焦?fàn)t煤氣脫硫工藝方案設(shè)計(jì)分析

曹 興，桑聯(lián)紅

（山西天脊潞安化工有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

焦?fàn)t煤氣主要通過原材料焦炭經(jīng)各種物理化學(xué)變化所制得，因原材料焦炭自身的化學(xué)組分限制，其在生產(chǎn)過程中難免存在一定量的硫化氫等硫化物，如不及時(shí)處理則容易生成多種類型的含硫氣體，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。近年來，研究人員針對焦?fàn)t煤氣脫硫工藝方案設(shè)計(jì)工作也進(jìn)行了大量的研究，包括干式工藝、濕式吸收工藝和濕式氧化工藝等，這些工藝的脫硫效果相對較優(yōu)，但仍然存在著設(shè)備較為笨重、傳質(zhì)效率偏低等局限，這就需要對焦?fàn)t煤氣脫硫工藝方案做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

參考已有研究資料，本次將在已有的“888 法”脫硫工藝的基礎(chǔ)上，引入超重力技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此在實(shí)驗(yàn)材料選擇上，首先選擇三核鈦菁鈷磺酸銨（其為“888 法”脫硫的催化劑材料），該化合物因其具有特殊微觀結(jié)構(gòu)而具備較高催化活性，可將氧分子轉(zhuǎn)化為原子態(tài)氧，再將焦?fàn)t煤氣中的硫化物轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫，以達(dá)成脫硫目的[1-2]。在此基礎(chǔ)上，自某化工廠采購實(shí)驗(yàn)所需的焦?fàn)t煤氣，并準(zhǔn)備分析純級別的碳酸鈉和氫氧化鈉備用。

為實(shí)現(xiàn)超重力技術(shù)模式，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用旋轉(zhuǎn)填充床（下簡稱RPB）模擬超重力環(huán)境，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)填充床結(jié)構(gòu)示意圖

除此之外，本次所使用的儀器設(shè)備還包括硫化氫檢測儀、蠕動泵、空氣流量計(jì)、液體流量計(jì)、空氣壓縮機(jī)、電子天平和水浴鍋。

2 脫硫工藝方案參數(shù)的優(yōu)化

在以上實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備均準(zhǔn)備就緒后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)流程如下：

1）將三核鈦菁鈷磺酸銨與碳酸鈉混合配制為硫化物吸收液，并用蠕動泵將其輸送至RPB 設(shè)備中；

2）打開鋼瓶閥門向RPB 中釋放焦?fàn)t煤氣；

3）當(dāng)RPB 處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，硫化物吸收液將經(jīng)由液體分布器而噴灑到填料上，此時(shí)氣相的運(yùn)動方向?yàn)樘盍贤饩壷羶?nèi)緣，而液相受到RPB 高速旋轉(zhuǎn)的影響，其將轉(zhuǎn)化為細(xì)小液滴，運(yùn)動方向則與氣相的方向相反，二者實(shí)現(xiàn)逆流接觸，從而實(shí)現(xiàn)脫硫的目的；

4）反應(yīng)完成后，反應(yīng)剩余物質(zhì)進(jìn)入尾氣吸收罐，由氫氧化鈉溶液對尾氣做進(jìn)一步吸收，以達(dá)到深度脫硫目標(biāo)，同時(shí)使用硫化氫檢測儀器對檢測效果進(jìn)行測定。

為檢驗(yàn)脫硫效果，本次基于“脫硫率η”這一指標(biāo)進(jìn)行描述[3]，其通過公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：φin和φout分別表示反應(yīng)器入口和出口位置的硫化氫體積分?jǐn)?shù)；均通過實(shí)際測量獲得。代入以上數(shù)據(jù)后即可求得脫硫率。

基于以上實(shí)驗(yàn)步驟，考察不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對脫硫效率的影響，以實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化，本環(huán)節(jié)具體則分為以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

一是測試RPB 轉(zhuǎn)速對脫硫率的影響。控制其他條件不變，分析脫硫率與RPB 轉(zhuǎn)速之間的關(guān)聯(lián)，并改變硫化物吸收液濃度，測試得到的脫硫效果變化如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與脫硫率之間的關(guān)系

根據(jù)圖2 可知，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與脫硫率整體呈現(xiàn)正相關(guān)，特別是在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由800 r/min 上升至1 400 r/min的階段中，脫硫率的增長幅度相對更為顯著。初步推斷，其主要原因是，隨著轉(zhuǎn)速的增大，液體在絲網(wǎng)填料的作用下轉(zhuǎn)化為微小液滴，使得液相與氣相之間的接觸面積相對更高，更容易發(fā)生吸收反應(yīng)[4]。而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)一步上升時(shí)，由于過高的轉(zhuǎn)速降低了液相在填充床中的停留時(shí)間，因此反應(yīng)不夠充分，造成脫硫率難以繼續(xù)上升，同時(shí)也容易帶來不必要的能耗。因此確定1 400 r/min 為合適的轉(zhuǎn)速。

二是測試液氣比（本次為液體與焦?fàn)t氣的計(jì)量比）對脫硫效率的影響，本次確定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，并保持其他條件不變，將液體與焦?fàn)t煤氣之比進(jìn)行調(diào)整，以測試脫硫率，最終測試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 液氣比對脫硫率的影響

由圖3 可知，液氣比與脫硫率之間整體呈現(xiàn)正相關(guān)，但當(dāng)液氣比上升至14 L/m3以上時(shí)，脫硫率的增加速度則大為放緩。由于本次實(shí)驗(yàn)中，焦?fàn)t氣流量為定值，僅對脫硫液體流量進(jìn)行調(diào)整，因此提高液氣比等效為提升脫硫液體的量。初步推斷，當(dāng)液氣比上升至14 L/m3以上后，由于填料已經(jīng)完全潤濕，碳酸鈉成分已經(jīng)過量，因此脫硫率難以繼續(xù)提高[5]。最終確定液氣比的最優(yōu)參數(shù)為14 L/m3。

三是對不同溫度下的脫硫效率變化進(jìn)行分析。設(shè)置RPB 轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，液氣比為14 L/m3，改變反應(yīng)環(huán)境溫度，分析脫硫效率與溫度之間的關(guān)系，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同溫度下的脫硫效率變化圖

由圖4 可知，整體脫硫效率隨著溫度的升高而升高，特別是在300～315 K 范圍內(nèi)，脫硫率的上升相對較為顯著，而在超過315 K 后，脫硫效率上升趨緩。根據(jù)熱力學(xué)和動力學(xué)原理可知，當(dāng)溫度不超過315 K時(shí)，升高溫度主要作用是提升了硫化氫與碳酸鈉的反應(yīng)速率；而當(dāng)溫度上升至315 K 以上后，雖然反應(yīng)速率進(jìn)一步提升，但硫化氫的溶解度降低，造成脫硫率難以進(jìn)一步上升。由此最終確定本次實(shí)驗(yàn)的適宜溫度為315 K。

3 實(shí)際應(yīng)用測試

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合已有資料，設(shè)置反應(yīng)溫度為315 K，RPB 轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，液氣比為14 L/m3；同時(shí)調(diào)整溶液中的碳酸鈉質(zhì)量濃度為16 g/L，三核鈦菁鈷磺酸銨添加量設(shè)置為1%，以此作為焦?fàn)t煤氣脫硫工藝的優(yōu)化參數(shù)，在某焦化廠進(jìn)行中試放大實(shí)驗(yàn)。在經(jīng)過60 d 的實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果顯示，其平均脫硫效率為99.4%，高于傳統(tǒng)模式下的99.0%。同時(shí)，該脫硫?qū)嶒?yàn)所使用的設(shè)備總體積僅為0.43 m3，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，輕量化和小型化特征較為突出，提高了使用便利度，同時(shí)也有助于降低后期維護(hù)工作的成本。就此推斷，本次焦?fàn)t煤氣脫硫工藝方案的設(shè)計(jì)取得了初步成功。

4 結(jié)語

本次研究主要針對當(dāng)前焦?fàn)t煤氣脫硫工藝中仍存在的技術(shù)問題進(jìn)行解決和優(yōu)化，以超重力技術(shù)為核心，搭建基于RPB 設(shè)備的焦?fàn)t煤氣脫硫反應(yīng)體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并分析了PRB 設(shè)備轉(zhuǎn)速、液氣比和反應(yīng)溫度三項(xiàng)主要指標(biāo)對焦?fàn)t煤氣脫硫效率的影響，選出最優(yōu)參數(shù)并進(jìn)行中試放大實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，在應(yīng)用超重力技術(shù)并優(yōu)化參數(shù)后，中試放大實(shí)驗(yàn)取得了較優(yōu)的效果，且在成本上具有一定優(yōu)勢。因此推斷該脫硫工藝在今后具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。