羅海滔 1，趙云清 1，潘小玉 1，王春志 2
（1. 江蘇攬山環(huán)境科技股份有限公司，江蘇 211100；2.金牛天鐵煤焦化有限公司，河北056404）
[摘 要] 以雙膜理論為依據(jù)，對(duì)比了噴淋工藝和填料工藝在真空碳酸鉀法脫除硫化氫過程中，對(duì)煤氣相與貧液 相之間相對(duì)速度、傳質(zhì)面積兩個(gè)因素的影響，并對(duì)噴淋工藝在真空碳酸鉀法脫硫技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了討論和設(shè)計(jì)， 為提高真空碳酸鉀法脫硫效率的工程化研究提供了參考。
[關(guān)鍵詞] 噴淋工藝；真空碳酸鉀法；相對(duì)速度；傳質(zhì)面積
0 引言
金牛天鐵煤焦化有限公司焦?fàn)t煤氣量 70 000 m3 /h，現(xiàn)采用真空碳酸鉀法處理焦?fàn)t煤氣含硫，脫硫系統(tǒng)后煤氣含硫 200 mg/m3，無法達(dá)到最新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焦?fàn)t煤氣脫硫效率提升迫在眉睫。本文通過引入噴淋工藝替代填料塔工藝，從原理、工藝的角度，對(duì)其在真空碳酸鉀法脫除焦?fàn)t煤氣中的應(yīng)用進(jìn)行研究。
1 真空碳酸鉀法脫硫工藝概述
焦?fàn)t真空碳酸鉀法脫硫系統(tǒng)由脫硫單元、再生單元和制酸單元組成。本文僅針對(duì)脫硫單元展開研究。脫硫單元工藝示意圖見圖 1，再生單元來的貧液到達(dá)脫硫塔內(nèi)，首先經(jīng)過噴嘴和液相均布器，落入填料表面。在填料表面，煤氣由下向上，與從上而下的貧液逆向接觸，此時(shí)煤氣中硫化氫與貧液中碳酸鉀產(chǎn)生反應(yīng)。
反應(yīng)方程式見下：
2KOH+CO2=K2CO3+H2O
K2CO3+H2S=KHS+KHCO3
K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3
K2CO3+2HCN=2KCN+CO2+H2O
吸收硫化氫后的貧液變?yōu)楦灰海诿摿蛩赘患?，通過富液泵泵至再生單元，進(jìn)行負(fù)壓高溫解析。經(jīng)過與貧液脫硫吸收的煤氣，進(jìn)入堿洗段。堿洗段與貧液脫硫段通過斷塔盤即堿液集液盤進(jìn)行隔斷。堿洗段內(nèi)，煤氣從下到上與 2.5%NaOH 循環(huán)液逆向接觸，硫化氫與氫氧化鈉在堿洗段填料表面接觸反應(yīng)。堿洗吸收后的煤氣通過除沫器后離開煤氣脫硫系統(tǒng)。反應(yīng)后的堿液在斷塔盤上富集，利用高差離開脫硫塔自流回堿液循環(huán)槽。
填料塔是脫硫吸收過程中的核心設(shè)備，尺寸為Φ4 800×33 500。脫硫塔根據(jù)工藝可分為以下部分：富液池、貧液脫硫段、堿液脫硫段。其中富液池和貧 液脫硫段占高 13.2 m，堿洗脫硫段高度 4.7 m。
貧液脫硫段填料選用聚丙烯材質(zhì)散裝填料拉魯環(huán) 50×50×1.5。上下兩段填料高度分別為 5 m 和 3 m，共有填料 145 m3。堿液脫硫段填料也是選用聚丙烯材質(zhì)散裝填料拉魯環(huán) 38×38×1.4，共有填料 36.2 m3。本文針對(duì)貧液脫硫段展開研究。
2 現(xiàn)狀分析
金牛天鐵煤焦化有限公司在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，煤氣脫硫塔后含硫最低可達(dá) 200 mg/m3 左右，可長(zhǎng)時(shí)間維持在 500~600 mg/m3。由于目前環(huán)保形勢(shì)嚴(yán)峻，需要對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行升級(jí)改造。
填料塔內(nèi)氣液吸收的傳質(zhì)過程機(jī)理，可以用雙膜理論來描述[1]。相際間傳質(zhì)過程，既與相際間的平衡關(guān)系及流體間的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，又和兩相流體間的流動(dòng)狀況有關(guān)。兩相間的流動(dòng)狀況，包括氣液兩相擾動(dòng)、接觸面積、延長(zhǎng)停留時(shí)間等[2]。
填料塔具有處理能力大、反應(yīng)效率高、阻力小、液氣比小等優(yōu)點(diǎn)。填料工藝也有氣液兩相操作范圍小、反應(yīng)面積小等缺點(diǎn)。填料塔內(nèi)氣相的速度和液相的流量都不可以隨意變動(dòng)，易引起液泛現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的壓力降和穩(wěn)定性。填料的選型是綜合可行性、效率、壓降、通量和經(jīng)濟(jì)等因素后擇優(yōu)選取[3]。
相對(duì)填料工藝，噴淋工藝在氣液兩相相對(duì)速度、反應(yīng)面積、液氣比、不易堵塞和結(jié)垢等方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
3 噴淋工藝在真空碳酸鉀法脫硫中的工藝研究
3.1 相對(duì)速度
整個(gè)相際傳質(zhì)過程的阻力全部體現(xiàn)在兩個(gè)停滯膜層中。氣體和液體的相對(duì)擾動(dòng)狀況可以影響膜的厚度，從而影響反應(yīng)效率[4]。提高氣液兩相之間的相對(duì)速度是增加擾動(dòng)的常用辦法。氣體流速越大，氣膜越??；液體流速越大，液膜越薄，其兩相間的傳質(zhì)速率越高，反應(yīng)越充分。
當(dāng)煤氣處理量達(dá)到 70 000 m3 /h 時(shí)，填料塔內(nèi)空塔流速為 1.08 m/s。填料為拉魯環(huán) 50×50×1.5，孔隙率為 90%，煤氣通過填料層時(shí)流速為 1.2 m/s。煤氣相在經(jīng)過兩層貧液填料層時(shí)反應(yīng)時(shí)間為 6.7s。貧液在填料表面的流速 0.5~1 m/s[5]。煤氣和貧液兩相間的相對(duì)速度不高于 2.2 m/s。
噴淋工藝是將高壓的液相通過噴嘴變?yōu)樾×降撵F滴。從再生單元來的貧液壓力達(dá)到 0.25MPa，通過螺旋噴嘴后，可以霧化為平均粒徑 300~500 μm 的液體，從噴嘴射出的霧滴流速可以達(dá)到11 m/s[6]。射出的霧滴經(jīng)過與塔內(nèi)氣相逆向接觸，最終下落速度為 4~7 m/s[7]。
噴淋工藝中氣相速度一般為 3~5 m/s。氣液兩相的相對(duì)速度是填料工藝中的 4 倍，噴淋工藝中氣液兩相間相互作用更為強(qiáng)烈，傳質(zhì)速率更高。
噴淋塔內(nèi)氣相速度 4~5 m/s 時(shí)，其速度是填料塔內(nèi)氣相速度的 4 倍，在同等氣量下，噴淋塔的直徑可以縮小到 2.4 m，可以大幅度節(jié)省場(chǎng)地。
由于是在真空碳酸鉀法基礎(chǔ)上進(jìn)行噴淋工藝的代入，氣液兩相的反應(yīng)原理和物化性質(zhì)不變，因此氣液兩相反應(yīng)時(shí)間仍建議保持 6.7s。
3.2 傳質(zhì)面積
真空碳酸鉀法煤氣脫硫工藝中，從再生單元來的貧液流量設(shè)計(jì)值為 168 m3 /h，由于貧液內(nèi)含有多種物質(zhì)，粘度較高，在填料表面的液膜厚度約為 1~2 mm[8]。貧液與煤氣在填料表面最高的有效傳質(zhì)面積 約為 17 萬 m2 /h。
采用噴淋工藝，貧液將會(huì)霧化為粒徑 300~500 μm 的液滴，比表面積可以達(dá)到 12 000~20 000 m2/ m3。
而填料塔內(nèi)采用的拉魯環(huán) 50×50×1.5 的比表面積為 93 m2 /m3。同等壓力條件下，比表面積方面噴淋工藝是填料工藝的 130 余倍。在噴淋工藝下，貧液 的傳質(zhì)面積可以達(dá)到為 200 萬 m2 /h，是填料工藝的 12~20 倍。
采用噴淋工藝使得液相具有更高的傳質(zhì)反應(yīng)面積，可以提高傳質(zhì)速率，進(jìn)而提供氣液間的反應(yīng)效率。
3.3 對(duì)噴淋工藝展開設(shè)計(jì)
噴淋工藝中，煤氣相塔內(nèi)的流速按照 4 m/s 流速取值，塔徑為 2.5 m。氣液兩相間反應(yīng)時(shí)間保持6.7 m，噴淋層總高為 26.8 m。因?yàn)樨氁哼M(jìn)塔壓力達(dá)到 2.5 MPa，出噴嘴的霧滴流速高，有效反應(yīng)距離相應(yīng)變長(zhǎng)，建議設(shè)計(jì) 6 級(jí)噴淋層，每層噴淋層高度 4.5m 左右。
原填料塔的噴淋密度為 9.3 m3 /(m2·h)，液氣比為 2.4 L/m3；常規(guī)煙氣脫硫液氣比可以達(dá)到 25 L/ m3，即噴淋密度可以達(dá)到 100 m3 /(m2·h)左右，為了確保項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)塔后硫化氫的排放濃度達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)，建議增加兩臺(tái)循環(huán)泵，流量取值 168 m3 /h，利用塔底吸收液進(jìn)行內(nèi)循環(huán)吸收，兩臺(tái)泵工藝設(shè)計(jì)中都作為貧液脫硫化氫的備用。在工程中如果貧液無法實(shí)現(xiàn)塔后硫化氫的低濃度排放要求，可以開啟循環(huán)泵，增加反應(yīng)效率，確保塔后硫化氫的達(dá)標(biāo)排放。
根據(jù)上述研究，對(duì)真空碳酸鉀法脫除硫化氫技術(shù)中貧液脫硫系統(tǒng)利用噴淋工藝展開設(shè)計(jì)。噴淋工藝流程示意圖見圖 2。
焦?fàn)t荒煤氣從塔底進(jìn)入脫硫噴淋塔，從下而上分別經(jīng)過 3 層循環(huán)液脫硫?qū)印? 層貧液脫硫?qū)?，然后通過斷塔盤進(jìn)入堿洗段。從再生單元來的貧液利用管道分為 3 層貧液脫硫?qū)?，通過噴嘴霧化后，與煤氣逆向接觸并發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后的吸收液落入塔底循環(huán)液池；循環(huán)泵將塔底循環(huán)液加壓至 3 層循環(huán)液脫硫?qū)舆M(jìn)行二次吸收反應(yīng)，然后落入塔底，形成富液，最終通過管道排至再生單元進(jìn)行解析。
貧液和循環(huán)液的工藝順序，實(shí)現(xiàn)吸收液有效成分濃度與煤氣中硫化氫濃度的逆向反應(yīng)，具有反應(yīng)更充分、傳質(zhì)速率高、效率更高的特點(diǎn)。兩臺(tái)循環(huán)泵可以為一用一備關(guān)系，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
4 結(jié)語
噴淋塔工藝在真空碳酸鉀脫除硫化氫工藝中，較填料塔工藝具有相對(duì)速度快、反應(yīng)面積大的優(yōu)點(diǎn)，且具有更高的傳質(zhì)速率和效率。本文從工藝角度為噴淋塔工藝在真空碳酸鉀法脫除硫化氫技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了工藝研究和設(shè)計(jì)，為工程化研究提供了基礎(chǔ)。
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