變換冷凝液汽提凈化改進工藝

陳 莉

(中國石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

變換冷凝液是一氧化碳變換裝置的高溫變換氣經(jīng)降溫冷凝后的產(chǎn)物，其主要成分是水、二氧化碳、氨、硫化氫及微量一氧化碳、氫等。在一氧化碳變換工藝中，通常要設置冷凝液汽提系統(tǒng)，目的是用蒸汽汽提的方法將變換冷凝液中含有的硫化氫、氨、二氧化碳等雜質汽提出來，得到凈化的變換冷凝液。被汽提出的含有二氧化碳、硫化氫、氨和水蒸氣的酸性氣體一般是經(jīng)冷卻分出凝液后送至下游硫磺回收裝置處理。酸性氣中由于氨的存在，當溫度較低時，其中的氨、二氧化碳、水蒸氣將會發(fā)生反應生成碳銨結晶，造成管道和設備堵塞。如果這些酸性氣送至下游的硫磺回收裝置處理，則硫回收裝置必須采用燒氨工藝才能接收。因此，對于變換冷凝液汽提系統(tǒng)，雖然得到凈化的變換冷凝液是主要目標，但是為了避免酸性氣輸送過程中產(chǎn)生碳銨結晶，以及酸性氣中的氨對下游硫回收裝置的不良影響，應盡量除去變換酸性氣中的氨。

1 應用較多的變換冷凝液汽提凈化工藝

目前，成熟的變換凝液單塔汽提工藝主要有單塔汽提工藝和雙塔汽提工藝。

單塔汽提僅采用一個汽提塔，用蒸汽汽提的方式將變換凝液中的雜質汽提出來，塔底部得到凈化的變換冷凝液；塔頂部含有二氧化碳、氨、硫化氫、蒸汽等雜質的酸性氣經(jīng)換熱冷凝后進入分離器，頂部酸性氣排出界外至硫回收，底部凝液排至污水處理。單塔汽提工藝流程見圖1。單塔汽提的流程簡單，但由于未除去外排酸性氣中的氨，因而應用效果不佳。

雙塔汽提工藝是用兩個上下重疊設置的汽提塔對變換冷凝液進行汽提，上塔為二氧化碳汽提塔，下塔為氨汽提塔。上塔的塔底通入氨汽提塔上部產(chǎn)出的二次蒸汽作為汽提蒸汽，將大部分的二氧化碳汽提出來，含有少量二氧化碳和大部分氨的液相再進入下塔，該塔塔底用低壓蒸汽進行汽提，塔底得到高溫的凈化變換凝液，可送出裝置回用[1]。

二氧化碳汽提塔頂部產(chǎn)出氣體的主要組分是二氧化碳、水蒸氣，以及部分硫化氫和少量的氨等，經(jīng)冷凝后進入分離器分離水，底部凝液可送至污水處理場，頂部酸性氣排出界區(qū)。氨汽提塔頂產(chǎn)出氣體的主要組分是氨、水蒸氣以及部分硫化氫和少量二氧化碳等，先經(jīng)換熱冷凝冷卻至一定的溫度后進入第一分離器，分離出的凝液主要是水，且氨含量很低，作為回流返回氨汽提塔上部；第一分離器頂部的氣相再繼續(xù)換熱冷凝冷卻至40～50℃后進入第二分離器，在該分離器中，基本上所有的氨、硫化氫等均隨水蒸氣冷凝至液相中進入分離器底部，分離器頂部僅有很少量的氣相，且基本不含氨，這股酸性氣可與二氧化碳汽提塔頂?shù)乃嵝詺夂喜⒑笠黄鹋懦鼋缤?。底部的凝液可送至污水處理場?/p>

雙塔汽提工藝是利用了二氧化碳、硫化氫比氨更容易揮發(fā)的特點，通過兩個汽提塔，先在一個塔中將變換冷凝液中的大部分二氧化碳和硫化氫汽提出來，該股氣體中氨含量很少；然后再在另一個塔中將氨汽提出來，由于汽提出的氨中含有的二氧化碳和硫化氫很少，因此，經(jīng)冷凝冷卻后大部分的氨均隨水蒸氣冷凝至液相中，這樣，其頂部外排酸性氣中的氨含量也很少。因此，外排酸性氣中氨的總含量即可降至很低水平，基本可以避免因酸性氣在輸送過程中形成碳銨結晶而堵塞管道的現(xiàn)象。酸性氣送入硫回收裝置時，其中少量的氨對硫回收裝置也不會造成大的影響。因此，目前該工藝在變換系統(tǒng)中應用最多。

該工藝采用了兩個汽提塔，且流程中包含多個分離器、冷卻器、塔頂回流等，因此流程較為復雜，且也只能將酸性氣中的氨降至較低水平，并未完全去除。雙塔汽提工藝流程見圖2。

2 變換冷凝液汽提凈化改進工藝

從上述的變換冷凝液汽提凈化工藝來看，無論單塔汽提工藝還是雙塔汽提工藝，對變換冷凝液的汽提效果都很好，均能得到合格的變換凈化凝液，二者的區(qū)別就是酸性氣的含氨狀況。單塔汽提工藝流程簡單，但不能除去酸性氣中的氨，導致應用效果不好；雙塔汽提工藝流程復雜，但能夠將酸性氣中的氨降至很低水平，因而得到了較好的應用?？梢?，對于變換冷凝液汽提凈化工藝，通過汽提得到合格的變換凈化凝液已不存在問題，而除去酸性氣中的氨以避免堵塞輸送管線和避免對下游硫回收裝置造成不良影響，是該工藝應重點解決的問題。為了徹底解決酸性氣中攜帶氨的問題，也為了簡化變換冷凝液汽提凈化工藝，本次改進工藝仍以單塔汽提工藝為基礎，希望以更簡單的方法解決變換酸性氣中含氨的問題。

2.1 分析變換酸性氣氨組份的特點

變換酸性氣的主要組分為二氧化碳、氨、硫化氫、水蒸氣、少量氫及一氧化碳等。在上述酸性氣的介質中，氨與其他介質相比有其特殊的性質，即其在常溫水中的溶解度最大。表1列出了不同溫度下100g水中溶解的氣體質量[2]。

表1 不同溫度下100g水中溶解的氣體質量

從表1可以看出，在20～40℃范圍內，氨在水中的溶解度比硫化氫和二氧化碳要大百倍以上。利用酸性氣中氨的這個特性，理論上分析，如果用水對氨氣進行吸收，除氨效果應該很好。從這個角度出發(fā)，可以考慮用常溫水洗滌變換酸性氣來除去其中的氨。

2.2 變換冷凝液汽提改進工藝方案的確定

本次利用氨極易溶于水的特性，對單塔汽提工藝進行進一步改進，使其能夠除去外排酸性氣中的氨?；w的改進技術方案如下： 將單塔汽提工藝流程中的酸性氣分離器適當加高，并在內增設幾塊塔板，將其改成酸性氣分離洗滌塔，同時兼顧酸性氣凝液分離和洗滌酸性氣的功能。在洗滌塔上部通入常溫水對酸性氣進行洗滌。洗滌水可利用汽提塔底產(chǎn)出的變換凈化凝液，但由于該凝液溫度較高，基本達到140℃左右，因此，本方案中，將汽提塔底的變換凈化凝液分出一小股，用脫鹽水冷卻至40℃后，送至洗滌塔上部作為洗滌水，被加熱的脫鹽水可送至變換裝置內的除氧槽，這樣也充分利用了變換凈化凝液的熱量。對于各類變換裝置，汽提塔頂?shù)母邷厮嵝詺饨?jīng)冷凝分水后的量都非常少，且由于氨在較低溫度下極易溶于水，因此，洗滌酸性氣需要的水量并不多，洗滌塔內需增設的塔板數(shù)量也不多，大概4～6塊即可。通過在塔盤上的汽液接觸，含氨的酸性氣上行至塔頂時，其中的氨基本溶于洗滌水中，洗滌塔頂部酸性氣也基本降至與洗滌水接近的溫度。經(jīng)水洗滌后的酸性氣基本不含氨，避免了銨鹽結晶物的產(chǎn)生，可直接送至界外。洗滌酸性氣后的脫鹽水進入洗滌塔下段塔底，與分離出的酸性氣凝液一起從塔底排出，冷卻后送至界外或其他污水處理設施。變換冷凝液汽提凈化改進工藝流程見圖3。

以某廠變換裝置對該工藝的應用為例，其流程簡述如下：自變換來的約80℃的混合冷凝液與汽提塔頂約145℃的高溫酸性氣換熱至約115℃后，進入冷凝液汽提塔上部，在汽提塔下部通入0.4MPa(g)/152℃的低壓飽和蒸汽進行汽提，將變換冷凝液中的雜質(主要是氨、硫化氫、二氧化碳等)汽提至塔頂，塔底得到約150℃的變換凈化凝液；汽提塔頂?shù)乃嵝詺馀c混合冷凝液換熱冷卻至75℃左右后，進入酸性氣洗滌分離塔下部，該溫度不宜低于70℃，以免酸性氣形成碳銨結晶。汽提塔頂酸性氣的凝液進入洗滌分離塔下部，剩余的酸性氣上行穿過塔板層或塔盤，與洗滌分離塔頂部進入的經(jīng)脫鹽水冷卻至40℃的變換凈化凝液逆流充分接觸，由于常溫下氣氨極易溶于水，因此，通過在塔板上的汽液接觸，含氨的酸性氣上行至塔頂時，其中的氨基本溶于水中了，同時酸性氣的溫度也基本降至40℃左右。經(jīng)水洗滌后的酸性氣基本不含氨，避免了銨鹽結晶物的產(chǎn)生，可直接送至界外。洗滌酸性氣后的水進入洗滌塔下段塔底，與分離出的酸性氣凝液一起從塔底排出，冷卻后送至界外或其他污水處理設施。

以該廠變換裝置為例，變換冷凝液處理量為65t/h，變換冷凝液采用上述改進流程和雙塔汽提流程分別計算的酸性氣組成見表2。

由表2數(shù)據(jù)可見，采用雙塔汽提的酸性氣中還含有少量的氨且水汽含量低，但采用改進工藝經(jīng)洗滌后的酸性氣中已不含氨，且水汽含量低。

3 改進工藝與雙塔汽提工藝的對比

在現(xiàn)行的變換冷凝液汽提工藝中，雙塔汽提工藝因其能夠將酸性氣中的氨降至很低水平，雖然流程較為復雜卻也得到了很好的應用。但本次改進的冷凝液汽工藝是在單塔汽提工藝的基礎上進行改進的，且與單塔汽提工藝相比，沒有增加設備數(shù)量，只是對酸性氣分離器進行了改進，通過增加少量塔板和洗滌水使其變成了酸性氣洗滌分離塔，與原分離器相比，設備直徑?jīng)]有增加，只是適當增加了高度。以上述舉例的某廠變換裝置為例，改進工藝與雙塔汽提工藝的綜合比較見表3。

從表3的數(shù)據(jù)可以看出，對于上述變換裝置，采用改進工藝在以下幾方面具有明顯優(yōu)勢。

(1)除氨效果：改進工藝利用了對氨吸收洗滌的方法，對氨的去除更徹底。

(2)流程復雜程度和設備數(shù)量：雙塔汽提工藝需要2個汽提塔，且下塔有回流，因此配套的冷卻、分離、泵設備等設施較多；改進后的工藝采用一個汽提塔及冷卻設施，無回流，且酸性氣的分離和洗滌也集于一臺設備中，常溫水在洗滌酸性氣的同時，也起到了良好的降溫作用，因此，流程相對簡單，能減少4臺設備。

(3)投資和占地。采用改進工藝投資可節(jié)省約120萬元，占地面積可減少約70m2。

(4)消耗。雙塔汽提工藝采用兩個汽提塔且有回流，因此，蒸汽、冷卻水及電的消耗相對較高；改工藝只有一個汽提塔且無回流，因此，改進工藝的總體消耗更低。采用改進工藝后，年操作費用可減少約70萬元。

可見，與雙塔汽提工藝相比，改進的汽提工藝從除氨效果、流程復雜程度、設備數(shù)量、占地、投資、操作成本等方面均更具優(yōu)勢。

4 變換冷凝液汽提改進工藝的應用

變換冷凝液汽提改進工藝已應用于某廠煤焦氣化的變換裝置。裝置正常運行兩年，變換冷凝液汽提系統(tǒng)運行良好，變換酸性氣一直連續(xù)送至未設置燒氨工藝的硫回收裝置處理，酸性氣管線或設備均未出現(xiàn)結晶堵塞現(xiàn)象，硫回收裝置的運行也均未受到變換酸性氣的不良影響。變換裝置外排酸性氣的現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)見表4。

表4 變換外排酸性氣的氨含量

5 結語

本次對變換冷凝液汽提凈化工藝在理念上進行了改進，充分利用了酸性氣中氨介質在水中溶解度較大、極易溶于水這一不同于與其他介質的特性，將吸收凈化的方式引入變換冷凝液汽提凈化工藝中，采用常溫的變換凈化凝液洗滌變換酸性氣，徹底除去了其中的氨。與目前應用較好的變換凝液雙塔汽提工藝相比，其具有流程更簡單、酸性氣除氨效果更好、設備數(shù)量、占地、消耗、投資均有較大程度降低的特點，且徹底解決了變換酸性氣易結晶堵塞以及因含氨而無法送入下游硫回收單元處理的問題。改進工藝已申請專利且工業(yè)應用運行情況良好，值得在今后變換裝置冷凝液汽提系統(tǒng)中推廣應用。