入時，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，無需復(fù)雜的設(shè)計、制作及安裝，利用簡單的物理原理實現(xiàn)CO2氣體的解吸，但因切線進(jìn)入會對設(shè)備立面造成沖刷腐蝕，當(dāng)溶液中固體含量較多時，沖刷腐蝕速度加快。溶液直線進(jìn)入時，設(shè)計、制作及安裝較為繁瑣，塔內(nèi)不裝填料時分離效果弱于切線進(jìn)入；加裝填料時，因脫硫液在閃蒸槽中發(fā)生部分氧化反應(yīng)，溶液中部分硫離子及硫氫根被氧化生成硫單質(zhì)，使溶液變臟，有時會造成閃蒸填料段堵塞，尤其在H2S含量過高時更為嚴(yán)重，填料堵塞后只得停車清理；溶液直線進(jìn)入對設(shè)備基本不會產(chǎn)生沖刷，一般只會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。大部分合成氨企業(yè)采用直線進(jìn)入+分布器+填料的形式對溶液進(jìn)行閃蒸。

3 避免溶液起泡需注意的問題

(1) 溶液溫度較高時，溶液吸收CO2的能力會相應(yīng)減弱，因此，可通過提高溶液溫度的辦法來降低溶液吸收CO2含量。溶液溫度較高時，溶液吸收H2S的能力會降低，且在再生槽形成的硫泡沫會較虛，溶液再生也會受影響，故溶液溫度一般控制在45～50 ℃。在脫硫效果允許的條件下，也可適當(dāng)提高溶液溫度；但需注意，提高溶液溫度時最好不要通過氣體提溫的方式，因氣體溫度升高時，氣體中含有的飽和水會增多，極易造成溶液膨脹，可通過在管道或貧液槽內(nèi)對溶液進(jìn)行提溫。脫硫塔出口需加裝冷凝器及氣水分離器，以避免向后工序大量帶水。

(2) 在正常生產(chǎn)過程中，應(yīng)隨時關(guān)注溶液再生情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)泡沫不正常、噴射器反噴等情況時應(yīng)查明原因，并及時清理噴射器。清理噴射器時，一定要全面徹底，清理部位包括吸空氣口、吸空氣室、喉管及尾管。清理喉管和尾管時，可用高壓水槍沖洗，水源應(yīng)為軟水或除鹽水。

(3) 系統(tǒng)加藥、加堿一般采用每天1次加入；但當(dāng)氣體中H2S及CO2含量較高時，也可采用分次加入，每天分2次或3次向系統(tǒng)中補加藥品。若氣體中H2S質(zhì)量濃度達(dá)到1 g/m3甚至超過1 g/m3、φ(CO2)>40%時，應(yīng)24 h連續(xù)不斷向系統(tǒng)中均勻加入催化劑及純堿，盡量避免1次加藥量過大而造成溶液成分波動，連續(xù)加藥也可使藥品作用時間延長。

(4) 系統(tǒng)發(fā)生壓差增大時，可通過加油對溶液進(jìn)行消泡或降低溶液循環(huán)量。加油原則為少量、多次，盡量避免加油量過大，否則會導(dǎo)致再生槽泡沫消失。加油時，可選擇機油或植物油，或2種油混合后加入系統(tǒng)中。在消泡能力上，機油屬于礦物油，礦物油的消泡能力弱于植物油，但對再生槽泡沫影響較??；植物油消泡能力強于礦物油，但對再生槽泡沫影響較大。在所用的植物油中，大豆油基本等同于色拉油，但弱于菜籽油，菜籽油又弱于蓖麻油。如系統(tǒng)空塔氣速過快或循環(huán)量過大時，可在運行中向溶液中連續(xù)滴加機油，加入位置在液位調(diào)節(jié)器或貧液槽。

4 結(jié)語

2.0 MPa加壓脫硫有其獨特的設(shè)計及操作要點，在生產(chǎn)中遇到的問題也是多方面的，造成一種現(xiàn)象的可能原因很多，處理問題的時候就要求能抽絲剝繭，先解決主要問題，再關(guān)注其他細(xì)節(jié)，有重點、有針對性地將問題逐步解決。

2015- 09- 11)