精脫硫系統(tǒng)的優(yōu)化與改造

胡　云，姜亮亮，劉成剛

(兗礦魯南化工有限公司　山東滕州　277527)

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精脫硫系統(tǒng)的優(yōu)化與改造

胡云，姜亮亮，劉成剛

(兗礦魯南化工有限公司山東滕州277527)

分析了精脫硫系統(tǒng)脫硫劑硫容和脫硫能力下降的原因，提出了相應(yīng)的解決方案。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，精脫硫塔出口氣體中總硫體積分?jǐn)?shù)在0.1×10-6以下，且未出現(xiàn)脫硫劑析硫現(xiàn)象，脫硫劑的使用壽命由3年延長至4年。

精脫硫硫容優(yōu)化改造

0　前言

兗礦魯南化工有限公司(以下簡稱魯南化工公司)精脫硫系統(tǒng)由2座精脫硫塔(內(nèi)裝T703型氧化鐵脫硫劑)和2臺(tái)水解脫硫塔(內(nèi)裝T504型氧化鋁脫硫劑和T103型活性炭脫硫劑)組成。來自變壓吸附裝置二段的凈化氣首先進(jìn)入精脫硫塔，在T703型氧化鐵脫硫劑的作用下，氣體中的H2S與Fe2O3反應(yīng)生成多硫化鐵和水，然后多硫化鐵與補(bǔ)入的氧氣進(jìn)行置換反應(yīng)，生成Fe2O3和單質(zhì)硫；出精脫硫塔的氣體進(jìn)入水解脫硫塔，在T504型氧化鋁脫硫劑的作用下，將COS水解成H2S和CO2，生成的H2S再由下部的T103型活性炭脫硫劑脫除。T703型氧化鐵脫硫劑為條狀多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)H2S能進(jìn)行快速的化學(xué)吸附，數(shù)秒內(nèi)即可將凈化氣中的H2S脫除至體積分?jǐn)?shù)0.1×10-6以下。

1　 優(yōu)化前精脫硫系統(tǒng)工藝流程

優(yōu)化前精脫硫系統(tǒng)工藝流程(圖1)：來自變壓吸附裝置二段的凈化氣與壓縮空氣、3.8 MPa蒸汽混合后首先進(jìn)入精脫硫塔(T0202A/B)，其中H2S被轉(zhuǎn)化為硫化亞鐵、二硫化鐵、多硫化鐵、單質(zhì)硫等固態(tài)化合物而留在塔內(nèi)；出精脫硫塔的氣體經(jīng)蒸汽加熱器升溫至65 ℃以上后，從頂部進(jìn)入水解脫硫塔，先經(jīng)T504型脫硫劑床層，其中的COS水解生成H2S，生成的H2S與O2反應(yīng)生成單質(zhì)硫并被塔底的T103型活性炭脫硫劑吸附脫除；脫硫后的氣體經(jīng)冷卻器降溫至40 ℃以下后，最終進(jìn)入干燥工段。為保證精脫硫塔內(nèi)脫硫劑有較大的硫容和滿足水解脫硫塔內(nèi)水解反應(yīng)、氧化反應(yīng)的要求，需在精脫硫塔入口氣體中補(bǔ)充蒸汽和氧氣；為防止蒸汽在精脫硫塔內(nèi)冷凝而無法滿足水解反應(yīng)要求，水解脫硫塔入口設(shè)有補(bǔ)水口。

圖1優(yōu)化前精脫硫系統(tǒng)工藝流程

2　 存在的問題

在2009年系統(tǒng)加量過程中，精脫硫塔出口氣體中總硫含量超標(biāo)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，系精脫硫塔內(nèi)補(bǔ)入的蒸汽發(fā)生大量冷凝，導(dǎo)致液態(tài)水浸泡脫硫劑所致。經(jīng)分析其原因：①由于蒸汽管線直徑大，補(bǔ)入蒸汽量無法及時(shí)調(diào)節(jié)；②3.8 MPa管線疏水器與精脫硫塔的距離較長，管線內(nèi)存有冷凝液。2009年5月，在蒸汽調(diào)節(jié)閥前、后各設(shè)置DN 10 mm孔板對(duì)蒸汽進(jìn)行限流并在蒸汽進(jìn)精脫硫塔前設(shè)置疏水器，以便對(duì)蒸汽流量進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)，同時(shí)可將管線內(nèi)的冷凝液排盡。改造后，精脫硫塔出口氣體中總硫含量仍經(jīng)常波動(dòng)，最高時(shí)總硫體積分?jǐn)?shù)可達(dá)0.6×10-6，且精脫硫塔內(nèi)仍有冷凝液積聚。為此，對(duì)脫硫系統(tǒng)的操作溫度、蒸汽補(bǔ)入量和空氣補(bǔ)入量都進(jìn)行了大范圍調(diào)試，但效果不明顯。

3　 脫硫劑硫容和脫硫能力下降的原因

目前，精脫硫塔進(jìn)、出口氣體中總硫體積分?jǐn)?shù)分別為30×10-6和1×10-6，水解脫硫塔出口氣體中總硫體積分?jǐn)?shù)為0.4×10-6，均未達(dá)到后系統(tǒng)要求(<0.1×10-6)。經(jīng)對(duì)脫硫原理和脫硫系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響脫硫劑硫容和脫硫能力的原因?yàn)檠a(bǔ)入的空氣量和蒸汽量不足以及操作溫度不適宜。

3.1 補(bǔ)入空氣量不足

根據(jù)T703型脫硫劑的脫硫原理，F(xiàn)e2O3與H2S反應(yīng)時(shí)，視氣體中氧含量不同，可得到的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物為硫化亞鐵、二硫化鐵、多硫化鐵、單質(zhì)硫，足夠的空氣補(bǔ)入量是提高T703型脫硫劑硫容、延長其使用壽命的必要途徑。T103型活性炭脫硫劑脫除H2S的過程也必須在有氧的環(huán)境下進(jìn)行，H2S在脫硫劑的作用下與O2反應(yīng)生成單質(zhì)硫。根據(jù)上述反應(yīng)要求，經(jīng)計(jì)算補(bǔ)入的空氣量應(yīng)為n(O2)/n(H2S)=5～10。目前，脫硫系統(tǒng)主要依靠4臺(tái)打氣量為30 m3/h的空氣壓縮機(jī)補(bǔ)入空氣，而該型號(hào)的空氣壓縮機(jī)主體部件為碳鋼材質(zhì)，沒有設(shè)置排水系統(tǒng)，設(shè)備運(yùn)行時(shí)凝結(jié)出的液態(tài)水無法及時(shí)排出，活塞撞缸、閥片腐蝕的情況時(shí)有發(fā)生，單臺(tái)設(shè)備運(yùn)行周期僅4 d，平均空氣補(bǔ)入量只能保證在23 m3/h，遠(yuǎn)低于所需的40 m3/h的要求。

3.2 補(bǔ)入的蒸汽量不足

在無水的條件下，T703型脫硫劑與硫反應(yīng)的速度較慢，且該型脫硫劑在有水條件下的硫容是無水時(shí)的3倍。精脫硫塔內(nèi)脫硫劑總裝填量為120 m3，要使脫硫劑表面形成水膜，其蒸汽補(bǔ)入量應(yīng)>100 m3/h。精脫硫塔和水解脫硫塔工藝參數(shù)見表1。

由表1可看出，在精脫硫塔溫度不變的情況下，隨著蒸汽補(bǔ)入量的逐漸增大，精脫硫塔內(nèi)出現(xiàn)蒸汽冷凝現(xiàn)象，脫硫劑的脫硫能力也逐步下降。由于精脫硫塔內(nèi)為常溫，塔內(nèi)露點(diǎn)溫度只能控制在20 ℃左右，當(dāng)蒸汽補(bǔ)入量>65 m3/h時(shí)，蒸汽將冷凝成為液態(tài)水并在塔底富集，導(dǎo)致底部脫硫劑無法與H2S接觸，而上部脫硫劑床層又沒有足夠的水蒸氣形成水膜，這是導(dǎo)致精脫硫塔出口氣體中H2S含量升高的主要原因。

表1精脫硫塔和水解脫硫塔工藝參數(shù)

蒸汽補(bǔ)入量/(m3·h-1)溫度/℃精脫硫塔水解脫硫塔出口φ(H2S)/(×10-6)精脫硫塔水解脫硫塔精脫硫塔液位/mm4022502.871.3105022501.750.9206022501.090.4507021510.980.41308020510.900.401309020502.091.5525010020503.052.15420

T504型脫硫劑脫除COS時(shí)需與水進(jìn)行反應(yīng)，故脫硫劑表面也需形成水膜才能有較好的脫硫效果。由于精脫硫塔與水解脫硫塔為串聯(lián)連接，水解脫硫塔所需的蒸汽從精脫硫塔進(jìn)口補(bǔ)入，而蒸汽在精脫硫塔內(nèi)冷凝，使水解脫硫塔內(nèi)沒有足夠的蒸汽，導(dǎo)致水解脫硫塔脫硫劑反應(yīng)活性下降。

3.3 操作溫度不適宜

經(jīng)測(cè)試，T703型脫硫劑最佳反應(yīng)溫度為5～70 ℃，當(dāng)反應(yīng)溫度低于極限值時(shí)，其反應(yīng)活性下降較快；當(dāng)溫度高于極限值時(shí)，其反應(yīng)生成的多硫化鐵將分解，使脫硫劑硫容下降。T504型脫硫劑的最佳反應(yīng)溫度為50～90 ℃，低溫下T504型脫硫劑與COS反應(yīng)主要生成單質(zhì)硫，單質(zhì)硫覆蓋在催化劑表面，減弱了脫硫劑的吸附能力，使脫硫劑硫容下降、活性降低；高溫下T504型脫硫劑將與COS反應(yīng)生成硫酸鹽，而硫酸鹽將使T504型脫硫劑的活性下降；高于極限溫度時(shí)，T504型脫硫劑將失活。T103型脫硫劑的最佳反應(yīng)溫度為5～40 ℃，低溫下其活性較低，而高溫將影響其吸附能力。

當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí)，T504型脫硫劑反應(yīng)活性增加，而T103型脫硫劑的脫硫能力下降，故選擇合理的反應(yīng)溫度是提高脫硫劑硫容和脫硫量的重要因素。目前，精脫硫塔在常溫下操作，水解脫硫塔操作溫度為50 ℃，在現(xiàn)有工況下無法同時(shí)滿足3種脫硫劑在最佳反應(yīng)溫度內(nèi)運(yùn)行，這也是導(dǎo)致脫硫劑反應(yīng)活性低的重要原因。

4　 改造方案

4.1 穩(wěn)定空氣補(bǔ)入量

精脫硫系統(tǒng)自2008年運(yùn)行以來，已多次對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行改造，包括增設(shè)排水導(dǎo)淋及對(duì)閥片進(jìn)行改造，但效果不理想，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和對(duì)脫硫系統(tǒng)帶來的影響已大大超過了設(shè)備本身的價(jià)值。為此，決定選用新型空氣壓縮機(jī)，材質(zhì)為不銹鋼，配置自動(dòng)排水系統(tǒng)。

4.2 提高精脫硫系統(tǒng)塔內(nèi)氣體濕度

在3種脫硫劑最佳反應(yīng)溫度范圍內(nèi)，合理提高精脫硫塔和水解脫硫塔的反應(yīng)溫度是防止補(bǔ)入蒸汽冷凝、提高塔內(nèi)氣體濕度和催化劑反應(yīng)活性的主要途徑。為此，將水解脫硫塔入口蒸汽加熱器移至精脫硫塔前，在蒸汽進(jìn)入精脫硫塔前設(shè)置疏水器，再分別于精脫硫塔和水解脫硫塔入口引1根DN 10 mm蒸汽管線并設(shè)置針型閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.3 設(shè)計(jì)合理的流程

將冷卻器移位至精脫硫塔后，使3種脫硫劑在最佳反應(yīng)溫度下運(yùn)行。根據(jù)氣體中H2S與COS含量，調(diào)整脫硫劑裝填量和裝填位置：在精脫硫塔T0202A內(nèi)裝填T703型脫硫劑60 m3，在精脫硫塔T0202B內(nèi)裝填T504型脫硫劑60 m3，在水解脫硫塔內(nèi)裝填T103型脫硫劑150 m3。優(yōu)化后精脫硫系統(tǒng)工藝流程見圖2。

5　 結(jié)語

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，經(jīng)精脫硫系統(tǒng)處理后的氣體中總硫體積分?jǐn)?shù)可達(dá)0.1×10-6以下，且再未出現(xiàn)脫硫劑析硫現(xiàn)象。由于硫容的提高，脫硫劑

圖2優(yōu)化后精脫硫系統(tǒng)工藝流程

的使用壽命由3年延長至4年。

Optimization and Renovation of Fine Desulfurization System

HU Yun, JIANG Liangliang, LIU Chenggang

(Yancon Lunan Chemical Industry Co., Ltd.Shandong Tengzhou277527)

The causes for decrease of sulfur capacity and desulfurization capacity of desulfurizer of fine desulfurization system are analyzed, and relevant countermeasures are proposed. After optimizing design, total sulfur volume fraction in outlet gas of fine desulfurization tower drops to less than 0.1×10-6, and there is no desulfurizer sulfur separation phenomenon, the service life of desulfurizer prolongs from 3 years to 4 years.

fine desulfurizationsulfur capacityoptimizationrenovation

胡云，大學(xué)本科，工程師，車間主任；hailcg66666@163.com。

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2015- 01- 08)