一種新型多效酸性氣體凈化裝置應用

童彥杰，馬亞麗，周慶國，李林航，沈康文，李青澤

(1.武漢科林化工集團有限公司，湖北 武漢 430223;2.武漢中邦化工設計有限公司，湖北 武漢 430223)

近年來，隨著我國社會經濟增速發展，石油化工和煤化工行業也飛速發展，在石油化工行業飛速發展的背景下產生了諸多環保問題，尤其生產過程產生的含硫酸性尾氣，腐蝕設備、污染環境、危害健康[1]。針對近年來日益突出的環境問題，酸性氣高效深度脫硫的工作至關重要[2]。

目前，酸性氣處理的工藝按最終產品劃分，主要分為酸性氣生產硫磺(Claus法、LO-CAT等)和酸性氣生產化工產品(如硫酸、亞硫酸銨、亞硫酸鈉、硫氫化鈉、硫脲等) 兩大類[3]。

Claus法技術成熟，適應復雜組分或濃度的原料氣，處理效果較好，是目前國內大型煉化企業處理酸性氣的主流工藝[4]。但該工藝投資較大，對小型煉化企業而言技術經濟性不佳。

催化氧化濕式脫硫法以LO-CAT工藝為代表，工藝流程簡單，初次投資費用低，但運行成本高，生成的硫磺產品質量不高[5]。

酸性氣干法制酸技術特別適用于處理高濃度 H2S的酸性氣，工藝成熟可靠，其制酸規模不受限制。但缺點也比較明顯，如對原料酸性氣組分的適應性差；
技術經濟性低，工藝流程長，能耗較高；
并且裝置占地大；
在環保方面，有少量酸性污水需要處理[6]。

酸性氣濕法制酸技術應用范圍廣，可直接處理酸性氣體，生產硫酸產品，對原料具有較強的適應性，對氣體組成和負荷的變化也不是很敏感，即使氣體中水分濃度較高(φ>30%)，成品硫酸的質量分數也能達到93%。但工藝流程較長，不適用于小型煉廠[7]。

以酸性氣生產亞硫酸鈉，設備腐蝕嚴重，產品質量受煙氣成分影響大，產品市場需求較小。以酸性氣生產硫脲，裝置投資少，產品質量較好，市場也好，但是傳統工藝二次污染嚴重，環保成本高，甚至難以通過環評。且生產所需氰氨化鈣(或由石灰石自制，但工序多，且能耗高)需要外購，新工藝還有待開發[8]。以酸性氣生產硫氫化鈉，工藝相對較簡單，對氣體組分變化不敏感，操作彈性大，適合小型煉油廠的酸性氣處理，具有投資小、見效快、無二次污染的特點[9]。與其他幾種工藝相比，酸性氣生產硫氫化鈉，流程短、投資省、生產成本低，是技術經濟性較好的工藝方法；
此外，該工藝占用工業用地少，環境友好，裝置無廢渣及廢水產生[10]。

雖然酸性氣制取硫氫化鈉是目前小型煉廠的主要選擇[11]。但是，由于此類環保裝置多半為裝置建成后新增，受用地限制較大，所以能否將裝置用地面積盡可能的小是很多企業需要面臨的一個主要問題。而且在目前開工的裝置中仍然有一些有待改進的問題被發現：如反應器之間的液體管線容易結晶，切換反應器操作流程不夠簡潔方便?；谝陨蠁栴}，我們設計出一種多效酸性尾氣凈化器，其用地面積僅為單個設備大小，工藝流程優化簡潔，操作方便。

酸性氣中主要成分為H2S、H2和輕烴，酸性氣體自下而上通過新型多效酸性氣體凈化裝置，在裝置內酸性氣中H2S被裝置內的堿液吸收，生成NaHS產品。該裝置分為兩級，兩級中分別裝有質量分數32%NaOH溶液作為吸收劑，在多孔材料負載的貴金屬催化劑作用下，與H2S反應生成硫氫化鈉。脫除H2S后的高熱值凈化氣可作為燃料送入燃料氣系統。

該裝置內進行的化學吸收反應分兩步進行，反應的方程式為：

H2S+2NaOH=Na2S+2H2O

(1)

Na2S+H2S=2NaHS

(2)

酸性氣從N1口進入裝置，通過內伸管和分布器，將進入酸性分布在R-101B中，在催化劑的作用下，與堿液進行一級吸收反應。經過一級吸收反應的氣體，通過裝置內部管道，通過R-101A內部氣體分布器，經過兩級吸收后，凈化氣從N2口排出，凈化氣中H2S含量小于10 mg·Nm-3。液體硫氫化鈉滿足GB23937-2009中的標準(L-1或L-2)。

圖1 多效酸性氣體凈化裝置流程圖

通過采用多效氣體凈化裝置處理重整裝置的酸性氣，回收液體硫氫化鈉及燃料氣。該裝置應用于大連福佳大化集團重整裝置酸性氣處理，該多效氣體凈化器的設備直徑為2 m，高度17.15 m。分為上下兩部分，上段高度5.75 m，下段高度5.15 m，每段工作液位高度為4 m。該裝置重整裝置酸性氣及凈化氣組成見表1。

表1 酸性氣凈化前后組成

開車之前，將質量分數32%的NaOH溶液通過堿液泵加壓至0.7 MPa(G)注入至R-101A，待R-101A液位計顯示到達80%液位時，堿液通過多效酸性氣體凈化內部溢流管溢流至R-101B，直至R-101B液位到達80%液位時，關閉堿液泵，停止注堿。此時，每級多效吸收反應器中裝載質量分數32%的NaOH溶液12.56 m3。

自重整裝置來的酸性氣流量為2500 kg/h，經調壓至0．4 MPa(G)后，通過兩級多效吸收反應器，與質量分數32%的NaOH溶液進行反應，隨著酸性氣的通入，多效酸性尾氣凈化器中下段液體中NaOH不斷的與H2S反應生成Na2S和NaHS，其濃度變化如圖2。

從圖2可以看出，在反應前，溶液中僅含有質量濃度為32%NaOH，Na2S和NaHS的質量濃度均為0。隨著酸性氣通入多效氣體凈化裝置后，在反應器中發生反應(1)，NaOH不斷與H2S反應轉換成Na2S，反應43 h后，反應器下段的堿液質量濃度為0，Na2S的質量濃度為27.44%，隨后，反應器中隨著酸性氣的通入，發生反應(2)，Na2S斷與H2S反應轉換成NaHS。在反應至86 h，溶液中的NaOH和Na2S質量濃度均為0，NaHS的質量濃度為35.7%，至此，多效氣體凈化器中的NaOH全部轉化為NaHS，且產品質量達到GB23937-2009中的L-2質量標準要求。凈化氣經多效氣體凈化氣上段二次凈化后，氣體中的H2S含量小于10 mg·Nm-3，進入燃料氣管網作為燃料氣供重整爐使用，每小時節約天然氣約3500 Nm3。

圖2 NaOH、Na2S、NaHS濃度隨反應時間變化趨勢

通過兩級吸收反應器串聯，多效吸收酸性氣，能夠更加有效的脫除酸性氣中的H2S，而且在第一級飽和的情況下，二級反應器仍然可以保持H2S的脫除率，從而保證裝置可靠運行。

凈化氣作為燃料氣，可以大大節省整個項目的燃料氣消耗量，降低整個項目的能耗成本，提高裝置的經濟效益。

NaHS產品達到GB23937-2009中的L-2質量標準要求，可用于染料、選礦、皮草等多個領域。

整個裝置流程簡潔，設備有效結合精簡，造價低，操作簡單，裝置運行經濟效益明顯，高效、經濟的解決裝置的環保難題。