酸性水汽提裝置旋噴脫硫實驗研究

＊黃衛存

（鎮海石化工程股份有限公司 浙江 315040）

1.引言

在煉制石油的過程中，會產生大量的酸性水，通過酸性水汽提裝置可以對酸性水進行凈化后再循環利用。在汽提裝置中有多個大型酸性水儲罐，單個罐頂會產生流量約為200m3/h含硫化氫酸性氣，需對罐頂氣進行脫硫后才能排至瓦斯管網或火炬[1]。目前工業生產中，處理工業污染水的汽提裝置，常采用的工藝流程大致有四種，包含單塔加壓側線抽出汽提、單塔加壓無側線汽提、單塔常壓汽提、雙塔加壓汽提[2]。在汽提工藝中，塔頂排除的氣體中95%以上都是水蒸氣，因此如果采用化學試劑處理會造成大量試劑浪費，投入成本高且效率低，所以比較常見的方法是采用火炬焚燒的方法，直接利用燃燒將H2S、NH3氧化為SO2、N2和H2O，直接去除污染氣體，生成無毒氣體，直接排放到大氣中。含硫廢氣的存在不僅會在開采、處理和運輸的過程中造成設備和管道的腐蝕[3]，用作燃料時也會污染環境，危害人體健康[4]。因此對酸性水進行脫硫處理具有十分重要的意義。目前主流脫除硫化氫的方法分為干法脫硫、濕法脫硫。干法脫硫成本相對較低，在工業上被廣泛應用，但其脫硫效率相對其他方法較低，僅為70%左右[5]，并且干法脫硫劑在使用一定時間后需要更換，從而產生一定量的危廢，還需要更換過程的停工檢修時間。濕法脫硫由于其極高的吸收效率被廣泛運用，脫硫塔就是最普遍的濕法脫硫方法運用[6]。傳統的化學吸收法去除速度快，吸收率高，但容易腐蝕設備[7]，所需的停留時間較長，設備重量和整體占地面積較大，所使用的脫硫設備氣液比較高，吸收液用量較大，吸收液需要一定的再生能耗和損耗，吸收液流速較慢會形成一定區域的結垢或堵塞，從而增加整塔壓降。

本研究致力于開發高效的酸性水汽提噴射吸收脫硫技術，使用氣相旋流-液相射流吸收器及設備對酸性水汽提中的含硫廢氣進行處理，在確保達標的前提下，通過吸收液霧化及霧滴湍流運動，大幅擴大傳質面積和傳質速率，從而降低氣液比、減少吸收液用量、大大減少氣相停留時間，提高吸收液流速從而避免結垢堵塞，使裝置占地、投資維護成本均大幅降低，與現如今節能減排相契合，具有重要的社會環保經濟效益。

2.實驗部分

準備好待處理氣體的吸收劑在氣相旋流-液相射流吸收器中的存在狀態可以是霧狀或者細射流兩種，并與切向進入的旋流氣體產生碰撞。當高速運動的氣體旋流場中，吸收液液滴受到切向的剪切力作用，發生液滴破碎成為無數更為微小的液滴，液滴表面不斷更新，吸收能力達到最佳。此破碎重組過程不同濃度含H2S的酸性氣體由風機從儲氣瓶中吸出，沿切向射入氣相旋流-液相射流凈化器，同時儲液箱中的吸收液由水泵吸出，進入凈化器，并由管壁上小孔打散，形成細小水柱，流程如圖1所示。

本次實驗主要研究含硫化氫氣體的流量與待處理氣體中硫化氫的濃度、堿性吸收液中Na2CO3的濃度、堿性吸收液進入旋風吸收器中心段時的流量等各種工藝參數對含有H2S的混合氣體脫除率的影響。對氣相旋流-液相射流吸收器脫除硫化氫氣體的效果和可行性進行研究，拓展該裝置于此領域的應用。

實驗采用常溫空氣與H2S的混合氣體模擬氣體，吸收液采用Na2CO3溶液。實驗開始前將濃度為CL的Na2CO3溶液共30L倒入液體循環槽中并攪拌均勻，通過加熱裝置將循環罐中的溫度恒定控制在溫度T，打開液泵為溶液加壓，將Na2CO3溶液輸送至氣相旋流-液相射流吸收器的夾套中，并將液體流量控制在所需值QL，通過液體轉移作用將吸收的液體轉移到泵中。經過液泵輸送，堿性吸收劑通過裝置的噴射孔噴入氣相旋流-液相射流吸收器中。實驗開始時，打開H2S鋼瓶和風機，使兩種氣體混合，通入氣相旋流-液相射流吸收器中，調節風機風速大小，使氣體流量達到所需值QG。在氣相旋流-液相射流吸收器中，氣液兩相發生劇烈的旋流吸收反應。通過反應，凈化后的含硫混合氣體從上部出氣口排出，堿性吸收劑從裝置下部液體出口流出，并循環使用。實驗過程中控制環境溫度在25℃左右，上下不超過2℃，氣相旋流-液相射流吸收器內部溫度由所安裝的溫度計監測。硫化氫的吸收率η由下式定義：

式中，cin表示H2S的入口濃度，mg/m3；cout表示H2S的出口濃度，mg/m3。

3.實驗結果與討論

(1)氣體流量對含硫氣體凈化效率的影響

當H2S進口濃度cin=100mg/m3，溫度為25℃，Na2CO3吸收液流量QL=100L/h，Na2CO3的質量分數為0.6%。吸收液使用量高于吸收反應過程所需要的用量時，研究在三種不同噴射角度下氣體流量對脫硫效率的影響，控制氣體流量變化區間為5～17m3/h，實驗結果如圖2所示。由實驗結果可知，在三種噴射角度的情況下，脫硫效率均隨著氣體流量的增大而持續下降。當氣體流量相同時，噴射角度為0°時對含硫氣體凈化效率最高，可達到95.52%，其中噴射角度為-45°時效率最低。

從圖2可以得出：隨著待處理氣體的流量不斷升高，而氣相旋流-液相射流吸收器的孔徑不變，氣相速率開始不斷增高。在整個實驗過程中，隨著氣相速率的持續提升，硫化氫的脫除率不斷下降。待處理氣體的初始速率越大，使待處理氣體更快的離開氣相旋流-液相射流吸收器，因此減少了待處理氣體在吸收器中的被處理時間。當氣速較小時，待處理氣體的初始速率可以適當提高氣相與液相的相對速率，待處理氣體以適當的切割力去破碎剪切吸收液，能夠使相界面面積維持在最佳的范圍內，保證傳質效果。根據實驗結果，適當降低進口氣速，能夠使氣相與液相的相互作用力維持在更好的水平，提高對硫化氫的吸收效果。當待處理氣體流量在5～12m3/h區間內時，吸收速率降低較為平緩，當氣速大于12m3/h時，吸收速率隨氣量增加而下降明顯，說明氣速過快，大量混合氣體已經來不及與吸收液進行反應而直接排出。因此，具體的單位時間氣體處理量需依照實際情況進行計算。

(2)吸收液流量對含硫氣體凈化效率的影響

當H2S進口濃度cin=100mg/m3，溫度為25℃，總氣體流量QG=17m3/h，Na2CO3的質量分數為0.6%。吸收液使用量高于吸收反應過程所需要的用量時，研究在三種不同噴射角度下吸收液流量對脫硫效率的影響，控制吸收液流量變化區間為60～120L/h，實驗結果如圖3所示。由實驗結果可知，在三種噴射角度的情況下，脫硫效率均隨著吸收液流量的增大而持續上升。當吸收液流量相同時，噴射角度為0°時對含硫氣體凈化效率最高，可達到87.01%，其中噴射角度為-45°時效率最低。

從圖3可以得出：隨著所進入Na2CO3吸收液的流量不斷增加，對待處理氣體之中硫化氫的吸收效果呈上升狀態，當噴射角為0°，進入吸收液流量在60～80L/h之間時，碳酸鈉溶液對硫化氫的吸收率緩慢上升，約從77.8%上升至79.01%；進入吸收液流量在80～100L/h之間時，碳酸鈉溶液對硫化氫的吸收率迅速上升，約從79.01%上升至85.23%；當吸收液流量大于100L/h后，對硫化物的吸收效率再次恢復緩慢上升狀態，當吸收流量達到120L/h時，吸收率最高可以達到87.01%。經分析，初始階段隨著吸收液的進入流量不斷提升，而氣相旋流-液相射流吸收器的孔徑不變，其在凈化器內的速率不斷提升，氣相與液相之間的相對速率隨之提升，相互作用力增強，但因為流速限制，噴射壓力不足，液體不能完成霧化，此時液體破碎效果在緩慢增強，因此吸收效率上升緩慢。當進入吸收液流量在80～100L/h之間時，液滴破碎效果增強，氣液相互作用力不斷增強，由于氣相旋流-液相射流吸收器結構設計，液相開始轉變為霧狀，不再以細小液柱形態與帶吸收氣體接觸，而霧化的吸收劑形態大大增加了碳酸鈉與硫化氫的接觸面積，使得對硫化氫的吸收效果呈現快速上升趨勢。而當液相流量超過100L/h后，液體霧化效果已經基本達到最優效果，不會再有明顯提升，氣液接觸面積已達最大，所以吸收效率上升平緩。

(3)H2S濃度對含硫氣體凈化效率的影響

當總氣體流量=17m3/h，溫度為25℃，Na2CO3吸收液流量QL=100L/h，Na2CO3的質量分數為0.6%。吸收液使用量高于吸收反應過程所需要的用量時，研究在三種不同噴射角度下H2S進口濃度cin對脫硫效率的影響，控制H2S進口濃度cin變化區間為40～160mg/m3，實驗結果如圖4所示。由實驗結果可知，在三種噴射角度的情況下，脫硫效率均隨著H2S進口濃度cin的增大而持續上升。當H2S進口濃度cin相同時，噴射角度為0°時對含硫氣體凈化效率最高，可達到86.76%，其中噴射角度為-45°時效率最低。

從圖4可以得出：當硫化氫含量處于40～160mg/m3區間內，隨著待處理氣體中的硫化氫含量不斷上升，對硫化氫的吸收效果逐漸提升，碳酸鈉吸收液對硫化氫的吸收效率最高可以達到86.76%。經分析可知，當混合氣體中的硫化氫含量增大時，吸收液中的Na2CO3可以對H2S進行充分反應吸收，當霧化效果達到最佳時，氣相旋流-液相射流吸收器中的旋流場造成破碎液滴，使得硫化氫與碳酸鈉的反應加快，有效地去除混合氣體中的硫化氫氣體，從而提高了對硫化氫的吸收效率。在實驗條件下，當待處理氣體中的硫化氫含量在合適范圍內時，使用碳酸鈉吸收液的氣相旋流-液相射流吸收器可以有效地對低濃度硫化氫氣體進行脫除作業。且硫化氫的濃度越高，氣相旋流-液相射流吸收器對硫化氫的吸收效果越好。

4.結論

當各項實驗參數相同時，采用同種堿性吸收液進行實驗，由此可得當射流孔噴射角度為0°時，氣相旋流-液相射流吸收器的脫硫效率最高，當噴射角度為-45°時，對含硫氣體的凈化效率最低。

氣相旋流-液相射流吸收器的脫硫效率隨著氣體流量的增大而降低，氣相旋流-液相射流吸收器的脫硫效率隨著吸收液流量的增大而增大，氣相旋流-液相射流吸收器的脫硫效率隨著混合氣體中H2S濃度cin的增大而上升。控制其他條件相同，實驗條件下，當氣相進氣流量達到5m3/h時，碳酸鈉溶液對硫化氫的吸收率可以達到95.52%；控制其他條件相同，實驗條件下，當吸收液流量達到120L/h時，碳酸鈉溶液對硫化氫的吸收率最大可以達到87.01%；控制其他條件相同，實驗條件下，當混合氣體中H2S的濃度在160mg/m3時，碳酸鈉溶液對硫化氫的吸收率可以達到86.76%。