基于HPF法的萊鋼焦化廠脫硫工藝改進研究

韓東師，張德楠，梁崗，楊立美

(中鋼集團工程設計研究院有限公司大連焦化分院，遼寧 大連 116000)

0 引言

山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司焦化廠現(xiàn)有三套脫硫設備，原設計為 HPF法生產(chǎn)焦爐煤氣中的氫硫，但其最大的問題是其轉向效果不佳，后續(xù)輸送的煙氣中氫硫含量達不到環(huán)保要求，因此必須進行脫硫工藝的優(yōu)化。萊鋼焦化公司通過幾年的技術改造，焦化設備的問題得到了較好解決。焦爐和加熱器采用了大量的焦油，其燃燒的壓力達到了新的要求。萊鋼焦化廠采用HPF脫硫工藝，以HPF源為催化劑[1]。脫硫工藝總體運行情況良好，萊鋼焦化廠基本解決了脫硫系統(tǒng)存在的各項問題。因此，需要對HPF開發(fā)過程進行改進，2020年1月，新建了一套用于脫硫液的真空萃取裝置。新脫硫工藝實施后，每年可帶來1 000多萬元的經(jīng)濟效益[2]，解決脫硫工藝液體排放問題。2020年6月使用隔膜壓濾機代替離心機來解決高速硫問題。

1 相關理論分析

1.1 焦化廠脫硫工序工藝流程

主要問題出現(xiàn)在山東鋼鐵集團的大型萊蕪焦化廠，工藝改造前存在的問題包括：脫硫效率低，主催化劑消耗大，揮發(fā)性有機物低，脫硫液溫度高。結果表明：焦化煙氣中含硫超標[3]，難以滿足脫硫工藝環(huán)保的要求。

1.2 HPF法

HPF法脫硫屬液相催化氧化法脫硫，HPF催化劑對脫硫和再生過程均有催化過程。脫硫工藝分別配備獨立的再生系統(tǒng)[4]。脫硫富液由塔底排放，經(jīng)液體密閉容器進入反應池，經(jīng)循環(huán)泵將富液從反應器送入回收塔的底部，并在回流柱的底部加入HPF催化劑[5]。

1.3 原因分析

1.3.1 焦爐煤氣脫硫技術機理

HPF法焦爐氣脫硫是以NH3、H2S、 HCN為基礎，利用NH3將H2S、HCN引入到該溶液中，通過脫硫催化劑進行液體吸收。結果表明，脫硫過程并非按常規(guī)的方法分為幾個塔，而是以脫硫塔為主體。在此基礎上，可以在低濃度、低揮發(fā)氨氣條件下進行有效的脫硫。在此基礎上，文章對采用二級耦合HPF法進行工藝改造的工藝路線進行了研究。該技術突破了9 g/L高揮發(fā)性氨生產(chǎn)的技術路線，并實現(xiàn)了三次脫硫。

1.3.2 脫硫系統(tǒng)阻力分析

(1)脫硫塔塔徑計算：在回收車間中，例如，氣體脫硫的體積為60 000 m3/h。

通過計算，可算出：

(2)總結。從上述計算可知，兩個脫硫塔的串聯(lián)阻抗為1 531.2 Pa，達到了脫硫塔串聯(lián)后的氣相阻力低于4 000 Pa的技術規(guī)范。

(3)再生風量和循環(huán)量。在生產(chǎn)中，根據(jù)煙氣中硫含量的變化情況，兩個回收塔的風量均為3 000～3 500 m3/h。二次循環(huán)廠原設計為三個空壓機，設計能力440 m3/min，兩個運轉，一套備用。在正常生產(chǎn)過程中，僅有一臺空壓機能提供煙氣。通過對煙氣脫硫工藝的分析，得出了煙氣脫硫的供風嚴重不足、脫硫體系脫硫率高達5 g/L的問題。從2011年起，新增設了一臺空壓機，保證了煙氣脫硫系統(tǒng)的充分通風，達到了脫硫工藝的需要。

1.3.3 脫硫液循環(huán)量的核算

現(xiàn)有的液力循環(huán)泵最大流量為3 000 m3/h，新的管路直徑為7 m，脫硫塔中的煙氣流量為77.9 m3/h，而脫硫泵的脫硫流量達到了設計指標，因此無需對其進行改造。

1.3.4 兩塔串聯(lián)工藝設計

在計算煙氣脫硫時，確定煙氣直徑為7 m，采用先進的液氣分布器，使空氣在塔中分布均勻，并能充分接觸，從而減小了塔中的阻力，減少了系統(tǒng)的阻力。因場地規(guī)劃限制，將原5.8 m脫硫塔拆掉，新建7 m脫硫塔，并對相關工藝管道進行改造，以改善脫硫效果。

1.3.5 脫硫效率的影響因素分析與優(yōu)化方案

(1)影響因素分析。氨氣經(jīng)氨塔頂蒸出后進入脫硫預冷塔[6]，在最初的設計中，大量氣體從塔頂部和脫硫塔中排出。它與脫硫塔的氣體混合，減少了脫硫過程反應。循環(huán)塔中的大量物質被循環(huán)液體吸收，導致脫硫塔中的物質減少。一段時間內，除脫硫塔的多余冷凝水被輸送至澄清槽[7]。因此在接下來的脫硫工藝中，這就產(chǎn)生了兩種后果：

①水蒸汽的浪費，在90 ℃以下的溫度下，氨氣溫度下降到30 ℃，凝結水變多。含有大量氨氣的凝結液回流至氨水系統(tǒng)，使氨水含量升高，脫硫過程負荷增大，造成水蒸汽的浪費。

②降低了進入脫硫塔的氨氣。由于氨氣的存在，使氨氣在煙氣中的濃度降低，使煙氣在煙氣中的揮發(fā)性成分含量降低，降低了脫硫效率[8]。

(2)過高的脫硫溶液溫度對氨的損耗。在2011年分解脫硫劑時，揮發(fā)性物質的含量降低了氨的損失，通過對2010、2011年度脫硫工藝的觀測，發(fā)現(xiàn)在冬季，脫硫液的溫度通常在40 ℃以上，而在夏天，脫硫液的溫度要在45 ℃以上，這是因為反應熱、氨氣帶來的熱量，再加上氣體的存在，所以很難計算出脫硫液所吸收的熱量[9]。

1.3.6 工藝設計

目前，脫硫液的單塔循環(huán)能力約為150 m3/h左右，通過大泵的出口管路輸送脫硫液，在換熱器中引入200 200 m3/h的脫硫液，在低溫下進行降溫，再送回原來的管路。其改造后可控制脫硫溫度，與改造前后同期的溫度數(shù)據(jù)相比，改造后的溫度低于5 ℃。

1.3.7 脫硫系統(tǒng)優(yōu)化改造前后運行效果對比

對煤氣脫硫工藝進行了改進和優(yōu)化，使其達到了較好的效果。通過與改造前后的比較，發(fā)現(xiàn)改進后的脫硫液品質得到了改善，在改造前揮發(fā)分的濃度增大，在轉換后的NH3-N濃度和副鹽的明顯減少，使硫化氫的液相脫硫效率得到了明顯提高。該裝置的建成投產(chǎn)，提高了產(chǎn)品的純度和產(chǎn)品的質量，增大了產(chǎn)品的附加值。

1.4 存在問題

1.4.1 脫硫廢液外排困難

將脫硫液添加到煤中，存在較大的安全隱患，脫硫工藝中含有燃料揮發(fā)性氣體，在脫硫工藝內揮發(fā)積聚，造成較大的安全隱患，會對環(huán)境造成二次污染。將脫硫液添加到煤中，脫硫液中的硫元素在系統(tǒng)中循環(huán)，這將增加脫硫工藝系統(tǒng)的處理負擔。

1.4.2 脫硫液分離不徹底

使用離心機處理硫泡沫，硫磺泡的液體存在中間的各層中，分離的液體回到排液系統(tǒng)，通過汽車外運處理。在運行過程中，逐漸暴露出以下幾個問題：硫漿的水分約為35%～45%，硫漿不容易儲存和運輸，這使得在現(xiàn)場裝運變得困難；離心機是一種高效分離裝置，分離速度快；目前脫硫工藝離心機處理能力小，無法達到設計處理能力。

2 脫硫工藝的改造及效果評價

為進一步提升焦化廠焦爐煤氣的脫硫效率，為保證環(huán)保標準的互補性，文章在分析焦化廠廢品率現(xiàn)狀的基礎上，分析了脫硫工藝廢品率產(chǎn)生的原因，介紹了兩個脫硫塔的改造。最后，經(jīng)過改造評估，焦化廠的脫硫效果得以提升。焦化廠處理后的煤可用于其他行業(yè)對煤熱能的需求，文章通過對焦化工廠的改造，驗證了其改造效果。

2.1 脫硫工藝效果對比

焦化廠年設計焦化能力306萬噸，為了確保煙氣中的硫含量達到環(huán)境保護的要求，在該項目中設置了兩套煙氣凈化設備，各設備的煙氣脫硫技術也各有差異。通過實驗，分析了各種污染物的脫除效果，并分析了其在實際工程中的應用情況。其中，第一組是氨硫循環(huán)洗滌法，AS濕式吸收法，第二組是以碳酸鈉為堿源的ADA濕式氧化法。目前，基于上述脫硫工藝流程所獲得中各種雜質的含量是基于上述去除過程得出的，如表1所示。

表1 脫硫工藝效果對比

2.2 脫硫工藝

焦爐煤氣脫硫過程的主要指標是：富氨水和脫酸貧液脫除煤氣中的硫化氫，NaOH分解氨水中的固定氨鹽。實踐表明該裝置包括H2S，通過爐氣凈化，其質量分數(shù)在0.5 g/m3以下；冬季，焦爐煤氣經(jīng)一系列脫硫工藝處理后，H2S的質量濃度在0.5 g/m3以下；夏季，采用一種煙氣脫硫技術進行焦爐煤氣凈化后，H2S質量濃度小于0.7 g/m3，設備必須定期進行清理，每次清理需要25 h，極大增加了脫硫工藝運行的成本。

目前，在脫硫技術改造后，其脫硫效果的運行狀況是：脫硫后的硫泡沫流動性較低，易導致相關設備發(fā)生堵塞，導致設備維修周期延長，從而導致生產(chǎn)成本上升。HPF的運行過程是比較簡單和容易實現(xiàn)的。催化劑的濃度和反應的效率有很大的關系。圖1顯示了反應效率和提高催化劑濃度的關系，可以看出，在催化劑質量分數(shù)低于28%的情況下，對應的效率有明顯的改變，而在催化劑的濃度不斷提高下，對應的效率也沒有明顯的改變。綜合考慮脫硫效率和催化劑成本，選擇的催化器的質量分數(shù)控制在29%，對二組脫硫工藝改造后，基于脫硫改造后工藝凈化處理后H2S的質量濃度，如圖1所示。

圖1 催化劑與脫硫效率之間的關系

通過對一套脫硫工藝進行改進，脫硫效率從97%提高到98%，并且通過更換脫硫劑，可以提高相應的脫硫工藝，提高脫硫效率，減少相關設備的堵塞，減少相關裝置的維護成本，減少煙氣中硫的含量，從而確保焦爐煤氣在燃燒過程中的硫含量達到國家有關標準，從而提高了脫硫效率，從91.73%提高到96.21%。在第二套脫硫過程中，將 HPF型脫硫劑替代常規(guī)脫硫劑，使脫硫效率由97%提高至98%，徹底解決了因流動性差而造成的設備堵塞問題。

3 結語

通過對脫硫工藝的串聯(lián)改造，在原有的基礎上，建立了新的工藝路線，對下一步的脫硫工藝進行了優(yōu)化，為脫硫工藝技術改造提供了有價值的經(jīng)驗，同時也產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益，年經(jīng)濟效益341.7萬元，該工藝能產(chǎn)生經(jīng)濟效益，節(jié)省大量經(jīng)濟效益。目前，我國的高爐生產(chǎn)技術正在向低成本、低消耗、低污染的方向發(fā)展，向自動化、大型化、高效化方向發(fā)展。HPF工藝是目前廣泛使用的煙氣脫硫工藝，本技術是一種適應我國國情的新技術，具有經(jīng)濟效益、清潔、環(huán)保等特點，具有較好的工業(yè)化應用前景。