脫硫工藝選擇與方案設(shè)計

張 劍

（山西西山煤氣化有限責(zé)任公司，山西 古交 030205）

隨著我國鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了焦化行業(yè)的發(fā)展，高溫?zé)捊挂呀?jīng)成為煤炭資源利用的主要途徑。在煉焦過程中，原煤中的S 元素轉(zhuǎn)化成H2S進(jìn)入焦?fàn)t煤氣中。焦?fàn)t煤氣若不經(jīng)過處理直接利用不僅會對設(shè)備和管道造成腐蝕和損害，而且直接燃燒還會對空氣造成污染。不論從保護(hù)環(huán)境的角度，還是從對工業(yè)設(shè)備保護(hù)的角度，均需要對焦?fàn)t煤氣進(jìn)行脫硫處理?？捎糜诿摿虻墓に嚤姸?，選擇一項高效、低成本的脫硫工藝并針對性地設(shè)計脫硫方案對焦?fàn)t煤氣的推廣和應(yīng)用具有重要意義[1]。本文以焦化廠為例，針對其當(dāng)前脫硫工藝所存在的問題提出新的脫硫工藝并完成了脫硫方案的設(shè)計。

1 焦化廠脫硫所存在的問題

目前，應(yīng)用于焦化廠脫硫工藝包括有A.S 法煤氣脫硫、HPF 法脫硫以及真空碳酸鈉法脫硫等。其中，A.S 法煤氣脫硫在實際操作過程中需消耗大量的催化劑，且工藝流程復(fù)雜，能耗較大，在實際反應(yīng)過程中對設(shè)備造成較為嚴(yán)重的腐蝕，更重要的是該種工藝的脫硫效率偏低。HPF 脫硫工藝因其成本低、操作方便等優(yōu)勢目前被焦化行業(yè)廣泛應(yīng)用；但是，HPF 脫硫工藝存在產(chǎn)品純度低、脫硫效率低以及脫硫廢液難處理的問題[2]。對應(yīng)真空碳酸法脫硫工藝，其屬于新型脫硫工藝，該工藝具有產(chǎn)品純度高、不會產(chǎn)生二次污染且反應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性高的優(yōu)勢。

1.1 焦?fàn)t煤氣脫硫現(xiàn)狀及問題分析

HPF 脫硫工藝為焦化廠目前應(yīng)用的主流工藝。HPF 脫硫工藝的流程如圖1 所示。

圖1 HPF 脫硫工藝流程

如圖1 所示，HPF 脫硫裝置布置于鼓風(fēng)機(jī)和硫銨之間。在脫硫塔中焦?fàn)t煤氣與脫硫液通過逆流的方式接觸，脫硫液對焦?fàn)t煤氣中H2S 和HCN 進(jìn)行吸收。經(jīng)處理后的焦?fàn)t煤氣進(jìn)入下一階段的硫銨裝置中；經(jīng)反應(yīng)后的脫硫液進(jìn)入反應(yīng)槽中并最終進(jìn)入再生塔，在壓縮空氣的作用下脫硫液形成硫泡沫，最后通過熔硫斧形成硫膏[3]。

1.2 HPF 脫硫工藝問題分析

通過對實際脫硫操作進(jìn)行總結(jié)，得出當(dāng)前HPF脫硫工藝主要面臨的問題包括如下：

1）脫硫效率低。焦?fàn)t煤氣未處理前H2S 的質(zhì)量濃度為10 mg/m3～12 mg/m3；經(jīng)HPF 脫硫工藝后，塔后焦?fàn)t煤氣中H2S 的質(zhì)量濃度高達(dá)6 mg/m3；

2）上述脫硫工藝中脫硫液中NH3的質(zhì)量濃度僅為3 g/L 左右，與標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的5 g/L 的要求相差較多。即無法為脫硫操作提供充足的氮源，從而導(dǎo)致脫硫效率低；

3）在某些區(qū)域，由于該地區(qū)的平均氣溫偏高，導(dǎo)致脫硫液的溫度高于一般值，導(dǎo)致操作溫度過高，進(jìn)而影響最終的脫硫效率；

4）采用HPF 脫硫工藝對涉及到的設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為出現(xiàn)不同程度的漏點(diǎn)。

針對上述HPF 脫硫工藝所面臨的實際問題，并結(jié)合對焦?fàn)t煤氣脫硫的迫切需求，急需重新為焦化廠尋求一種高效、低成本的脫硫工藝[4]。

2 新型脫硫工藝的選擇及方案設(shè)計

為保證所選擇脫硫工藝能夠從根本上解決HPF脫硫工藝所存在的問題，保證脫硫處理后的焦?fàn)t煤氣均能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。脫硫工藝的選擇需遵循如下原則：

1）要求所選脫硫工藝對應(yīng)塔后焦?fàn)t煤氣中H2S的含量滿足我國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

2）脫硫工序僅為對焦?fàn)t煤氣凈化處理的其中一個工序。因此，脫硫工藝的選擇必須與其他脫氰、洗氨等工序相匹配。

3）所選擇的脫硫工藝應(yīng)結(jié)合焦化廠的實際情況，包括成本、廠區(qū)位置以及國產(chǎn)化替代等問題。

2.1 焦?fàn)t煤氣脫硫堿源的選擇

針對HPF 脫硫工藝，要求脫硫液為堿性。因此，為保證焦?fàn)t煤氣的脫硫效率，保證堿源的充足，保證其脫硫液為堿性是關(guān)鍵。實踐表明，當(dāng)焦?fàn)t煤氣中H2S 的質(zhì)量濃度大于8 mg/m3，采用焦?fàn)t煤氣中本身的氨作為堿源，明顯表現(xiàn)為堿不夠的情況[5]。因此，需要為脫硫塔中補(bǔ)充堿。

但是，若想保證焦?fàn)t煤氣的脫硫效率大于99%，必須保證氨與H2S 的質(zhì)量比大于1.3。也就是說，當(dāng)焦?fàn)t煤氣中H2S 的質(zhì)量濃度大于8 mg/m3，對應(yīng)所需堿的量為10.4mg/m3。一般焦?fàn)t煤氣中氨的質(zhì)量濃度為4 mg/m3～6 mg/m3，即需要補(bǔ)充4.4 mg/m3～6.4 mg/m3的堿。但是，對于當(dāng)前HPF 脫硫工藝中的蒸氨裝置最多只能補(bǔ)充2 mg/m3的堿，可見，單純依靠補(bǔ)堿是不可行。因此，可以說在某種程度上以氨為堿源實現(xiàn)對H2S 的脫除存在一定的局限性。

綜上所述，采用碳酸鹽為堿源實現(xiàn)對焦?fàn)t煤氣中H2S 的脫除。

2.2 焦?fàn)t煤氣脫硫工藝方案的設(shè)計

在上述分析的基礎(chǔ)上，為提高焦?fàn)t煤氣的脫硫效率，采用碳酸鹽為堿源對脫硫液進(jìn)行堿化，最終實現(xiàn)對焦?fàn)t煤氣H2S 的脫除。以真空碳酸鉀為例設(shè)計新的脫硫工藝。

與以氨為堿源的脫硫工序類似，以真空碳酸鉀為堿源的脫硫工藝，對應(yīng)的脫硫液，也就是H2S 的吸收劑為再生塔的碳酸鉀溶液，碳酸鉀溶液與焦?fàn)t煤氣通過逆流的方式接觸，從而對焦?fàn)t煤氣中的H2S、HCN 和CO2等酸性氣體進(jìn)行去除?；谡婵仗妓徕洖閴A源的脫硫工藝具有明顯的優(yōu)勢，其可根據(jù)焦?fàn)t煤氣中酸性氣體的含量對吸收劑的量進(jìn)行無限制的增大，從而保證對酸性氣體的脫除效果。

基于真空碳酸鉀為堿源的脫硫工藝涉及到的關(guān)鍵設(shè)備包括有脫硫塔、再生塔和真空泵。同時，為了避免二次污染的問題，在脫硫工序中對所產(chǎn)生的放空液和漏液進(jìn)行集中回收；為系統(tǒng)配置充氮壓力平衡系統(tǒng)，保證反應(yīng)過程中的廢棄不被排放至空氣中。

通過計算可知，基于氨為堿源和基于碳酸鉀為堿源的脫硫工藝對應(yīng)硫的脫除效果對比如表1 所示。

如表1 所示，采用以碳酸鉀為堿源的HPF 脫硫工藝明顯可提升焦?fàn)t煤氣的脫硫效果。

表1 不同脫硫工藝對應(yīng)脫硫效果

3 結(jié)語

焦?fàn)t煤氣為對原煤進(jìn)行煉焦處理后的產(chǎn)物，對焦?fàn)t煤氣處理不當(dāng)不僅會造成環(huán)境污染，而且會造成資源的浪費(fèi)。為解決焦?fàn)t煤氣直接利用對設(shè)備造成腐蝕和對環(huán)境污染的問題，必須先對焦?fàn)t煤氣進(jìn)行脫硫處理。針對HPF 脫硫工藝所面臨的脫硫效率低的主要問題，將傳統(tǒng)以氨為堿源的脫硫工藝改進(jìn)為以碳酸鉀為堿源的脫硫工藝。通過預(yù)測可知，以碳酸鉀為堿源的HPF 脫硫工藝每年可減排SO2的量為11 428 t，遠(yuǎn)高于以氨為堿源的HPF 脫硫工藝的脫硫效果。