高硫生產(chǎn)條件下的脫硫工藝探討

來源: 寧夏集團(tuán)

編輯: 阿勇

發(fā)布時(shí)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(jì)的，處理煤氣量為5.5萬方/小時(shí)，設(shè)計(jì)指標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)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(chǎng)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(dá)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(yùn)行帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，在市場(chǎng)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(gè)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(jià)鈷與NaHS反應(yīng)析出硫元素

C_O⁺³＋HS^-1→C_O⁺¹＋S (3)

1.3 再生反應(yīng)：

C_O⁺¹＋O→C_O⁺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(jī)理

2.1 副鹽生成的機(jī)理（溫度說）

溫度是影響硫代硫酸鈉生成率的一個(gè)重要因素，當(dāng)吸收溫度在>30℃時(shí)，提高溫度則能迅速提高反應(yīng)速度，利于對(duì)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(dāng)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(diǎn)已得到廣大科技工作者和生產(chǎn)實(shí)踐者的一致認(rèn)可。

2.2 副鹽生成的機(jī)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(shí)，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(xué)說也得到了廣大科技工作者和生產(chǎn)實(shí)踐者的一致認(rèn)可，是一個(gè)長(zhǎng)期指導(dǎo)脫硫工藝操作的經(jīng)典理論。

2.3 副鹽生成的機(jī)理（單原子硫氧化說）

有學(xué)者通過查閱大量學(xué)術(shù)資料以及實(shí)驗(yàn)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(jìn)行化合而生成S₂分子，但這時(shí)的S的單原子或S₂其穩(wěn)定性都很差，還原性很強(qiáng)（我們叫它活性硫），在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)這時(shí)如果這些活性硫沒有及時(shí)聚合成硫團(tuán)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(shí)有足夠的停留時(shí)間，那么S₂分子就有機(jī)會(huì)進(jìn)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(qiáng)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(tuán)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(shí)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(shí)比脫低硫時(shí)副鹽生成率高的原因），在生產(chǎn)實(shí)踐中這種現(xiàn)象得到了有力的驗(yàn)證。

這樣，對(duì)于副鹽生成就有兩個(gè)鮮明的理論：一個(gè)是對(duì)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S^2-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(gè)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(shí)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(gè)是：出脫硫塔的富液要有足夠的停留時(shí)間。一方面讓富液中HS^-進(jìn)一步氧化,另一方面讓富液中單原子態(tài)的硫之間能進(jìn)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(xì)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(shí)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(bǔ)充。這種方法簡(jiǎn)單，但在去掉復(fù)鹽的同時(shí)，也將價(jià)值昂貴的催化劑和純堿排掉了，不但不經(jīng)濟(jì)，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(dāng)前企業(yè)資金緊張的情況下難以實(shí)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(jī)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(dá)到優(yōu)化脫硫效果，降低脫硫費(fèi)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(gè)重要因素，并且反應(yīng)溫度對(duì)吸收和再生過程都有一定的影響。

當(dāng)吸收溫度在>30℃時(shí)，提高溫度則能迅速提高反應(yīng)速度，利于對(duì)硫化氫的吸收，并且還可使析硫反應(yīng)速度相應(yīng)加快；當(dāng)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(duì)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(jìn)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(huì)加快H₂S的吸收速度，但會(huì)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(jìn)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?yàn)樵谖账幢谎趸腍S^-進(jìn)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(dòng)勢(shì)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(jìn)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(biāo)上限。

4.1.4再生時(shí)間和鼓風(fēng)強(qiáng)度

脫硫液在再生塔內(nèi)停留時(shí)間一般為25-30min，鼓風(fēng)強(qiáng)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(huì)增加副反應(yīng)產(chǎn)物的含量。

脫硫液在循環(huán)槽的停留時(shí)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(huì)使脫硫反應(yīng)速度降低，操作惡化；同時(shí)會(huì)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(dāng)脫硫條件惡化時(shí)，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(shí)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(shí)清理，始終保持足夠的脫硫液停留時(shí)間，從而保證HS^-根的充分氧化和原子態(tài)硫有足夠時(shí)間轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)S₈，避免HS^-根和原子態(tài)硫進(jìn)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(tuán)煤化公司生產(chǎn)技術(shù)科徐敦信）

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