濕法脫硫系統(tǒng)運行及改造總結(jié)

王遠(yuǎn)強， 周 鵬， 周 鴿

(山西豐喜華瑞煤化工有限公司 山西運城 043100)

山西豐喜華瑞煤化工有限公司(以下簡稱華瑞化工公司)利用周圍焦化廠排放的焦?fàn)t氣為原料生產(chǎn)合成氨、尿素等化工產(chǎn)品，同時以白煤為原料生產(chǎn)半水煤氣，對焦?fàn)t氣進(jìn)行“補碳”生產(chǎn)尿素。華瑞化工公司脫硫工段有焦?fàn)t氣脫硫和半水煤氣脫硫兩套系統(tǒng)(共用一套溶液系統(tǒng))，其中焦?fàn)t氣脫硫系統(tǒng)設(shè)計處理氣量34 000 m3/h，實際處理氣量30 000～45 000 m3/h，進(jìn)口焦?fàn)t氣H2S質(zhì)量濃度為3～4 g/m3，出口H2S質(zhì)量濃度<15 mg/m3；半水煤氣脫硫系統(tǒng)設(shè)計處理氣量20 000 m3/h，實際處理氣量20 000～25 000 m3/h，進(jìn)口半水煤氣H2S質(zhì)量濃度1.5 g/m3，出口H2S質(zhì)量濃度<10 mg/m3。在超負(fù)荷運行工況下，華瑞化工公司實現(xiàn)了2年檢修一次，該成績受到了同行的好評。

1 工藝流程

焦?fàn)t氣脫硫、半水煤氣脫硫及溶液循環(huán)工藝流程框圖如圖1所示。

圖1 脫硫工段工藝流程框圖

2 主要設(shè)備

(1)半水煤氣湍流塔

Φ2 200 mm×24 387 mm，配置槽盤式分布器。塔內(nèi)最上層裝填規(guī)格為50.0 mm×50.0 mm×5.0 mm的拉西環(huán)填料3.08 m3，下部6層裝填規(guī)格為Φ38.0 mm×1.2 mm的拉西環(huán)填料共計7.30 m3。

(2)半水煤氣脫硫塔

Φ3 600 mm×35 952 mm，配置槽盤式分布器。塔內(nèi)上部2層裝填規(guī)格為76.0 mm×76.0 mm×1.5 mm的海爾環(huán)填料共計120 m3，最下層裝填型號為GS-2的格柵填料30 m3。

(3)焦?fàn)t氣湍流塔

Φ3 200 mm×28 488 mm，配置槽盤式分布器。塔內(nèi)最上層裝填規(guī)格為50.0 mm×50.0 mm×5.0 mm的拉西環(huán)填料4.0 m3，下部6層裝填規(guī)格為Φ38.0 mm×1.2 mm的拉西環(huán)填料共計11.2 m3。

(4)焦?fàn)t氣脫硫塔

Φ4 200 mm×42 854 mm，配置槽盤式分布器。塔內(nèi)上部2層裝填規(guī)格為76.0 mm×76.0 mm×1.5 mm的海爾環(huán)填料共計166 m3，下部2層裝填型號為GS-2的格柵填料共計83 m3。

(5)再生槽

Φ8 000 mm×9 476 mm。

(6)反應(yīng)槽

Φ8 000 mm×8 575 mm。

(7)溶液泵

揚程為58 m，流量為790 m3/h，電動機功率為185 kW，電動機額定電流為355.0 A；3開1備。

(8)空氣鼓風(fēng)機

型號為RRE-350，流量為175 m3/min，電動機功率為355 kW，電動機額定電流為27.2 A，風(fēng)壓<68 kPa；1開1備。

3 脫硫系統(tǒng)配置要點

3.1 反應(yīng)槽的設(shè)置

脫硫系統(tǒng)必須設(shè)置反應(yīng)槽，且溶液在反應(yīng)槽內(nèi)的停留時間必須達(dá)到12 min以上。華瑞化工公司的再生槽直徑為8 m，溶液有效高度為8 m，溶液在再生槽內(nèi)的停留時間為16 min。

設(shè)置反應(yīng)槽的目的是讓反應(yīng)生成的HS-盡可能與自身攜帶的氧反應(yīng)生成單質(zhì)硫，盡量減少HS-進(jìn)入再生槽溶液中，最大限度地避免發(fā)生以下副反應(yīng)：

2NaHS+2O2=Na2S2O3+H2O

2Na2S2O3+O2=2Na2SO4+2S

2013年因反應(yīng)槽內(nèi)蒸汽排管發(fā)生泄漏，造成槽內(nèi)盤管處產(chǎn)生硫黃積累，槽內(nèi)有效體積減少了33.3%，導(dǎo)致溶液停留時間縮短，溶液中副鹽含量上升速率明顯加快。

3.2 脫硫塔液氣比的控制

目前大部分企業(yè)將脫硫塔液氣比控制在10～20 L/m3。華瑞化工公司通過15年的摸索，總結(jié)出液氣比的上限應(yīng)控制在15～25 L/m3，目前半水煤氣脫硫塔和焦?fàn)t氣脫硫塔的溶液循環(huán)量分別為440 m3/h和650 m3/h，液氣比分別控制在約22 L/m3和19 L/m3。

實際運行情況表明，增大溶液循環(huán)量能最大限度地避免堵塔現(xiàn)象的出現(xiàn)，這是華瑞化工公司多次提倡的在煤氣減量時不減溶液循環(huán)量的原因。采用大循環(huán)量時，在保證系統(tǒng)出口氣體H2S指標(biāo)的情況下，溶液中Na2CO3的含量控制得越低越好，同時可減少以下副反應(yīng)的發(fā)生：

Na2CO3+2HCN=2NaCN+CO2+H2O

NaCN+S=NaCNS

3.3 再生槽的配置

再生槽的主要作用是對單質(zhì)硫進(jìn)行浮選并為溶液提供氧氣。雖然理論上氧化1 kg H2S需要的空氣量為1.57 m3，但是空氣除了滿足氧化反應(yīng)外，還要使溶液中的硫呈泡沫狀浮選至溶液表面，以便溢流。若采用強制鼓風(fēng)再生，則吹風(fēng)強度應(yīng)該控制為80～120 m3/(m2·h)，噴射再生吹風(fēng)強度應(yīng)控制為60～110 m3/(m2·h)。但吹風(fēng)強度過大，不僅副產(chǎn)物生成量快速增加，而且再生槽翻浪嚴(yán)重，不利于硫泡沫的浮選。目前華瑞化工公司再生槽的吹風(fēng)強度控制在104.5 m3/(m2·h)。

3.4 硫黃回收工藝的控制

華瑞化工公司原硫黃回收采用硫泡沫在高位槽沉淀后，送至熔硫釜用蒸氣加熱制得硫黃，殘液經(jīng)沉淀降溫后補入系統(tǒng)。采用此法殘液量較大(平均為35 m3/d)，且殘液中副鹽含量嚴(yán)重超標(biāo)(Na2S2O3、Na2SO4、NaCNS的質(zhì)量濃度分別為50.56、78.10、120.49 g/L)，將其補入系統(tǒng)后嚴(yán)重影響再生槽內(nèi)硫泡沫的形成。

針對原硫黃回收工藝存在的問題，將高位槽更換為板框式壓濾機(型號XMY-100m2)。硫泡沫用泵送入板框式壓濾機，得到的清液過濾后返回系統(tǒng)，得到的硫膏(含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為25%)送入熔硫釜制取硫黃。由于此過程中未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶液成分未發(fā)生變化，且返回系統(tǒng)的量低于5 m3/d，大大減少了副鹽的生成量，穩(wěn)定了脫硫系統(tǒng)的操作。

3.5 填料的選擇

填料比表面積大，則孔隙率小，宜出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象；填料比表面積小，將影響氣體的凈化度。為此，華瑞化工公司在項目設(shè)計初期就積極與設(shè)計人員溝通，塔下部盡可能采用孔隙率大的填料以避免堵塔，塔上部選用比表面積大的填料以提高氣體的凈化度。

3.6 分布器的選用及安裝

分布器必須選用不銹鋼材質(zhì)，有的企業(yè)選用碳鋼材質(zhì)的分布器，結(jié)果投運不到2個月分布器即被腐蝕，造成液體分布不均，影響脫硫效率。分布器安裝時必須高度重視水平度，否則會影響液體的均勻分布，尤其是塔徑較大時，分布器在制作及運輸過程中很容易變形，更應(yīng)該注意。

4 溶液成分及消耗

脫硫系統(tǒng)溶液成分及控制指標(biāo)見表1。

表1 脫硫系統(tǒng)溶液成分及控制指標(biāo)

噸氨消耗控制指標(biāo)：Na2CO3、催化劑TS的用量分別不大于2.1、0.02 kg。

5 工藝管理

脫硫系統(tǒng)應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行精細(xì)化管理。

(1)催化劑活化及滴加。催化劑滴加前必須充分活化，并緩慢滴加，因為再生槽泡沫會夾帶催化劑浮選出來。催化劑費用在脫硫成本中占比較大，因此脫硫工藝管理中催化劑的活化和滴加量必須嚴(yán)格考核。

(2)殘液回收。脫硫系統(tǒng)投運初期，殘液回收至脫硫系統(tǒng)，再生槽就會產(chǎn)生“飛泡”現(xiàn)象，其原因是殘液溫度過高。通過新增沉淀池，殘液經(jīng)多級沉淀降溫后，溫度可控制在≤40 ℃，大大減輕了殘液溫度高對脫硫系統(tǒng)的影響。但是減少殘液的生成量仍是保證脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要手段，如增設(shè)板框式壓濾機就可大大減少殘液的生成量。

(4)脫硫系統(tǒng)進(jìn)口氣體質(zhì)量的控制。煤氣中的焦油、氨等成分會影響脫硫系統(tǒng)的運行，其中焦油會使催化劑的活性降低，而氨含量增加會破壞溶液的酸堿度，導(dǎo)致泡沫浮選困難。因此氣體進(jìn)入脫硫塔前必須通過靜電除焦油器除去其中的焦油，再與循環(huán)水直接接觸除去煤氣中的氨及HCN等。

6 環(huán)保提升改造

6.1 改造原因

華瑞化工公司脫硫界區(qū)內(nèi)3只再生槽排放的尾氣、脫硫循環(huán)水熱水池和硫回收沉淀池排放的廢氣原都是無組織散放，不符合監(jiān)管部門的要求，并且會對周圍環(huán)境和人體造成一定的影響。隨著環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，要求處理后排放氣中ρ(H2S)<1 mg/m3、ρ(NH3)<10 mg/m3，因此脫硫系統(tǒng)迫切需要增加揮發(fā)性有機物(VOCs)回收裝置。

6.2 項目規(guī)模

(1)脫硫再生槽排放尾氣中ρ(H2S)為0.15 mg/m3、ρ(NH3)為765 mg/m3。

(2)脫硫循環(huán)水熱水池排放廢氣中ρ(H2S)為30 mg/m3。

(3)硫回收沉淀池排放廢氣中ρ(H2S)為30 mg/m3。

(4)處理后排放氣中ρ(H2S)<1 mg/m3、ρ(NH3)<10 mg/m3。

(5)3只再生槽排放的尾氣量是按空壓機額定風(fēng)量為基礎(chǔ)計算的，考慮溫度(約40 ℃)、壓力(微負(fù)壓)及脫硫消耗氧氣，3只再生槽實際排放的尾氣量約為21 300 m3/h。脫硫循環(huán)水熱水池和硫回收沉淀池封閉后利用引風(fēng)機抽吸換氣，考慮采用不銹鋼板封閉，距池壁約1 m，以方便檢修人員的出入。脫硫循環(huán)水熱水池和硫回收沉淀池按氣相空間每小時換氣8次考慮處理風(fēng)量，其中脫硫循環(huán)水熱水池氣相空間最大高度約為3.1 m，風(fēng)管漏風(fēng)量取10%，則處理風(fēng)量為436 m3/h(標(biāo)態(tài))；硫回收沉淀池氣相空間最大高度約為1.3 m，風(fēng)管漏風(fēng)量取10%，則處理風(fēng)量為411 m3/h(標(biāo)態(tài))。全部尾氣流量為21 300+436+411=22 147(m3/h)，按22 225 m3/h選取風(fēng)機。

因為稻曲病毒素常存在于土壤中，所以，種植前需要把前期種植留在田里的禾兜盡快燃盡，在晴天深耕水田并曬田，田里撒一些石灰殺菌，也可以用環(huán)保酵素改善土壤。在南昌市五星農(nóng)場有機種植合作社調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，用鄱陽湖里的草和稻草漚制環(huán)保酵素改良土壤，3 a未曾感染過稻曲病，不僅稻曲病沒有發(fā)生，其他的蟲害也很少。

6.3 技術(shù)方案

本項目采用酸洗+堿洗組合工藝，工藝流程為將脫硫界區(qū)內(nèi)3只再生槽排放的尾氣、脫硫循環(huán)水熱水池和硫回收沉淀池排放的廢氣通過引風(fēng)機依次經(jīng)過酸洗塔和堿洗塔，分別除去其中的NH3和H2S，尾氣達(dá)標(biāo)后放空。酸洗介質(zhì)為來自硫酸銨工段的硫酸銨母液，經(jīng)洗滌后返回硫酸銨工段的滿流槽。堿洗介質(zhì)為來自脫硫工段的碳酸鈉溶液，經(jīng)洗滌后返回脫硫工段的溶液循環(huán)槽。

6.4 主要設(shè)備

酸洗塔：1座，DN 4 200 mm×17 601 mm，材質(zhì)為玻璃鋼(FRP)、D470樹脂。

堿洗塔：1座，DN 2 200 mm×19 945 mm，材質(zhì)為Q245R。

酸洗泵：2臺，材質(zhì)為Q904，Q=300 m3/h，H=40 m；電動機功率為75 kW，電壓為380 V。

堿洗泵：2臺，材質(zhì)為碳鋼，Q=90 m3/h，H=50 m；電動機功率為30 kW，電壓為380 V。

風(fēng)機：2臺，Q=22 225 m3/h，P=4 000 Pa；電動機功率為37 kW，電壓為380 V。

6.5 效益分析

本項目為環(huán)保治理項目，裝置投運后，可消除脫硫界區(qū)氣體無組織排放現(xiàn)象，改善操作環(huán)境和大氣質(zhì)量，解決影響華瑞化工公司發(fā)展的環(huán)保壓力，社會效益明顯。

6.6 公用工程情況

(1)酸液和堿液由硫酸銨工段和脫硫工段提供。

(2)用電情況：裝機功率約284 kW，運行功率約142 kW；低壓用電設(shè)備380 V/220 V，3相，50 Hz；照明系統(tǒng)電壓380 V/220 V，單相，50 Hz。

(3)裝置占地面積約200 m2。

6.7 項目建設(shè)情況

本項目于2020年7月9日開始土建施工；7月29日開始制作塔體；9月8日塔體設(shè)備就位；9月25日安裝完成，隨后進(jìn)行單體試車，裝置投運。通過第三方檢測公司的檢測(截至目前已經(jīng)抽檢8次)，結(jié)果表明處理后的排放氣均達(dá)到指標(biāo)要求。

6.8 系統(tǒng)運行情況

目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定。堿洗塔循環(huán)量控制為75 m3/h，總堿度為0.2 mol/L；酸洗塔循環(huán)量控制為250 m3/h，酸度為0.25 mol/L；進(jìn)系統(tǒng)總管H2S平均質(zhì)量濃度為20 mg/m3、NH3平均質(zhì)量濃度為30 mg/m3，處理后排放氣體中H2S質(zhì)量濃度<0.2 mg/m3、NH3質(zhì)量濃度<5 mg/m3，均達(dá)到設(shè)計排放要求。