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高硫生產(chǎn)條件下的脫硫工藝探討

來源: 寧夏集團
編輯: 阿勇
發(fā)布時間: 2014-05-21
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寧夏慶華煤化公司脫硫工段是由化二院設(shè)計的，處理煤氣量為5.5萬方/小時，設(shè)計指標系統(tǒng)進口H2S為4-5g/Nm3, 出口H2S為≤20mg/Nm3。目前為降低焦炭成本適應(yīng)市場需求，不得不采用高硫煤組織生產(chǎn)，造成煤氣中H2S含量高達8-12 g/Nm3，在這種情況下，出現(xiàn)如脫硫后硫化氫不穩(wěn)定，副鹽生成速度快，循環(huán)槽沉積物多等一系列新問題，給脫硫工段的正常運行帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，在市場和環(huán)保的雙重壓力下，研究解決高硫生成條件下的脫硫問題，就不再是單純解決生產(chǎn)技術(shù)問題，而是一個解決企業(yè)生存的大問題。
1 脫硫的基本原理
1.1脫硫反應(yīng)：煤氣中H2S和HCN被堿液吸收
Na2CO3＋H2S→NaHCO3＋NaHS           (1)
Na2CO3＋2HCN→2NaCN＋H2O＋CO2       (2)
1.2 催化劑的作用：催化劑中+3價鈷與NaHS反應(yīng)析出硫元素
CO+3＋HS-1→CO+1＋S                    (3)
1.3 再生反應(yīng)：
CO+1＋O→CO+3＋O-2           (4)
1.4 副反應(yīng)：
   Na2CO3＋CO2＋H2O→2NaHCO3           (5)
   2NaHS＋2O2→Na2S2O3＋H2O             (6)
   Na2CO3＋2S＋O2→Na2S2O3＋CO2          (7)
2Na2S2O3＋O2 →2Na2SO4＋2S            (8)
   Na2CO3＋2S＋3O2→Na2SO4＋CO2          (9)
 NaCN＋S→NaCNS                    (10) 
2 副鹽生成的機理
2.1 副鹽生成的機理（溫度說）
溫度是影響硫代硫酸鈉生成率的一個重要因素，當吸收溫度在>30℃時，提高溫度則能迅速提高反應(yīng)速度，利于對硫化氫的吸收，并且還可使析硫反應(yīng)速度相應(yīng)加快。但當吸收溫度在>55℃后，硫代硫酸鈉的生成率隨溫度的升高而急劇增加，這一點已得到廣大科技工作者和生產(chǎn)實踐者的一致認可。
2.2 副鹽生成的機理（硫氫化鈉氧化說）
脫硫液中的催化劑不足以將脫硫塔中生成的硫氫化鈉氧化成硫磺時，硫氫化鈉被帶到再生塔后，被鼓入的空氣氧化生成硫代硫酸鈉。這一學說也得到了廣大科技工作者和生產(chǎn)實踐者的一致認可，是一個長期指導(dǎo)脫硫工藝操作的經(jīng)典理論。
2.3 副鹽生成的機理（單原子硫氧化說）
有學者通過查閱大量學術(shù)資料以及實驗室分析，發(fā)現(xiàn)在HS-被氧化成單質(zhì)硫的過程中，先生成是S的單原子，然后單原子S兩兩之間在進行化合而生成S2分子，但這時的S的單原子或S2其穩(wěn)定性都很差，還原性很強（我們叫它活性硫），在實驗室發(fā)現(xiàn)這時如果這些活性硫沒有及時聚合成硫團就直接鼓空氣，讓它處于富氧的環(huán)境下，那么它很易被氧化生成硫代硫酸鈉。但是，如果此時有足夠的停留時間，那么S2分子就有機會進一步與S原子化合成S4、S6乃至S8，而這一系列的S分子中，只有S8是穩(wěn)定性最強的，不易被氧化，這樣S被氧化生成硫代硫酸鈉的幾率就大大降低。此外在由硫原子生成S8，乃至聚合成硫團的過程中。如果HS-被氧化速度過快，析硫速度也跟著加快，好多生成的硫原子就需要更多的時間來向S2、 S4、S6甚至S8的聚合態(tài)的形成。否則單位體積內(nèi)非聚合態(tài)的單質(zhì)硫就越多，這樣在富氧的條件下被氧化的幾率就越大，（這也就是脫高硫時比脫低硫時副鹽生成率高的原因），在生產(chǎn)實踐中這種現(xiàn)象得到了有力的驗證。
這樣，對于副鹽生成就有兩個鮮明的理論：一個是對于脫硫液來說，氧化電位既不能太低（低了氧化速度就明顯降低，甚至無法把S2-氧化），也不能太高（太高氧化和析硫速度都很快，單位體積內(nèi)活性硫含量在富氧情況下很容易被氧化），而是要穩(wěn)定在一個合適的中間值，生產(chǎn)中我們可以通過調(diào)節(jié)溶液組分來人為控制電極電位，也就是我們可以有意識降低它的電位，放慢它的氧化速度，從根本上降低它析硫速度快的問題。另一個是：出脫硫塔的富液要有足夠的停留時間。一方面讓富液中HS-進一步氧化,另一方面讓富液中單原子態(tài)的硫之間能進一步充分化合,形成S4，S6乃至S8,直至無數(shù)的S8晶包得以聚合成穩(wěn)定的硫顆粒。這樣，這些細小硫顆粒再到再生槽塔，被氧化的幾率就大大降低。至于停留時間多少合適，要依據(jù)工藝狀況以及硫化氫高低來定。
3 現(xiàn)有脫硫副鹽的處理方法
3.1 脫硫液外排
將脫硫液部分外排至焦煤，配入煤中后硫再循環(huán)，鹽留焦炭中，然后再配新液予以補充。這種方法簡單，但在去掉復(fù)鹽的同時，也將價值昂貴的催化劑和純堿排掉了，不但不經(jīng)濟，而且影響焦炭質(zhì)量。
3.2 脫硫液提鹽
利用副鹽的溶解度不同，采用濃縮、結(jié)晶等工藝將副鹽分離成產(chǎn)品，但投資大（一套配套5.5萬方氣量的提鹽裝置需投資月800萬左右）、能耗高（蒸汽、電力、水等），產(chǎn)品收益小，在當前企業(yè)資金緊張的情況下難以實施。
4 副鹽生成的預(yù)防措施
從脫硫的原理及副鹽生成的機理均可以看出：在脫硫過程中產(chǎn)生副鹽是不可避免的，但是采取相應(yīng)的措施是完全可以阻止副鹽的生成速度，減少副鹽的生成量，從而達到優(yōu)化脫硫效果，降低脫硫費用的目的。
4.1 優(yōu)化脫硫工藝及操作，預(yù)防副鹽生成
4.1.1脫硫塔的操作溫度
溫度是影響硫代硫酸鈉生成率的一個重要因素，并且反應(yīng)溫度對吸收和再生過程都有一定的影響。
當吸收溫度在>30℃時，提高溫度則能迅速提高反應(yīng)速度，利于對硫化氫的吸收，并且還可使析硫反應(yīng)速度相應(yīng)加快；當吸收溫度在>55℃后，硫代硫酸鈉的生成率隨溫度的升高而急劇增加，所以反應(yīng)溫度應(yīng)控制在40℃左右，過高則副反應(yīng)加劇，硫代硫酸鈉的生成率高，并使硫的顆粒和粘度相應(yīng)增大，過低則吸收反應(yīng)速率慢，降低溶液的吸收容量。
4.1.2PH值對脫硫的影響及控制
脫硫過程中的物料損耗主要是由副反應(yīng)造成的，副反應(yīng)產(chǎn)物硫代硫酸鈉、硫酸鈉、硫代氰酸鈉的生成都要相應(yīng)消耗堿。其中硫代氰酸鈉的生成取決于原料氣中的氫氰酸的含量，而硫酸鈉是硫代硫酸鈉進一步氧化產(chǎn)生的，因此，抑制硫代硫酸鈉的生成率是降低堿耗量的關(guān)鍵。
提高pH值會加快H2S的吸收速度，但會降低硫化物與催化劑的反應(yīng)速度，結(jié)果造成HS-來不及氧化而進入再生系統(tǒng)，加大生成Na2S2O3的反應(yīng)速度，使Na2S2O3的生成量成倍增加。這是因為在吸收塔未被氧化的HS-進入再生塔，被空氣氧化生成硫代硫酸鈉，并且在再生塔內(nèi)，空氣中的氧與催化劑形成的較高電動勢使Na2S2O3繼續(xù)氧化成Na2SO4。
綜上所知:硫代硫酸鈉生成率隨pH值的升高而升高，生產(chǎn)上一般控制在8.5～9.0之間。
4.1.3催化劑的作用
主要是能在瞬間將HS-氧化成單質(zhì)硫，這樣可以將Na2S2O3的生成控制在最低限度。在高硫情況下，為防止HS-根進入再生系統(tǒng)被氧化成Na2S2O3和Na2SO4，應(yīng)將催化劑濃度保持在指標上限。
4.1.4再生時間和鼓風強度
脫硫液在再生塔內(nèi)停留時間一般為25-30min，鼓風強度為80-110m3/(m2.h),以使還原態(tài)的催化劑充分氧化為氧化態(tài)的催化劑，并使生成的游離硫浮選出來，脫硫液的過度氧化會增加副反應(yīng)產(chǎn)物的含量。
脫硫液在循環(huán)槽的停留時間一般為8-10分鐘，以使硫氫化鈉與催化劑充分反應(yīng)析出游離硫，否則硫氫化鈉被帶到再生塔，將被鼓入的空氣氧化生成硫代硫酸鈉。
4.1.5脫硫液循環(huán)量
脫硫液的硫容量(H2S)一般為0.2-0.25kg/m3,氣液比一般大于0.016。如果循環(huán)量過小，首先是硫化氫吸收不完全，再就是脫硫液中的催化劑不足以將脫硫塔中生成的硫氫化鈉氧化成硫磺，硫氫化鈉被帶到再生塔將被鼓入的空氣氧化生成硫代硫酸鈉。
4.1.6脫硫液中副鹽含量
硫氰化鈉和硫代硫酸鈉等鹽含量升高，會使脫硫反應(yīng)速度降低，操作惡化；同時會降低催化劑在脫硫液中的溶解度，使催化劑部分析出，造成催化劑損失，這就是當脫硫條件惡化時，催化劑含量下降的原因。一般控制副鹽含量總和小于250g/L。
4.2 實施工藝技術(shù)改造，預(yù)防副鹽生成
4.2.1改造現(xiàn)有循環(huán)槽結(jié)構(gòu)
將現(xiàn)有循環(huán)槽結(jié)構(gòu)予以改造，使其底部的沉積物及時清理，始終保持足夠的脫硫液停留時間，從而保證HS-根的充分氧化和原子態(tài)硫有足夠時間轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)S8，避免HS-根和原子態(tài)硫進入再生系統(tǒng)被氧化成Na2S2O3。
4.2.2增設(shè)控溫緩沖去鹽設(shè)備
利用外冷原理，將部分脫硫液取出自然冷卻降溫。通過降溫使脫硫液中的部分鹽沉降，使HS-根的充分氧化成單質(zhì)硫，原子態(tài)硫充分轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)S8，然后返回系統(tǒng)使用。
 
            （寧夏集團煤化公司生產(chǎn)技術(shù)科  徐敦信）