HPF法脫硫工藝改進應用研究

馬蕓英

(山西潞安集團王莊煤礦煤質科，山西 長治 046031)

在煉焦生產中，煤炭中的硫主要以硫化氫的形式轉化到焦爐煤氣中。含有硫化氫的煤氣在燃燒過程中，會產生大量的硫氧化合物進而對大氣環境產生污染危害[1-3]。此外，在煤氣貯存或者輸送過程中，煤氣中的硫化氫還會腐蝕輸送管道及相關煤氣凈化設備。所以，加強煤氣脫硫工作對提升環境保護及生產安全運行具有重要意義。

1 HPF法脫硫工藝原理

圖1所示為HPF法脫硫工藝的主要流程。前工段的煤氣進入預冷塔后，首先通過循環水對煤氣進行降溫處理(由45 ℃冷卻至27 ℃)，再從底部位置進入2座串聯的脫硫塔內，利用脫硫液對煤氣進行洗滌，然后，再由脫硫塔頂部的捕霧工藝進行去除霧滴，之后，再進入硫銨工段。最終完成脫硫工藝后，可將煤氣中的H2S質量濃度控制在50 mg/m3以內。

在脫硫塔內產生的主要化學反應見式(1)～式(5)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

脫硫塔中含有H2S和HCN的脫硫液會從脫硫塔的底部流出，進入到溶液循環槽內與濃氨水和催化劑溶液混合，再通過溶液循環泵將脫硫液輸送到再生塔的底部，與空壓機房的壓縮空氣一起進入再生塔，再生后的溶液會從再生塔的頂部自動流入脫硫塔的頂部，進行噴灑脫硫工藝，進而循環利用。

圖1 HPF法脫硫工藝流程示意圖

再生塔反應生成的一些硫泡沫會自動從自生塔頂部流入到硫泡沫槽內，經過攪拌、靜置沉淀處理后再送入熔硫釜設備生成硫磺。熔硫釜內反應產生的一些清液會流入緩沖槽內，再由緩沖槽經液下泵輸送至脫硫液冷卻器內進行降溫處理，待溫度降至35 ℃以后，再輸送到溶液循環槽內循環使用。

在再生塔內的化學反應主要見式(6)～式(7)。

(6)

(7)

2 HPF法脫硫工藝的影響因素分析及優化改進

煤氣HPF法脫硫系統主要由吸收系統和脫硫液再生系統構成，影響脫硫系統的因素有很多，主要有預冷塔預冷后的煤氣溫度和脫硫液溫度，以及脫硫液的質量等[4]。因此，需要結合HPF法實際脫硫工藝對脫硫的關鍵性指標進行控制和優化分析。其脫硫工藝的控制指標如表1所示。

表1 脫硫工藝指標

2.1 脫硫系統溫度控制

2.1.1 預冷塔后煤氣溫度分析

在脫硫系統中溫度對脫硫效果影響較大，圖2所示為預冷后煤氣的溫度與脫硫效率的變化情況。

圖2 預冷后煤氣溫度與脫硫效率的變化示意圖

由圖2測得系統的運行數據可以看出，2015年6月～8月脫硫效率均在95%以內，經過預冷后的煤氣溫度相對較高(26 ℃以上)。主要原因是，運行期間制冷機運行效率較低，在9月份以后隨著氣溫的降低，預冷煤氣溫度均在25 ℃以下，脫硫效率明顯提高(96%以上)。當2016年通過更換制冷機后，在5月份投入運行后，預冷煤氣溫度明顯降低,基本可以控制在21 ℃左右，脫硫效率較2015年明顯提高。

2.1.2 脫硫液溫度分析

圖3所示為脫硫液溫度與脫硫效率的變化情況。通過對比圖2和圖3可以看出，脫硫液溫度與預冷后煤氣溫度的變化情況一樣，受季節氣候的影響，脫硫液的溫度升高后，脫硫效率明顯降低。這是因為，脫硫液溫度升高后溶液中的氨含量逐漸減少，進而脫硫效率降低。但是，若煤氣和脫硫溶液溫度太低，也不利于硫化氫的脫除，且溫度過低的話，將會影響再生反應的運行。通過實驗可知，當HPF催化劑活性在35 ℃左右，煤氣溫度在25 ℃～30 ℃，脫硫液溫度控制在35 ℃～40 ℃時，系統運行在最佳狀態，脫硫效率較高。

2.2 脫硫液成分分析

2.2.1 脫硫液pH值

脫硫液pH值與脫硫效率的變化情況如圖4所示。由圖4可知，脫硫效率隨脫硫液pH值的降低而降低，在2016年1月份脫硫液的pH值最高約在9.1左右，脫硫效率最高可達99%。在2015年至2016年8月份脫硫液的pH值最低在8.4以下，脫硫效率約為95%左右。所以，通過實驗可知，當脫硫液pH值控制在8.5～9.0時脫硫效率最高。

圖3 脫硫液溫度與脫硫效率的變化示意圖

圖4 脫硫液pH值與脫硫效率的變化示意圖

2.2.2 脫硫液中揮發氨的濃度控制

脫硫液中揮發氨的濃度對脫硫效率的影響也較大，在HPF脫硫過程中煤氣中的H2S會與氨水發生酸堿中和反應，因此，在脫硫過程中脫硫液中氨的濃度會直接影響脫硫效果。在實際脫硫過程中通常會發生脫離副反應進而產生一些銨鹽,從而會消耗一部分氨，同時，再生過程中放散的尾氣也會帶走一部分氨，進而降低脫硫液中氨的含量。脫硫液中氨的含量主要來源于煤氣和溶液的吸收平衡以及蒸氨塔的濃氨水，本礦實際生產中的游離氨質量濃度為6 g/L，符合生產要求。

2.2.3 脫硫液中兩鹽的濃度控制

在脫硫液氧化再生過程中，反應會產生硫氰酸鹽及硫酸鹽副產物，這些鹽類的濃度達到一定程度后，也會降低脫硫效率，所以，為了使脫硫效率保持穩定狀態，需要定期對脫硫液進行清理更換。圖5所示為兩鹽濃度與脫硫效率的變化關系，從圖5可以看出，脫硫效率隨脫硫液中兩鹽濃度的升高而逐漸降低。

圖5 脫硫液中兩鹽質量濃度與脫硫效率的變化示意圖

2.3 催化劑添加方式的控制

催化劑不同的添加方式對系統催化效果影響不同，所以,在實際生產過程中，催化劑的配置周期為一天一次。其配置方法是，首先，注入新鮮的水，然后，再加入復合催化劑攪拌均勻，待完全溶解后將溶液從循環槽的上部注入到系統內。通過多次實踐可知，每天加入52 kg的催化劑即可滿足日常的生產需求。

3 結論

應用以氨為堿源及PDF為催化劑的HPF法脫硫工藝脫硫過程比較簡單，且脫硫效率較高。通過對影響脫硫效率的各種因素進行分析并結合系統運行數據可知，HPF脫硫工藝各因素理想的控制水平是：預冷后煤氣溫度控制在22 ℃～23 ℃，脫硫液pH值控制在8.7～9.0，脫硫液中氨質量濃度控制在10 g/L～11 g/L,脫硫液中兩鹽質量濃度控制在270 g/L～280 g/L，這時系統脫硫效率最高，可達到98%以上。