羅海滔 1，趙云清 1，潘小玉 1，王春志 2
（1. 江蘇攬山環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，對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，對煤氣相與貧液 相之間相對速度、傳質面積兩個因素的影響，并對噴淋工藝在真空碳酸鉀法脫硫技術中的應用進行了討論和設計， 為提高真空碳酸鉀法脫硫效率的工程化研究提供了參考。
[關鍵詞] 噴淋工藝；真空碳酸鉀法；相對速度；傳質面積
0 引言
金牛天鐵煤焦化有限公司焦爐煤氣量 70 000 m3 /h，現采用真空碳酸鉀法處理焦爐煤氣含硫，脫硫系統后煤氣含硫 200 mg/m3，無法達到最新的環保標準，對焦爐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，對其在真空碳酸鉀法脫除焦爐煤氣中的應用進行研究。
1 真空碳酸鉀法脫硫工藝概述
焦爐真空碳酸鉀法脫硫系統由脫硫單元、再生單元和制酸單元組成。本文僅針對脫硫單元展開研究。脫硫單元工藝示意圖見圖 1，再生單元來的貧液到達脫硫塔內，首先經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，此時煤氣中硫化氫與貧液中碳酸鉀產生反應。
反應方程式見下：
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為富液，在脫硫塔底富集，通過富液泵泵至再生單元，進行負壓高溫解析。經過與貧液脫硫吸收的煤氣，進入堿洗段。堿洗段與貧液脫硫段通過斷塔盤即堿液集液盤進行隔斷。堿洗段內，煤氣從下到上與 2.5%NaOH 循環液逆向接觸，硫化氫與氫氧化鈉在堿洗段填料表面接觸反應。堿洗吸收后的煤氣通過除沫器后離開煤氣脫硫系統。反應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槽。
填料塔是脫硫吸收過程中的核心設備，尺寸為Φ4 800×33 500。脫硫塔根據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散裝填料拉魯環 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散裝填料拉魯環 38×38×1.4，共有填料 36.2 m3。本文針對貧液脫硫段展開研究。
2 現狀分析
金牛天鐵煤焦化有限公司在長時間運行中，煤氣脫硫塔后含硫最低可達 200 mg/m3 左右，可長時間維持在 500~600 mg/m3。由于目前環保形勢嚴峻，需要對現有工藝進行升級改造。
填料塔內氣液吸收的傳質過程機理，可以用雙膜理論來描述[1]。相際間傳質過程，既與相際間的平衡關系及流體間的物理化學性質有關，又和兩相流體間的流動狀況有關。兩相間的流動狀況，包括氣液兩相擾動、接觸面積、延長停留時間等[2]。
填料塔具有處理能力大、反應效率高、阻力小、液氣比小等優點。填料工藝也有氣液兩相操作范圍小、反應面積小等缺點。填料塔內氣相的速度和液相的流量都不可以隨意變動，易引起液泛現象，影響系統的壓力降和穩定性。填料的選型是綜合可行性、效率、壓降、通量和經濟等因素后擇優選取[3]。
相對填料工藝，噴淋工藝在氣液兩相相對速度、反應面積、液氣比、不易堵塞和結垢等方面有獨特的優勢。
3 噴淋工藝在真空碳酸鉀法脫硫中的工藝研究
3.1 相對速度
整個相際傳質過程的阻力全部體現在兩個停滯膜層中。氣體和液體的相對擾動狀況可以影響膜的厚度，從而影響反應效率[4]。提高氣液兩相之間的相對速度是增加擾動的常用辦法。氣體流速越大，氣膜越??；液體流速越大，液膜越薄，其兩相間的傳質速率越高，反應越充分。
當煤氣處理量達到 70 000 m3 /h 時，填料塔內空塔流速為 1.08 m/s。填料為拉魯環 50×50×1.5，孔隙率為 90%，煤氣通過填料層時流速為 1.2 m/s。煤氣相在經過兩層貧液填料層時反應時間為 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為小粒徑的霧滴。從再生單元來的貧液壓力達到 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到11 m/s[6]。射出的霧滴經過與塔內氣相逆向接觸，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烈，傳質速率更高。
噴淋塔內氣相速度 4~5 m/s 時，其速度是填料塔內氣相速度的 4 倍，在同等氣量下，噴淋塔的直徑可以縮小到 2.4 m，可以大幅度節省場地。
由于是在真空碳酸鉀法基礎上進行噴淋工藝的代入，氣液兩相的反應原理和物化性質不變，因此氣液兩相反應時間仍建議保持 6.7s。
3.2 傳質面積
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計值為 168 m3 /h，由于貧液內含有多種物質，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面積 約為 17 萬 m2 /h。
采用噴淋工藝，貧液將會霧化為粒徑 300~500 μm 的液滴，比表面積可以達到 12 000~20 000 m2/ m3。
而填料塔內采用的拉魯環 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 的傳質面積可以達到為 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反應面積，可以提高傳質速率，進而提供氣液間的反應效率。
3.3 對噴淋工藝展開設計
噴淋工藝中，煤氣相塔內的流速按照 4 m/s 流速取值，塔徑為 2.5 m。氣液兩相間反應時間保持6.7 m，噴淋層總高為 26.8 m。因為貧液進塔壓力達到 2.5 MPa，出噴嘴的霧滴流速高，有效反應距離相應變長，建議設計 6 級噴淋層，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；常規煙氣脫硫液氣比可以達到 25 L/ m3，即噴淋密度可以達到 100 m3 /(m2·h)左右，為了確保項目可以實現塔后硫化氫的排放濃度達到新標準，建議增加兩臺循環泵，流量取值 168 m3 /h，利用塔底吸收液進行內循環吸收，兩臺泵工藝設計中都作為貧液脫硫化氫的備用。在工程中如果貧液無法實現塔后硫化氫的低濃度排放要求，可以開啟循環泵，增加反應效率，確保塔后硫化氫的達標排放。
根據上述研究，對真空碳酸鉀法脫除硫化氫技術中貧液脫硫系統利用噴淋工藝展開設計。噴淋工藝流程示意圖見圖 2。
焦爐荒煤氣從塔底進入脫硫噴淋塔，從下而上分別經過 3 層循環液脫硫層、3 層貧液脫硫層，然后通過斷塔盤進入堿洗段。從再生單元來的貧液利用管道分為 3 層貧液脫硫層，通過噴嘴霧化后，與煤氣逆向接觸并發生反應，反應后的吸收液落入塔底循環液池；循環泵將塔底循環液加壓至 3 層循環液脫硫層進行二次吸收反應，然后落入塔底，形成富液，最終通過管道排至再生單元進行解析。
貧液和循環液的工藝順序，實現吸收液有效成分濃度與煤氣中硫化氫濃度的逆向反應，具有反應更充分、傳質速率高、效率更高的特點。兩臺循環泵可以為一用一備關系，確保系統運行的穩定性。
4 結語
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速度快、反應面積大的優點，且具有更高的傳質速率和效率。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中的應用進行了工藝研究和設計，為工程化研究提供了基礎。
參考文獻
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