陶瓷膜超濾機在NHD脫硫、脫碳中的應用

陳少鋒

(陜西未來能源化工有限公司, 陜西 榆林 719000)

陶瓷膜超濾機在NHD脫硫、脫碳中的應用

陳少鋒

(陜西未來能源化工有限公司, 陜西 榆林 719000)

提出了NHD(聚乙二醇二甲醚)脫硫、脫碳工藝中溶液污染的問題，分析了系統運行中設備存在的問題和溶液臟對系統的危害， 提出了使用陶瓷膜超濾機對原溶液過濾系統進行改造的方案。通過實踐證明，解決了溶液污染問題，降低了消耗，保障了系統的安全穩定運行。

陶瓷膜；NHD(聚乙二醇二甲醚)；超濾機

某水煤漿氣化年產24萬噸甲醇項目采用山東魯南地區高硫煤為原料，經四噴嘴對置式新型氣化爐燃燒水煤氣作為合成原料氣。氣體凈化采用NHD溶劑作為吸收溶劑進行脫硫、脫碳，NHD脫硫、脫碳技術自1991年在兗礦魯南化肥廠投用以來，目前已在國內新建或改建多套裝置上成功應用。

1 運行現狀

甲醇凈化脫碳工段將脫硫氣在脫碳塔內由貧液吸收H2S、COS、CO2，吸收后的富液進入脫碳高壓閃蒸槽降壓閃蒸，然后進入高位低壓閃蒸槽V4005,閃蒸出大量CO2。閃蒸后的溶液進入氣提塔頂部經過N2氣提后，溶解在其中的CO2被氣提解析出來而變為NHD貧液。系統經過兩年多的運行，水煤氣帶入變換系統的炭黑逐漸轉移到脫硫、脫碳溶液中。NHD溶液本身沒有腐蝕性，但脫硫系統都采用碳鋼設備和管道，設備和管道表面氧化層，由于溶液的沖刷，氧化物隨溶液被帶到高溫高濕的閃蒸槽和再生塔，在此與H2S反應，生成灰黑色的硫化物顆粒，使溶液受到污染。

由于溶液受到污染，微小的固體顆粒對運轉設備的機械密封、壓縮機的活門和填料密封的壽命影響很大，同時污染物沉積與液位變送器的取壓管中，造成液位不準。固體顆粒隨溶液進入脫碳泵，磨損機封后造成機封泄漏跑液，系統停車。雜質聚集到填料上將造成填料堵塞，溶液分布不均、氣體偏流，影響溶液吸收，使脫碳指標惡化。

2 原溶液過濾器存在的問題

(1)原溶液過濾器結構不合理，只有最上部和側面人孔，無法檢查內部陶瓷管完好情況，無法部分更換；

(2)溶液過濾由內進外出，在過濾過程中濾管承受不了長期由內向外張力，易破損；

(3)原過濾器濾管是瓷粉制成的，由于燒結溫度低和配方原因使濾管強度不夠，導致濾管破裂，無法使用；

(4)溶液過濾器外形尺寸DN2400X5600，過濾面積30m2，不能滿足工藝需要，且反沖用水量大，沖洗不徹底，沖洗水COD高難以處理；

(5)原濾管壁厚30mm，孔隙率小、透氣阻力大，反沖清洗再生難；

以上原因造成過濾器不能正常投用，且無改造價值。

3 可能造成的后果

脫硫、脫碳溶液長期缺少溶液過濾系統，會造成以下后果：

(1)NHD溶液固含量增高，影響溶液吸收效果，造成脫硫、脫碳指標超標，甲醇系統停車。溶液污染后需要回制處理，費用高且溶液損失大。在2008年因脫硫脫碳指標超標，我們對溶液進行了返廠回制；

(2)由于溶液受到污染，微小的固體顆粒對運轉設備的機械密封、壓縮機的活門和填料密封的壽命影響很大，同時污染物沉積于液位變送器的取壓管中，造成液位假指示；

(3)固體顆粒隨溶液進入脫碳泵，磨損機封后造成機封泄漏跑液，系統停車。

(4)雜質聚集到填料上將造成填料堵塞，溶液分布不均、氣體偏流、攔液，影響溶液吸收，使脫硫、脫碳指標惡化。

4.溶液過濾流程

4.1 脫硫NHD溶液過濾流程

從再生塔底部出來的貧液進入貧富液換熱器(E3003)殼程與富液換熱降溫至94℃后進入脫硫貧液泵(P3002AB)，升壓至2.1MPa后經貧富液換熱器(E3002)殼程與管程NHD富液換熱，溫度降至48℃，再進入貧液循環水水冷器(E3008AB)殼程與管程循環水換熱，溫度被降至40℃左右，然后再進入貧液一次水水冷器(E3009AB)殼程與管程一次水換熱，最終溫度降至24℃，分成三路：第一路經變換脫硫泵(P3001AB)送至變換脫硫塔頂部；第二路經燃氣脫硫泵(P3005ABC)加壓送至燃氣脫硫塔頂部；貧液泵(P3002AB)出口引一路去溶液過濾器(M3001A)，過濾后的溶液返回貧液泵(P3002AB)入口。

4.2 脫碳NHD溶液過濾流程

脫碳高壓閃蒸槽底出來的溶液分一路到溶液過濾器M3001B入口，過濾后的溶液回到氣提塔。

5 改造方案

5.1 技術方案

(1)對原陶瓷過濾器設備結構重新選型，改為溶液過濾由外進內出，減輕濾管承受壓力。在實際使用時，外膜攔截液體中的細微懸浮物、雜質、油類和酸性有害微小物質；因外膜較薄，內支撐體骨架起保護外膜的作用，孔徑較大，不容易造成陶瓷膜過濾管的阻塞；而且在反沖再生時由里向外反沖，因內支撐體孔徑較大，沖擊力較強，更容易使膜表面掉渣、脫渣，快速完成陶瓷膜過濾管的再生利用。陶瓷膜過濾管因外表膜微孔小，顯氣孔率大，在使用中不但效果明顯，且再生利用好而快，過濾精度高，再生后使用壽命長。

(2)原單個出液口、反洗口，改為分組出液口、反洗口，加大反沖洗力度，能有效反沖洗干凈，減少濾管阻力，因外膜較薄，內支撐體骨架起保護外膜的作用，孔徑較大，不容易造成陶瓷膜過濾管的阻塞；而且在反沖再生時由里向外反沖，因內支撐體孔徑較大，沖擊力較強，更容易使膜表面掉渣、脫渣，快速完成陶瓷膜過濾管的再生利用。延長濾管使用壽命。

(3)濾管選用：濾管選用壁薄、阻力小、耐壓強度好的棕剛玉陶瓷濾管。外表膜制備采用橢圓形棕剛玉顆粒，棕剛陶瓷膜為過濾層的復合結構設計，在確保陶瓷膜過濾管主體強度的同時，提高了過濾分離效率，并實現膜管的快速反沖再生，提高了過濾效率和膜管的使用壽命。利用高溫燒成時顆粒表面產生相變形成微米級孔徑技術，增大產品高滲透量。其最高使用溫度可大于1000℃，這一優越特性特別適用于高溫氣體凈化、高溫操作產物的直接分離或人為提高分離溫度以降低被分離物的粘度(液相分離)、提高材料通量耐壓強度。

(3)根據溶液循環量，將過濾器過濾面積增加至96m3。

(4)設備筒體采用法蘭連接，上部設置人孔，便于檢查、檢修。

(5)過濾器投用過程中保證脫硫、脫碳溶液穩定運行，防止泵氣蝕；

5.2 實施的方式、方法、步驟

(1)將脫硫過濾器M3001B用于脫碳溶液過濾使用，將脫碳高壓閃蒸槽去脫硫補液的管道改至M3001B溶液入口，去再生塔補液閥前加盲板，經M3001B過濾后的溶液回到氣提塔，原M3001B進、出口加盲板；

(2)利用原M3001AB溶液過濾器基礎，對原設備更換為分組出清液，管壁外側進，管內出液的棕剛玉陶瓷膜過濾器。

(3)濾管壁改為9.3mm厚棕剛玉陶瓷濾管。

(4)組箱體和拉桿選用304不銹鋼材質。

(5)將脫硫、脫碳溶液過濾器M3001AB反沖洗的水排入V3007NHD沖洗罐，通過離心泵加壓后與V2007匯合后送入氣化磨機。

5.3 設備結構簡圖

設備結構簡圖見圖1。

6 陶瓷膜超濾機技術參數

6.1 脫硫工藝條件

脫硫溶液過濾器設計參數見表1。

表1 脫硫溶液過濾器設計參數

6.2 脫碳工藝條件

脫碳溶液過濾器設計參數見表2。

表2 脫碳溶液過濾器設計參數

圖1 溶液過濾器結構簡圖

6.3 濾芯技術參數

濾除范圍：≤0.5μm，反沖壓力：0.7MPa。

過濾流量：脫硫溶液過濾器≥90m3/h ，脫碳溶液過濾器≥40m3/h,過濾面積：96m2,過濾后固體含量：≤30mg/L。

7 關鍵技術及創新點

(1)棕剛玉陶瓷膜技術創新點:第一，外表膜制備采用橢圓形棕剛玉顆粒，利用高溫燒成時顆粒表面產生相變形成微米級孔徑技術，增大產品高滲透量。第二，采用多孔碳化硅材料為支撐體、棕剛陶瓷膜為過濾層的復合結構設計，在確保陶瓷膜過濾管主體強度的同時，提高了過濾分離效率，并實現膜管的快速反沖再生，提高了過濾效率和膜管的使用壽命。 第三，調整溶膠組分，應用緩沖層，優化浸漬、干燥和燒結工藝，實現了陶瓷膜厚度和孔徑的有效控制，解決了膜體在干燥和燒成時開裂等關鍵技術難題，使陶瓷膜微米孔的骨架結合緊密。第四，該膜過濾管外膜孔徑小，氣孔隙率高。

(2)過濾管改用耐壓強度好、濾管壁薄阻力小的棕剛玉陶瓷濾管。孔隙率高、透氣阻力小、可控孔徑、清洗再生方便等特點。

(3)原內進外出液過濾工藝，改為外進內出液

外膜攔截液體中的細微懸浮物、雜質、油類和酸性有害微小物質；因外膜較薄，內支撐體骨架起保護外膜的作用，孔徑較大，不容易造成陶瓷膜過濾管的阻塞；而且在反沖再生時由里向外反沖，因內支撐體孔徑較大，沖擊力較強，更容易使膜表面掉渣、脫渣，快速完成陶瓷膜過濾管的再生利用。

(4)清液、反沖口分組，加大反沖洗力度，能有效反沖洗干凈，減少濾管阻力，因外膜較薄，內支撐體骨架起保護外膜的作用，孔徑較大，不容易造成陶瓷膜過濾管的阻塞；而且在反沖再生時由里向外反沖，因內支撐體孔徑較大，沖擊力較強，更容易使膜表面掉渣、脫渣，快速完成陶瓷膜過濾管的再生利用。延長濾管使用壽命。加大了反沖洗力度，使濾管反洗干凈，延長了濾管使用壽命和效果。

(5)陶瓷超濾機是一種以壓力為推動力的膜分離過程，與傳統的沉降分離、板框分離、離心分離所不同的是，陶瓷膜過濾管在固液分離中主要采用錯流過濾方式，需分離的料液在循環側不斷循環。外膜表面能夠截留固體，同時讓液體透過雙層非對稱性膜孔滲出。由于液體平行過濾介質表面，使過濾阻力大大降低。從而可在較低的壓力下保持較高的通量。由于內支撐體膜微孔比外表分離膜微孔大，在反沖再生利用中能有效、快速脫渣，使過濾操作可以長時間進行，又能快速使陶瓷膜過濾管再生利用。

(6)實際使用中，被過濾的液體通過陶瓷膜過濾管經清液口流出，完成過濾過程。而液體中細微懸浮物、雜質、油類和通過處理的酸性有害微小物質，通過過濾方法截留在陶瓷膜過濾管的外膜表面，陶瓷膜過濾管所截留的微小顆粒物達到一定厚度時，壓差增大，應停機，用液體反沖洗陶瓷膜過濾管，完成再生過程，可繼續投入運行。

(7)采用陶瓷膜管倒掛式安裝、分組過濾、多組反沖口、筒體采用法蘭連接、上部設置檢查人孔等獨特設計，有利于設備安裝與觀察檢修。

8 經濟、社會效益分析

8.1 經濟效益

由于變換氣中催化劑粉末、煤灰、氧化物等被分離掉，保護了脫硫、脫碳溶液，避免了溶液污染，在同樣負荷下降低了溶液循環量和冷量消耗，減少溶液損失，延長了機封和閃壓機活門的更換周期。

(1)由于溶液受到污染，脫硫脫碳溶液平均每四年需要回制一次，回制費用6000元/噸，溶液回制損失按6%計算， NHD溶液按20000元/噸計算，脫硫脫碳系統一共有溶液500噸，平均每年可節約費用(6000×500+500×6%×20000)/4=90萬元；

(2)溶液循環量降低后每小時節約電耗10kWh,每年按330天計算，可節約電耗10×24×330=79.2MWh；

(3)降低氨吸收制冷負荷，每年可減少液氨消耗量20噸，每噸液氨按2000元計算，每年可節約2000×20=4萬元；

(4)每月可減少溶液損失0.2噸左右，每噸NHD溶液20000元，每年可節約溶液消耗費用20000×0.2×12=4.8萬元；

(5)脫碳貧液泵機封每個單價為9800元，每年可減少機封消耗4個，可節省費用9800×4=3.92萬元，同時還節省了更換的人工費用；

(6) 閃壓機活門每套單價為11522元，每年可減少活門消耗2套，可節省費用11522×2=2.3萬元。

8.2 社會效益

溶液經過濾后可減少溶液循環量，降低溶液消耗，降低電耗。

反沖洗的水送入氣化磨機磨煤，達到了廢水利用，避免了環境污染。

9 運行總結

陶瓷膜過濾器在NHD溶液脫硫、脫碳中應用后，解決了溶液污染問題，降低了消耗，保障了系統的安全穩定運行。

(本文文獻格式：陳少鋒.陶瓷膜超濾機在NHD脫硫、脫碳中的應用[J].山東化工，2016，45(12)：114-116，119.)

Application of Ceramic Membrane Ultrafilter in NHD Desulfurization and Decarbonization

Chen Shaofeng

(Shaanxi Future Energy Chemical Industry Co., Ltd. ,Yulin 719000，China)

The solution pollution during NHD desulfurization and decarbonization process was proposed. The problems existing in the equipments in the operation of the system and the dangers of contaminated solution on the system were analyzed. Ceramic membrane ultrafilter was used to reform the original solution filtration system. Practice shows that this method solved the problem of solution pollution, and reduced consumption, and ensured the safety and stability of the system.

ceramic membrane; NHD; ultrafilter

2016-05-29

陳少鋒(1981—)，湖北襄陽人，工程師，碩士，主要從事氣體凈化相關生產技術及項目建設管理工作。

TQ546.5

A

1008-021X(2016)12-0114-03