酸性水汽提裝置旋噴脫硫?qū)嶒?yàn)研究

＊黃衛(wèi)存

（鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司 浙江 315040）

1.引言

在煉制石油的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的酸性水，通過(guò)酸性水汽提裝置可以對(duì)酸性水進(jìn)行凈化后再循環(huán)利用。在汽提裝置中有多個(gè)大型酸性水儲(chǔ)罐，單個(gè)罐頂會(huì)產(chǎn)生流量約為200m3/h含硫化氫酸性氣，需對(duì)罐頂氣進(jìn)行脫硫后才能排至瓦斯管網(wǎng)或火炬[1]。目前工業(yè)生產(chǎn)中，處理工業(yè)污染水的汽提裝置，常采用的工藝流程大致有四種，包含單塔加壓側(cè)線抽出汽提、單塔加壓無(wú)側(cè)線汽提、單塔常壓汽提、雙塔加壓汽提[2]。在汽提工藝中，塔頂排除的氣體中95%以上都是水蒸氣，因此如果采用化學(xué)試劑處理會(huì)造成大量試劑浪費(fèi)，投入成本高且效率低，所以比較常見(jiàn)的方法是采用火炬焚燒的方法，直接利用燃燒將H2S、NH3氧化為SO2、N2和H2O，直接去除污染氣體，生成無(wú)毒氣體，直接排放到大氣中。含硫廢氣的存在不僅會(huì)在開(kāi)采、處理和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中造成設(shè)備和管道的腐蝕[3]，用作燃料時(shí)也會(huì)污染環(huán)境，危害人體健康[4]。因此對(duì)酸性水進(jìn)行脫硫處理具有十分重要的意義。目前主流脫除硫化氫的方法分為干法脫硫、濕法脫硫。干法脫硫成本相對(duì)較低，在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用，但其脫硫效率相對(duì)其他方法較低，僅為70%左右[5]，并且干法脫硫劑在使用一定時(shí)間后需要更換，從而產(chǎn)生一定量的危廢，還需要更換過(guò)程的停工檢修時(shí)間。濕法脫硫由于其極高的吸收效率被廣泛運(yùn)用，脫硫塔就是最普遍的濕法脫硫方法運(yùn)用[6]。傳統(tǒng)的化學(xué)吸收法去除速度快，吸收率高，但容易腐蝕設(shè)備[7]，所需的停留時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)備重量和整體占地面積較大，所使用的脫硫設(shè)備氣液比較高，吸收液用量較大，吸收液需要一定的再生能耗和損耗，吸收液流速較慢會(huì)形成一定區(qū)域的結(jié)垢或堵塞，從而增加整塔壓降。

本研究致力于開(kāi)發(fā)高效的酸性水汽提噴射吸收脫硫技術(shù)，使用氣相旋流-液相射流吸收器及設(shè)備對(duì)酸性水汽提中的含硫廢氣進(jìn)行處理，在確保達(dá)標(biāo)的前提下，通過(guò)吸收液霧化及霧滴湍流運(yùn)動(dòng)，大幅擴(kuò)大傳質(zhì)面積和傳質(zhì)速率，從而降低氣液比、減少吸收液用量、大大減少氣相停留時(shí)間，提高吸收液流速?gòu)亩苊饨Y(jié)垢堵塞，使裝置占地、投資維護(hù)成本均大幅降低，與現(xiàn)如今節(jié)能減排相契合，具有重要的社會(huì)環(huán)保經(jīng)濟(jì)效益。

2.實(shí)驗(yàn)部分

準(zhǔn)備好待處理氣體的吸收劑在氣相旋流-液相射流吸收器中的存在狀態(tài)可以是霧狀或者細(xì)射流兩種，并與切向進(jìn)入的旋流氣體產(chǎn)生碰撞。當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的氣體旋流場(chǎng)中，吸收液液滴受到切向的剪切力作用，發(fā)生液滴破碎成為無(wú)數(shù)更為微小的液滴，液滴表面不斷更新，吸收能力達(dá)到最佳。此破碎重組過(guò)程不同濃度含H2S的酸性氣體由風(fēng)機(jī)從儲(chǔ)氣瓶中吸出，沿切向射入氣相旋流-液相射流凈化器，同時(shí)儲(chǔ)液箱中的吸收液由水泵吸出，進(jìn)入凈化器，并由管壁上小孔打散，形成細(xì)小水柱，流程如圖1所示。

本次實(shí)驗(yàn)主要研究含硫化氫氣體的流量與待處理氣體中硫化氫的濃度、堿性吸收液中Na2CO3的濃度、堿性吸收液進(jìn)入旋風(fēng)吸收器中心段時(shí)的流量等各種工藝參數(shù)對(duì)含有H2S的混合氣體脫除率的影響。對(duì)氣相旋流-液相射流吸收器脫除硫化氫氣體的效果和可行性進(jìn)行研究，拓展該裝置于此領(lǐng)域的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)采用常溫空氣與H2S的混合氣體模擬氣體，吸收液采用Na2CO3溶液。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前將濃度為CL的Na2CO3溶液共30L倒入液體循環(huán)槽中并攪拌均勻，通過(guò)加熱裝置將循環(huán)罐中的溫度恒定控制在溫度T，打開(kāi)液泵為溶液加壓，將Na2CO3溶液輸送至氣相旋流-液相射流吸收器的夾套中，并將液體流量控制在所需值QL，通過(guò)液體轉(zhuǎn)移作用將吸收的液體轉(zhuǎn)移到泵中。經(jīng)過(guò)液泵輸送，堿性吸收劑通過(guò)裝置的噴射孔噴入氣相旋流-液相射流吸收器中。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，打開(kāi)H2S鋼瓶和風(fēng)機(jī)，使兩種氣體混合，通入氣相旋流-液相射流吸收器中，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)速大小，使氣體流量達(dá)到所需值QG。在氣相旋流-液相射流吸收器中，氣液兩相發(fā)生劇烈的旋流吸收反應(yīng)。通過(guò)反應(yīng)，凈化后的含硫混合氣體從上部出氣口排出，堿性吸收劑從裝置下部液體出口流出，并循環(huán)使用。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制環(huán)境溫度在25℃左右，上下不超過(guò)2℃，氣相旋流-液相射流吸收器內(nèi)部溫度由所安裝的溫度計(jì)監(jiān)測(cè)。硫化氫的吸收率η由下式定義：

式中，cin表示H2S的入口濃度，mg/m3；cout表示H2S的出口濃度，mg/m3。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

(1)氣體流量對(duì)含硫氣體凈化效率的影響

當(dāng)H2S進(jìn)口濃度cin=100mg/m3，溫度為25℃，Na2CO3吸收液流量QL=100L/h，Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%。吸收液使用量高于吸收反應(yīng)過(guò)程所需要的用量時(shí)，研究在三種不同噴射角度下氣體流量對(duì)脫硫效率的影響，控制氣體流量變化區(qū)間為5～17m3/h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在三種噴射角度的情況下，脫硫效率均隨著氣體流量的增大而持續(xù)下降。當(dāng)氣體流量相同時(shí)，噴射角度為0°時(shí)對(duì)含硫氣體凈化效率最高，可達(dá)到95.52%，其中噴射角度為-45°時(shí)效率最低。

從圖2可以得出：隨著待處理氣體的流量不斷升高，而氣相旋流-液相射流吸收器的孔徑不變，氣相速率開(kāi)始不斷增高。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著氣相速率的持續(xù)提升，硫化氫的脫除率不斷下降。待處理氣體的初始速率越大，使待處理氣體更快的離開(kāi)氣相旋流-液相射流吸收器，因此減少了待處理氣體在吸收器中的被處理時(shí)間。當(dāng)氣速較小時(shí)，待處理氣體的初始速率可以適當(dāng)提高氣相與液相的相對(duì)速率，待處理氣體以適當(dāng)?shù)那懈盍θテ扑榧羟形找?，能夠使相界面面積維持在最佳的范圍內(nèi)，保證傳質(zhì)效果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，適當(dāng)降低進(jìn)口氣速，能夠使氣相與液相的相互作用力維持在更好的水平，提高對(duì)硫化氫的吸收效果。當(dāng)待處理氣體流量在5～12m3/h區(qū)間內(nèi)時(shí)，吸收速率降低較為平緩，當(dāng)氣速大于12m3/h時(shí)，吸收速率隨氣量增加而下降明顯，說(shuō)明氣速過(guò)快，大量混合氣體已經(jīng)來(lái)不及與吸收液進(jìn)行反應(yīng)而直接排出。因此，具體的單位時(shí)間氣體處理量需依照實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算。

(2)吸收液流量對(duì)含硫氣體凈化效率的影響

當(dāng)H2S進(jìn)口濃度cin=100mg/m3，溫度為25℃，總氣體流量QG=17m3/h，Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%。吸收液使用量高于吸收反應(yīng)過(guò)程所需要的用量時(shí)，研究在三種不同噴射角度下吸收液流量對(duì)脫硫效率的影響，控制吸收液流量變化區(qū)間為60～120L/h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在三種噴射角度的情況下，脫硫效率均隨著吸收液流量的增大而持續(xù)上升。當(dāng)吸收液流量相同時(shí)，噴射角度為0°時(shí)對(duì)含硫氣體凈化效率最高，可達(dá)到87.01%，其中噴射角度為-45°時(shí)效率最低。

從圖3可以得出：隨著所進(jìn)入Na2CO3吸收液的流量不斷增加，對(duì)待處理氣體之中硫化氫的吸收效果呈上升狀態(tài)，當(dāng)噴射角為0°，進(jìn)入吸收液流量在60～80L/h之間時(shí)，碳酸鈉溶液對(duì)硫化氫的吸收率緩慢上升，約從77.8%上升至79.01%；進(jìn)入吸收液流量在80～100L/h之間時(shí)，碳酸鈉溶液對(duì)硫化氫的吸收率迅速上升，約從79.01%上升至85.23%；當(dāng)吸收液流量大于100L/h后，對(duì)硫化物的吸收效率再次恢復(fù)緩慢上升狀態(tài)，當(dāng)吸收流量達(dá)到120L/h時(shí)，吸收率最高可以達(dá)到87.01%。經(jīng)分析，初始階段隨著吸收液的進(jìn)入流量不斷提升，而氣相旋流-液相射流吸收器的孔徑不變，其在凈化器內(nèi)的速率不斷提升，氣相與液相之間的相對(duì)速率隨之提升，相互作用力增強(qiáng)，但因?yàn)榱魉傧拗?，噴射壓力不足，液體不能完成霧化，此時(shí)液體破碎效果在緩慢增強(qiáng)，因此吸收效率上升緩慢。當(dāng)進(jìn)入吸收液流量在80～100L/h之間時(shí)，液滴破碎效果增強(qiáng)，氣液相互作用力不斷增強(qiáng)，由于氣相旋流-液相射流吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，液相開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)殪F狀，不再以細(xì)小液柱形態(tài)與帶吸收氣體接觸，而霧化的吸收劑形態(tài)大大增加了碳酸鈉與硫化氫的接觸面積，使得對(duì)硫化氫的吸收效果呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)。而當(dāng)液相流量超過(guò)100L/h后，液體霧化效果已經(jīng)基本達(dá)到最優(yōu)效果，不會(huì)再有明顯提升，氣液接觸面積已達(dá)最大，所以吸收效率上升平緩。

(3)H2S濃度對(duì)含硫氣體凈化效率的影響

當(dāng)總氣體流量=17m3/h，溫度為25℃，Na2CO3吸收液流量QL=100L/h，Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%。吸收液使用量高于吸收反應(yīng)過(guò)程所需要的用量時(shí)，研究在三種不同噴射角度下H2S進(jìn)口濃度cin對(duì)脫硫效率的影響，控制H2S進(jìn)口濃度cin變化區(qū)間為40～160mg/m3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在三種噴射角度的情況下，脫硫效率均隨著H2S進(jìn)口濃度cin的增大而持續(xù)上升。當(dāng)H2S進(jìn)口濃度cin相同時(shí)，噴射角度為0°時(shí)對(duì)含硫氣體凈化效率最高，可達(dá)到86.76%，其中噴射角度為-45°時(shí)效率最低。

從圖4可以得出：當(dāng)硫化氫含量處于40～160mg/m3區(qū)間內(nèi)，隨著待處理氣體中的硫化氫含量不斷上升，對(duì)硫化氫的吸收效果逐漸提升，碳酸鈉吸收液對(duì)硫化氫的吸收效率最高可以達(dá)到86.76%。經(jīng)分析可知，當(dāng)混合氣體中的硫化氫含量增大時(shí)，吸收液中的Na2CO3可以對(duì)H2S進(jìn)行充分反應(yīng)吸收，當(dāng)霧化效果達(dá)到最佳時(shí)，氣相旋流-液相射流吸收器中的旋流場(chǎng)造成破碎液滴，使得硫化氫與碳酸鈉的反應(yīng)加快，有效地去除混合氣體中的硫化氫氣體，從而提高了對(duì)硫化氫的吸收效率。在實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)待處理氣體中的硫化氫含量在合適范圍內(nèi)時(shí)，使用碳酸鈉吸收液的氣相旋流-液相射流吸收器可以有效地對(duì)低濃度硫化氫氣體進(jìn)行脫除作業(yè)。且硫化氫的濃度越高，氣相旋流-液相射流吸收器對(duì)硫化氫的吸收效果越好。

4.結(jié)論

當(dāng)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同時(shí)，采用同種堿性吸收液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由此可得當(dāng)射流孔噴射角度為0°時(shí)，氣相旋流-液相射流吸收器的脫硫效率最高，當(dāng)噴射角度為-45°時(shí)，對(duì)含硫氣體的凈化效率最低。

氣相旋流-液相射流吸收器的脫硫效率隨著氣體流量的增大而降低，氣相旋流-液相射流吸收器的脫硫效率隨著吸收液流量的增大而增大，氣相旋流-液相射流吸收器的脫硫效率隨著混合氣體中H2S濃度cin的增大而上升?？刂破渌麠l件相同，實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)氣相進(jìn)氣流量達(dá)到5m3/h時(shí)，碳酸鈉溶液對(duì)硫化氫的吸收率可以達(dá)到95.52%；控制其他條件相同，實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)吸收液流量達(dá)到120L/h時(shí)，碳酸鈉溶液對(duì)硫化氫的吸收率最大可以達(dá)到87.01%；控制其他條件相同，實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)混合氣體中H2S的濃度在160mg/m3時(shí)，碳酸鈉溶液對(duì)硫化氫的吸收率可以達(dá)到86.76%。