噴淋工藝在焦爐煤氣脫硫系統堿洗段中的應用

羅海滔，趙云清，潘小玉，王春志

（1.江蘇攬山環境科技股份有限公司，江蘇211100；2.金牛天鐵煤焦化有限公司，河北056404）

0 引言

金牛天鐵煤焦化有限公司內焦爐煤氣脫除硫化氫系統采用真空碳酸鉀法技術。焦爐煤氣在脫硫塔內完成硫化氫的脫除工作，硫化氫在脫硫塔內依次經過貧液脫硫段和堿洗段吸收，吸收后硫化氫濃度可以穩定在0.5 g/m3左右，最佳可以達到0.2 g/m3左右。隨著環保要求越發嚴格，現有工藝無法滿足0.02～0.05 g/m3的處理要求，需要對真空碳酸鉀法脫硫技術進行升級改造。堿洗段作為第二級脫硫段，具有極其重要的作用。本文主要從工藝角度對堿洗段展開研究。

1 堿洗段工藝概述

堿洗段是以NaOH 溶液為堿源，利用填料工藝對焦爐煤氣中硫化氫進行二次吸收，進一步降低焦爐煤氣中硫化氫的濃度，確保硫化氫濃度達到環保要求。吸收后的堿液送至蒸氨工段[1]。堿洗段工藝示意圖見圖1，堿洗段工藝參數見表1。

圖1 堿洗段工藝示意圖

NaOH 循環液通過溶液循環泵加壓，40%濃度NaOH 溶液經計量泵在混合器內與循環堿液混合后，一起送至脫硫塔堿洗段，經由8 只均布噴嘴裝置均勻噴落在堿液填料層上，在填料的表面對焦爐煤氣中的硫化氫進行吸收反應。焦爐煤氣在堿洗段完成二次脫硫，使得硫化氫濃度達到要求。

堿洗段內NaOH 溶液與硫化氫可以發生如下反應[2]：

在堿洗段內，主要發生第一個反應，NaOH 與硫化氫反應生成NaHS。

表1 堿洗段工藝參數

2 分析和討論

金牛天鐵煤焦化有限公司在運行中出現了堿液噴灑噴嘴堵塞情況，堿液的循環液量從70 m3/h降至10 m3/h 左右。分析其原因是運行過程中，填料碎裂產生的碎片與系統內的廢渣油泥等物在均布噴嘴內發生淤積堵塞，使得堿液的循環液量大幅度減少，同時降低了堿液在煤氣流通面上的覆蓋率，導致堿洗段的脫硫效果極差，其塔后煤氣中硫化氫的含量長時間持續大于1 g/m3。

由于環保要求逐步提高，在對脫硫效率升級改造的研究中，需要對脫硫塔重新進行更高要求的設計。在保持堿洗段效率情況下減少堿洗段的體積，可以有效降低改造難度和施工成本，為貧液脫硫段的升級改造提供更大的空間。

噴淋工藝不僅具有體積小、壓降低、效率高、故障率低和維護簡單等特點[3]，還具備可以提高反應速率、縮小塔徑、減小投資和增加系統可靠性等優點。現對噴淋工藝在真空碳酸鉀法脫硫堿洗段中的應用展開工藝研究。

3 噴淋工藝在堿洗脫硫技術中的應用研究

堿洗段內煤氣中硫化氫與循環堿液中NaOH的反應是典型的氣液反應，兩相間的傳質過程可以用雙膜理論來闡述。根據雙膜理論，氣液兩相間的反應阻力分為氣膜阻力和液膜阻力。由于硫化氫和氫氧化鈉的反應屬于不可逆的酸堿中和反應，反應快且完全，因此其反應阻力主要為氣膜阻力，降低煤氣相的氣膜阻力可以有效提高兩相間的傳質速率。通過增加相間的相對流動可以有效降低氣膜阻力，從而增加傳質反應的速率[4]。兩相間的流動情況主要包括相對速度和反應面積等。

氣相的流速越大，氣膜的厚度越薄，進而氣相阻力越小，其兩相間的傳質速率越高，反應越快越充分。液相反應面積越大，反應速率越高。

3.1 工藝研究

聚丙烯拉魯環DG25，其孔隙率為90%，比表面積為175 m2/m3。在填料表面，堿液的液膜厚度1~2mm[5]。NaOH 溶液循環泵加壓后的堿液至堿洗段時壓力約為2.0 MPa，采用噴淋工藝螺旋噴嘴，霧化后的堿液粒徑約為500 μm[6]?，F通過表2 將填料工藝和噴淋工藝從相對速度和反應面積方面進行對比。

表2 填料工藝與噴淋工藝參數對比

通過表2 可知，噴淋工藝中氣液兩相的相對速度是填料工藝的4 倍以上，反應面積是填料工藝的12 倍。相比填料工藝中堿洗段的反應速率，噴淋工藝可以大幅度提高。

由于煤氣相的流速可以提高至原來的4 倍，堿洗段的塔徑可以降低至原來的一半，從而能夠顯著降低脫硫塔的建設成本。

3.2 噴淋工藝在堿洗段中的應用設計

噴淋工藝中煤氣相的流速取值4 m/s，則塔徑可以縮小到2.5 m。由于噴淋塔內是空塔，此時煤氣相實際流速為3.96 m/s。原填料工藝堿洗段中煤氣與堿液的反應時長為1.67 s；在噴淋工藝的設計中，若保留反應時長1.67 s 的設計參數，堿洗段噴淋層總高需要為6.6 m。由于噴淋工藝在反應面積、相對速度等方面大幅度優于填料工藝，固噴淋工藝設計中反應時間可取值1.2 s，堿洗噴淋層的總高為4.8 m。而填料工藝中堿洗段總高為4.7 m，采用噴淋工藝僅僅增加0.1 m 左右高度。

原填料塔堿洗段的噴淋密度為3.87 m3/（m2·h），液氣比1 L/m3；由于NaOH 與硫化氫的反應屬于不可逆的酸堿中和反應，且反應速率快，因此噴淋工藝的液量仍然為70 m3/h。6 m 高的堿洗段，噴淋層可以分為3 層，這樣可以增加堿液的覆蓋率，確保硫化氫的脫除高效高速進行。

根據上述研究，對噴淋工藝在真空碳酸鉀法脫除硫化氫技術堿洗段中的應用展開設計。噴淋工藝流程示意圖見圖2。

圖2 堿洗段噴淋工藝示意圖

焦爐煤氣進入脫硫塔后，經過貧液脫硫段和集液盤后到達堿洗段。在堿洗段內從下向上，與3 層NaOH 循環液霧滴逆向接觸并進行反應。NaOH 循環液在管道內分為3 股分別進入3 層噴淋層，通過螺旋噴嘴加壓霧化為500 μm 左右的霧滴，每兩層噴淋層間距離為1.2~1.5 m。與煤氣中硫化氫反應后的NaOH 循環液在集液盤上富集并依靠重力返回循環槽內。

NaOH 循環液通過循環泵加壓、與40%濃度堿液混合等系統利舊，可以有效降低項目成本和建設時間。

4 結語

在脫硫塔堿洗段應用中，相比原來的填料工藝，噴淋工藝具有4 倍以上的相對速度、10 倍以上的反應面積等特點，具有更高的傳質速率，還具備空間小、成本低、維護簡單的優點。本文對噴淋工藝在堿洗段的應用進行了工藝研究和設計，為焦爐煤氣脫硫升級改造提供了更大的空間和必要的設計基礎。