蒸汽機械增壓技術在脫硫再生SO2解吸過程中的應用

朱智穎

(長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南長沙 410011)

蒸汽機械增壓技術在脫硫再生SO2解吸過程中的應用

朱智穎

(長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南長沙 410011)

對蒸汽機械增壓(MVR)技術和離子液脫硫再生工藝原理、物理化學參數(如SO2在吸收液中的溶解度及在液體表面的氣相分壓等)、公式計算進行了分析和研究。因吸收液解吸體系溫度和壓縮機壓縮能力的限制，目前MVR技術無法完全替代生蒸汽再沸式傳統(tǒng)工藝對SO2吸收液進行再生。采用MVR技術+部分生蒸汽對吸收富液進行SO2解吸能夠有效降低對生蒸汽的消耗，初步估計可降低80%左右的生蒸汽耗量，具有顯著的節(jié)能降耗作用。

蒸汽 機械增壓 離子液 脫硫 再生 二氧化硫 解吸

蒸汽機械再壓縮(簡稱MVR)技術，是近年來國內發(fā)展應用較快的一種節(jié)能工藝。該技術起源于20世紀六七十年代的西方發(fā)達國家，至20世紀90年代末已成為國外一種較為成熟的蒸汽利用節(jié)能技術。其主要應用于化工的蒸發(fā)及蒸餾分離過程中，相比于傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)工藝，采用MVR技術在運行過程不消耗生蒸汽，只消耗少量電能。其基本原理是電動機驅動壓縮機對蒸發(fā)室出來的蒸汽做功，在提升蒸汽溫度和壓力的同時最大限度地利用蒸汽本身蘊含的蒸發(fā)潛熱為蒸發(fā)(或精餾)過程的加熱器(或再沸器)提供熱源，壓縮的增溫增壓蒸汽對被加熱介質充分釋放相變熱后冷凝成液體[1]。由于可直接將蒸發(fā)產生的蒸汽回收作為一次蒸汽熱源，且無需像多效蒸發(fā)過程對末效蒸汽加裝冷凝負壓裝置，所以MVR技術的理論能耗只相當于單效蒸發(fā)的7%左右。目前，該技術在國內正逐步被應用于海水淡化、醫(yī)藥、制鹽等行業(yè)的濃縮結晶和物相分離過程。

因有機溶劑法吸收再解吸SO2的工藝類似于化工精餾過程操作，正逐步被脫硫行業(yè)所關注。但MVR技術能否完全替代傳統(tǒng)蒸發(fā)精餾工藝中的生蒸汽熱源是需要重點分析、研究和討論的問題。

1 SO2的解吸過程分析

有機溶劑吸收解吸SO2工藝主要有以下兩種：

1) 離子液工藝。代表性工藝有殼牌康索夫公司的有機胺工藝，其主要原理是采用水胺溶液吸收、解吸廢氣中的二氧化硫[2]。該溶劑配方未公開且在不斷優(yōu)化其成分，國內一些公司也采用類似工藝進行推廣和應用，姑且以有機胺脫硫劑對其進行統(tǒng)稱。此外，胍類離子液、咪唑類離子液也在實驗室中進行研究和合成。有些離子液存在部分吸收CO2的作用，對脫硫過程形成干擾，故未大規(guī)模進行工業(yè)化應用。

2) 檸檬酸鹽工藝。該工藝由挪威科技大學Erga和Bengtsson提出，20世紀60年代美國礦產局采用此工藝對有色冶煉行業(yè)進行脫硫[3]。其吸收SO2的效果相當于氨法脫硫。該工藝引入國內后，在常州化工二廠、富春江冶煉廠和金川公司等裝置的工業(yè)應用中,均存在吸收過程產生不可被解吸的硫酸鹽或亞硫酸鹽，解吸過程檸檬酸溶液發(fā)生反應變質等問題，因此不得不停止并再研究。目前據調查，已研究出能克服上述問題的某種新型檸檬酸鹽溶液。

以上兩種工藝的共同點是采用有機物的水溶劑作為吸收解吸SO2的載體，解吸過程需要高溫蒸汽作為熱源對已吸收SO2的富液進行脫吸再生。由于SO2與吸收劑以“H”鍵方式結合，所以熱源的溫度是打開鍵能的重要手段。

根據溶液熱力學的拉烏爾定律可知:溶液中解吸出的SO2氣相分壓取決于解吸終點時再生溶液內有機載體的濃度、殘余SO2濃度以及再生溶液的溫度這三大要素。由于有機載體的水溶液不同于純溶劑，其溶質不可根據拉烏爾定律直接計算求解SO2氣相分壓。因此，對于不同解吸終點的SO2氣相分壓一般應根據工業(yè)實測參數進行確定和選取。

解吸過程中溶液的有機載體一般只有少量隨蒸出氣體進入氣相。但當超過一定溫度后，有機載體會發(fā)生分解、變質等反應。因此，要避免這種情況發(fā)生，應針對不同種類、不同濃度的吸收液制定出最佳解吸溫度區(qū)間。

水溶液的蒸發(fā)過程不可避免會產生大量水蒸氣，其產生量近似由該溫度下飽和水蒸氣分壓和熱源的給熱量計算得出。

根據以往的工業(yè)運行情況和經驗，吸收液解吸終點的貧液溫度一般為95～105 ℃，解吸出來的SO2氣體與水蒸氣的體積分數比一般為5∶95。隨著給熱量的提高，解吸后貧液中的SO2濃度可降到更低值，水蒸氣的體積分數可進一步提高；但經過SO2解吸的貧液再次吸收SO2的能力提升較小，且消耗更多的蒸汽能源會顯著增加系統(tǒng)的運行費用。因此，從能效角度考慮，熱源的加熱量應適中，不宜過大。

2 MVR技術對解吸SO2的適應性分析

MVR裝置對蒸汽的溫度、壓力的提升值可根據壓縮機對介質氣體的公式近似計算，采用理想氣體的絕熱壓縮過程公式為[4]：

p1×V1k=p2×V2k=常數

(1)

T2=T1×ε(k-1)/k

(2)

式中：k——絕熱指數，理想氣體k=cp/cv；

cp——氣體的等壓比熱,J/kg·℃；

cv——氣體的等容比熱,J/kg·℃；

V1、V2——分別為吸入和排除狀態(tài)下的體積流量,m3/min；

p1、p2——分別為壓縮機氣體吸入口和排出口的壓力(絕壓),kPa；

ε——壓縮比，ε=p2/p1；

T1——壓縮機吸氣溫度,K；

T2——壓縮機排氣溫度,K。

混合氣體的絕熱指數可按下式進行計算：

1/(km-1)=Σyi/(ki-1)

(3)

式中：km——混合氣體的絕熱指數；

ki——i組分的絕熱指數；

yi——氣體中i組分的摩爾分數，%。

以100℃的飽和水蒸氣為例，其絕熱指數k=1.339，壓縮比取2.0。經過絕熱壓縮后，出口壓力由0.1 MPa增加至0.2 MPa，其溫度為176 ℃，遠高于出口壓力對應的飽和蒸汽溫度120 ℃。因此，絕熱壓縮后的飽和水蒸氣變成過熱蒸汽。

含有SO2的水蒸氣經絕熱壓縮后的結果與水蒸氣相似。以含SO2摩爾分數5%的混合氣體為例，混合氣的絕熱指數為k=1.333，壓縮比為2.0，經過計算出口氣體溫度為172 ℃，其中水蒸氣依然為過熱蒸汽狀態(tài)。

采用過熱蒸汽作為解吸塔的工作熱源是不合適的，因為過熱蒸汽的相變潛熱并不能被直接利用。其首先要降溫至飽和蒸汽溫度下才能進一步釋放冷凝潛熱，而在此之前的顯熱釋放過程對換熱器傳熱系數及流動狀態(tài)的選擇均不同于飽和蒸汽冷凝器的設計，使換熱器的設計很難準確的把握和選定。為避免這種狀況，可采用兩種方式消除蒸汽過熱度：① 先設置1臺氣體換熱器進行過熱消除再進飽和蒸汽再沸器；② 向過熱蒸汽中加入飽和水使其氣化以消除過熱度。但考慮到水蒸氣的汽化(或冷凝)潛熱隨溫度的升高在不斷減小，要蒸發(fā)一定質量的低溫飽和水需要消耗大于低溫水質量的飽和蒸汽。若采用第一種消除過熱度方式應用于MVR過程，則會造成蒸發(fā)水量越來越小，破壞系統(tǒng)水平衡；采用第二種向過熱蒸汽加水方式可增加高溫蒸汽的質量，維持系統(tǒng)連續(xù)蒸發(fā)水量恒定。根據計算，采用第二種消除過熱度方式將176 ℃過熱蒸汽降至120 ℃飽和蒸汽需蒸發(fā)的水分占過熱蒸汽量的6%左右；采用第一種方式為維持系統(tǒng)水量平衡，需補加水量只占過熱蒸汽的2.4%左右，小于6%。所以采用第二種方式消除蒸汽過熱可滿足系統(tǒng)水平衡，也是目前較為常見的做法。

離子液解吸SO2工藝流程見圖1。

圖1 離子液解吸SO2工藝流程

采用MVR工藝替代傳統(tǒng)生蒸汽加熱工藝解吸SO2，該工藝里有兩個參數至關重要：① SO2的解吸溫度要維持在95～105 ℃；② MVR蒸汽壓縮機的壓縮比ε一般難以超過2.0。對于蒸汽壓縮比的限制主要有兩方面原因：① 隨著壓縮比的提高，對壓縮機葉輪材質和強度的要求會更高、更苛刻，導致壓縮機發(fā)生喘振的概率顯著增加；② 根據壓縮機理論功率估算公式(4)，電機功率隨著壓縮比增大而急劇增加，會造成運行成本大幅提高。

N=1.634×p1×V1×k/(k-1)×[ε(k-1)/k-1]

(4)

為使MVR壓縮機能在高效區(qū)間內正常運行，其對蒸汽的壓縮比不應超過2.0，這樣使得二次飽和蒸汽的溫度提升一般不超過20 ℃，所以經再沸器之后的飽和冷凝水溫度應為115～125 ℃。

根據分析，采用MVR技術應用于吸收液解吸SO2系統(tǒng)的關鍵是要維持解吸系統(tǒng)的質量平衡和熱量平衡。質量平衡沒有問題，把經過再沸器后的冷凝水全部送回解吸塔中就能保持進塔原液中水量與出塔貧液中的水量一致。但要保證解吸系統(tǒng)的熱量平衡，除了滿足MVR系統(tǒng)蒸汽產出和再沸冷凝之間的熱平衡之外，還應滿足二次蒸汽經再沸器之后的飽和冷凝水溫度115～125 ℃降低至解吸塔內液相溫度95～105 ℃的放熱量，能將從貧富液換熱器出來的富液溫度加熱到解吸塔中95～105 ℃的飽和進料溫度。

這里貧富液換熱器溫度估算如下：由于從吸收塔過來的富液量與解吸塔排出的貧液量除了在SO2含量不同外，其他成分(包括水分)和比熱均近似相等。吸收塔富液過來溫度為40～50 ℃，解吸塔排出貧液溫度為95～105 ℃，兩者溫差50 ℃。為保證逆流換熱的兩者能實現充分換熱并有合適的換熱面積，應保持高溫液出換熱器的溫度高于低溫液的進液溫度10 ℃以上，即貧液出換熱器的溫度高于富液進換熱器的溫度10 ℃以上。

由圖1可知貧富液換熱器出來的吸收富液溫度可達到85 ℃，需要再沸器出來的冷凝水將其加熱到95～105 ℃。

以離子液為例， SO2吸收解吸容量一般為27 g/L。根據解吸塔中SO2與H2O摩爾比為5∶95，每升溶液蒸發(fā)水分為144.3 g，蒸發(fā)水(后形成冷凝水)量約占總溶液質量的15%。因此，要將富液溫度升高15 ℃左右需要冷凝水溫度降低至少100 ℃，這遠高于二次冷凝水從120 ℃最多降低至100 ℃時所釋放的溫差熱量。因此，要讓MVR完全滿足SO2解吸系統(tǒng)的熱平衡只能通過以下三種方式實現：1) 通過串聯多臺壓縮機的方式提高壓縮比，增加二次飽和蒸汽與平衡蒸發(fā)過程的溫差以增加冷凝水的放熱溫差。

2) 降低解吸塔中溶液的平衡蒸發(fā)溫度，使其接近富液出貧富換熱器的溶液溫度85 ℃，溫差不超過3 ℃。但這會導致解吸效果顯著降低，解吸塔處于88 ℃時平衡蒸餾溫度已低于SO2的最佳解吸溫度100 ℃。

3) 增加壓縮機的處理流量，使其處理量接近進入解吸塔富液的總質量，用以大幅提高解吸塔氣相出口氣體水蒸氣的含量;從而使形成的冷凝水量和需被加熱的富液流量相當，以維持系統(tǒng)的熱量和溫差平衡。但計算顯示，這需要使壓縮機的蒸汽處理量增加5倍以上，且需冷卻水蒸氣的循環(huán)水量亦以相應倍數增加，結果導致投資和運行成本都大幅倍增，采用MVR的節(jié)能優(yōu)勢將不復存在。

3 結論

通過對MVR技術應用于SO2解吸系統(tǒng)的技術分析，可以得到以下結論：

1) 相比采用傳統(tǒng)生蒸汽對吸收富液進行換熱，MVR技術本身具有節(jié)能的作用，也是SO2循環(huán)吸收解吸工藝中節(jié)能技術發(fā)展的新方向。

2) 由于吸收液解吸SO2工藝中進解吸塔的料液溫度較低，導致MVR不能完全取代傳統(tǒng)蒸汽加熱方式用于該過程。

3) 為盡量實現節(jié)能降耗的目的，可考慮采用MVR+部分生蒸汽加熱吸收富液的SO2解吸技術。即在MVR不足以提高進入解吸塔富液溫度的前提下，用生蒸汽對該部分溶液進行間接加熱，以達到溶液以泡點進塔的要求；或在解吸塔中增加生蒸汽再沸裝置以實現對解吸系統(tǒng)的熱量補充。初步估算補加生蒸汽的量為MVR循環(huán)蒸汽量的10%～20%，具體值由溶液蒸發(fā)量所占進料量的關系及解吸得到的最終SO2氣體溫度所決定。

[1] 梁林，韓東.蒸汽機械再壓縮蒸發(fā)器的實驗[J].化工進展，2009(S1)：358-360.

[2] 劉瑜.康世富可再生胺法脫硫技術的應用[J].硫酸工業(yè)，2007(1)：39-45.

[3] 魏占鴻，劉陳，唐照勇，等.檸檬酸鈉法治理冶煉廠非正常排空煙氣的生產實踐[J].硫酸工業(yè)，2013(1)：29-33.

[4] 中石化上海工程有限公司.化工工藝設計手冊(上冊)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009：964-991.

ApplicationofsteammechanicalpressurizingtechnologyinSO2desorptionbydesulphurizationregenerationprocess

ZHUZhiying

(Changsha Engineering and Research Institute Co., Ltd., Nonferrous Metallurgy, Changsha, Hunan, 410011, China)

The calculation of the formula of steam mechanical supercharging (MVR) and the principle of chemical recovery of ionic liquid desulphurization, the physical and chemical parameters (such as the solubility of SO2in the absorption liquid and the gas partial pressure on the liquid surface) are analyzed and studied. Due to the limitation of the absorption solution desorption system temperature and the compression capacity of the compressor, the current MVR technology can not completely replace the traditional steam reboil process to regenerate the SO2absorbing liquid. The usage of MVR technology and partial raw steam to absorb rich liquid SO2desorption can effectively reduce the consumption of raw steam, steam consumption reduced by about 80%, with significant energy saving effect.

steam; machinery pressurize; ionic liquid; desulphurization; regeneration; sulphur dioxide; desorption

2017-09-16。

朱智穎，男，長沙有色冶金設計研究院有限公司高級工程師，從事化工環(huán)保設計工作。電話：13786147859；E-mail：zzyhncs@foxmail.com。

TQ111.16；TQ083+,4

B

1002-1507(2017)11-0018-04