2.0 MPa加压湿法脱硫设计及运行合理化建议

2016-03-11朱海新,郑立华

氮肥与合成气 2016年4期

朱海新郑立华

(北京博源恒升高科技有限公司

北京100190)

加压脱硫工艺一般根据压力可分为0.8 MPa、1.2～1.5 MPa、1.7～2.0 MPa和2.4～2.6 MPa脱硫。初期加压脱硫工艺设计压力一般较低，控制在1.5 MPa以下，此时，加压变脱系统的设计及操作相对较易；后来，对设备投资、占地面积、运行费用等方面进行了考虑，加压脱硫压力逐步上升至1.7～2.0 MPa，甚至个别装置脱硫系统压力在2.6 MPa左右。对于这种压力较高的脱硫系统，在设计及操作方面，与低压脱硫系统明显不同，此处主要讨论2.0 MPa加压脱硫系统。

1 2.0 MPa加压脱硫系统存在的问题及原因分析

2.0 MPa加压脱硫系统运行时，一般会出现系统压差波动、阻力上升；严重时，塔内会形成液泛，造成“淹塔”、带液等问题，导致系统不能正常运行。同时，有些企业还会出现脱硫效果不稳定的情况，压差高时脱硫效果较好，压差低时脱硫效果较差，偶尔还会伴随再生槽再生效果不好，不能正常形成泡沫或喷射器不吸空气，甚至向外喷气、倒液等情况。设备检修时，往往发现塔内填料、气液分布器等比较干净，没有出现塔内填料、气液分布器或除沫器等堵塞的问题，依常规看，不应出现以上问题。其原因主要是塔内起泡、CO2闪蒸不完全及溶液夹带气体或喷射器堵塞。

脱硫塔内起泡时，塔内空间会迅速被气泡占据，气液通道比正常时小，故造成局部气液流速过快，塔内阻力上升。当溶液本身重力不足以克服气体上升所产生的“托力”时，溶液无法下流，则会出现托液、拦液等情况，此时气液接触面积会比之前要增大不少，因此，塔内压差上涨时，如循环量不变，脱硫效果有时反而会变好。在2.0 MPa下加压脱硫，因系统压力较高，故各组分气体分压相对较高，此时溶液所吸收的CO2，H2，N2及CO等气量也会增大。若脱硫塔和闪蒸槽设计不合理，溶液会从脱硫塔内夹带少量气体，或CO2在闪蒸槽闪蒸不完全而进入再生槽上部喷射器中。由于压力降低，此时部分气体从此处闪蒸，造成再生槽再生压力不稳定，喷射器不吸空气甚至倒喷气体，再生压力的变化会导致泡沫不能正常形成或溢出。脱硫塔内易起泡的原因如下。

(1) 目前，加压脱硫工艺多数为湿式氧化法脱硫，脱硫液一般以纯碱作为碱源，也有些企业会加入部分液碱或片碱，与气体中大量的CO2发生酸碱中和反应而生成纯碱，其反应方程式如下：

2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O

无论采用纯碱、液碱或片碱作为碱源，最终该脱硫液都会成为碳酸钠、碳酸氢钠溶液。该溶液本身为发泡性溶液，再加上本身溶液内含有少量硫单质，经不断搅拌，溶液会表现出一定的黏度，且硫在溶液内也会造成溶液发泡。

(2) 脱硫液在脱硫过程中，气体由塔下部进入、塔顶而出，而脱硫液由塔上部进入、塔底而出，气液进行逆向接触，两相在液体流动的表面发生气液传质。当塔内局部喷淋密度过大时，相当于气体在溶液内鼓泡，而溶液又为发泡性溶液，故极易造成气体在塔内鼓出气泡。

(3) CO2在碱性水溶液中的吸收与解吸反应。由于CO2为酸性气体，溶液呈碱性，因此会发生以下酸碱中和反应：

Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3

该吸收反应为可逆反应，CO2被碳酸钠溶液吸收的同时也会发生碳酸氢钠的解吸，只是吸收速度大于解吸速度，故该反应所表现出来的为吸收反应。CO2在解吸时从溶液内部释放出来，类似于气体在溶液中鼓泡。CO2与碱溶液除发生酸碱中和反应外，还会被脱硫液中的水吸收，且CO2分压越高，溶液吸收的CO2含量也会越高。CO2在水中发生反应如下：

该反应过程为可逆反应，CO2被水吸收的同时还会被解吸出来，且CO2分压越高，吸收与解吸的量越多，反应速度也会越快，在塔内越容易形成起泡。

(4) 其他气体在溶液中的吸收、解吸反应。CO，H2及N2在溶液中的吸收、解吸反应基本与CO2相同，所不同的是这些气体微溶于水，对溶液起泡造成的影响较CO2要小很多。在压力不高时，气体在溶液中的溶解度符合亨利定律，即气体的溶解度与其在气相中的分压成正比，随着气体分压的升高，气体吸收和解吸的量会增加，且速度加快，在一定程度上对溶液在塔内起泡具有推动作用。

2 2.0 MPa加压脱硫系统设计

通过以上分析可以看出，加压脱硫时出现塔内易起泡的主要影响因素在于脱硫系统压力、进口气中H2S含量及CO2含量。当该3项数值越大时，则塔内越易起泡。如脱硫系统设计存在问题时，则有可能会出现溶液夹带气体从塔内而出、再生槽喷射器向外喷气等情况，针对2.0 MPa加压脱硫系统的特点，在设计之初就应从以下几个方面进行优化。

2.1 空塔气速

对于2.0 MPa脱硫系统来说，空塔气速一般控制在0.16 m/s以内。当溶液中H2S或CO2含量升高时，空塔气速需进一步下调，综合一次性投资，最低空塔气速可控制在0.10 m/s左右，但也有些企业控制偏高或偏低，如江苏晋煤恒盛新厂合成氨装置采用2.0 MPa变脱工艺，日产合成氨1 100～1 150 t，采用Φ4 000 mm脱硫塔单塔，实际空塔气速已达0.221 m/s，但日常操作基本问题不大；河南心连心三厂采用2.0 MPa变脱工艺，日产合成氨1 050～1 080 t，采用Φ4 000 mm脱硫塔双塔并联，空塔气速为0.109 m/s。

2.2 塔内填料

在保证脱硫效果的前提下，应尽可能选择填料比表面积大、孔隙率高的填料，注意避免使用大量面接触的填料，如矩鞍环填料；应尽可能选择点、面相结合的填料，如海尔环、鲍尔环等。

2.3 塔顶空间

为预防塔内起泡后迅速带液至后工段，在塔顶需预留一定空间，给操作带来一定的缓冲时间。一般塔顶预留高度约4 m，也可适当加大。

2.4 溶液循环量

按工艺要求来确定塔内溶液循环量，但需注意，循环泵最好采用变频电机，在调整溶液循环量时，可节省运行费用，尤其是在目前小氮肥企业用电优惠政策逐步取消的大环境下。

2.5 闪蒸槽

与0.8 MPa变脱工艺不同，由于2.0 MPa变脱系统压力较高，溶液中吸收的气体量也会较多，因此，在该压力下系统必须设闪蒸槽，且溶液停留时间应≥2 min，能给溶液足够的时间将溶液中的CO2及其他气体闪蒸出去。在闪蒸槽的选择上，由于立式闪蒸槽占地面积小，因此被广泛采用。溶液进入闪蒸槽时的形式可分为切线进入与直线进入。溶液切线进入时，沿塔壁作圆周运动，与设备立面接触时，因闪蒸压力降低，故将溶液中的CO2解吸出去；溶液直线进入时，需在闪蒸槽内设置液体分布器，并根据实际情况加装填料，填料一般选择1～2层，总高2～3 m。溶液切线进入时，设备结构简单，无需复杂的设计、制作及安装，利用简单的物理原理实现CO2气体的解吸，但因切线进入会对设备立面造成冲刷腐蚀，当溶液中固体含量较多时，冲刷腐蚀速度加快。溶液直线进入时，设计、制作及安装较为繁琐，塔内不装填料时分离效果弱于切线进入；加装填料时，因脱硫液在闪蒸槽中发生部分氧化反应，溶液中部分硫离子及硫氢根被氧化生成硫单质，使溶液变脏，有时会造成闪蒸填料段堵塞，尤其在H2S含量过高时更为严重，填料堵塞后只得停车清理；溶液直线进入对设备基本不会产生冲刷，一般只会产生电化学腐蚀。大部分合成氨企业采用直线进入+分布器+填料的形式对溶液进行闪蒸。

3 避免溶液起泡需注意的问题

(1) 溶液温度较高时，溶液吸收CO2的能力会相应减弱，因此，可通过提高溶液温度的办法来降低溶液吸收CO2含量。溶液温度较高时，溶液吸收H2S的能力会降低，且在再生槽形成的硫泡沫会较虚，溶液再生也会受影响，故溶液温度一般控制在45～50 ℃。在脱硫效果允许的条件下，也可适当提高溶液温度；但需注意，提高溶液温度时最好不要通过气体提温的方式，因气体温度升高时，气体中含有的饱和水会增多，极易造成溶液膨胀，可通过在管道或贫液槽内对溶液进行提温。脱硫塔出口需加装冷凝器及气水分离器，以避免向后工序大量带水。

(2) 在正常生产过程中，应随时关注溶液再生情况，当发现泡沫不正常、喷射器反喷等情况时应查明原因，并及时清理喷射器。清理喷射器时，一定要全面彻底，清理部位包括吸空气口、吸空气室、喉管及尾管。清理喉管和尾管时，可用高压水枪冲洗，水源应为软水或除盐水。

(3) 系统加药、加碱一般采用每天1次加入；但当气体中H2S及CO2含量较高时，也可采用分次加入，每天分2次或3次向系统中补加药品。若气体中H2S质量浓度达到1 g/m3甚至超过1 g/m3、φ(CO2)>40%时，应24 h连续不断向系统中均匀加入催化剂及纯碱，尽量避免1次加药量过大而造成溶液成分波动，连续加药也可使药品作用时间延长。

(4) 系统发生压差增大时，可通过加油对溶液进行消泡或降低溶液循环量。加油原则为少量、多次，尽量避免加油量过大，否则会导致再生槽泡沫消失。加油时，可选择机油或植物油，或2种油混合后加入系统中。在消泡能力上，机油属于矿物油，矿物油的消泡能力弱于植物油，但对再生槽泡沫影响较小；植物油消泡能力强于矿物油，但对再生槽泡沫影响较大。在所用的植物油中，大豆油基本等同于色拉油，但弱于菜籽油，菜籽油又弱于蓖麻油。如系统空塔气速过快或循环量过大时，可在运行中向溶液中连续滴加机油，加入位置在液位调节器或贫液槽。