COREX煤氣干法脫硫劑的比選

摘 要

摘要：分析了煤氣干法脫硫的技術(shù)參數(shù)，介紹了常用干法脫硫劑(常溫氧化鐵脫硫劑、活性炭脫硫劑)的性能，對(duì)影響干法脫硫劑性能的工藝參數(shù)進(jìn)行了分析。對(duì)COREX煤氣干法脫硫劑的選用
摘要：分析了煤氣干法脫硫的技術(shù)參數(shù)，介紹了常用干法脫硫劑(常溫氧化鐵脫硫劑、活性炭脫硫劑)的性能，對(duì)影響干法脫硫劑性能的工藝參數(shù)進(jìn)行了分析。對(duì)COREX煤氣干法脫硫劑的選用進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，最終選用活性炭作為脫硫劑。
關(guān)鍵詞：COREX煤氣；干法脫硫；氧化鐵脫硫劑；活性炭脫硫劑
Comparative Selection of Dry Desulfurization Agents for COREX Coal Gas
XU Yong
Abstract：The technical parameters for dry desulfurization of coal gas are analyzed.The performance of conventional dry desulfurization agents like ambient temperature iron oxide desulfurization agent and activated carbon desulfurization agent is introduced.The process parameters affecting the performance of dry desulfurization agents are analyzed.The techno-economic analysis for selection of dry desulfurization agent for COREX coal gas is carried out，and the activated carbon is selected as desulfurization agent.
Key words：COREX coal gas；dry desulfurization；iron oxide desulfurization agent：activated carbon desulfurization agent
    寶鋼股份中厚板分公司COREX爐冶煉副產(chǎn)煤氣(簡稱COREX煤氣)，供自備電廠發(fā)電。COREX煤氣中的硫主要以H2S的形式存在，COREX煤氣中的水分與H2S形成酸性溶液，易造成設(shè)備、管道的腐蝕，縮短了設(shè)備、管道的使用壽命。因此COREX煤氣必須經(jīng)過脫硫至H2S質(zhì)量濃度不大于20mg/m3方可供用戶使用。干法脫硫技術(shù)是煤氣脫硫常使用的一種技術(shù)，常用的脫硫劑為氧化鐵脫硫劑、活性炭脫硫劑[1]。本文對(duì)COREX煤氣干法脫硫劑的比選進(jìn)行探討。
1 煤氣干法脫硫技術(shù)
1.1 技術(shù)參數(shù)
   干法脫硫技術(shù)是以固定床作為酸性組分的反應(yīng)區(qū)，工業(yè)上較多使用的干法脫硫技術(shù)為氧化鐵脫硫法、活性炭脫硫法，一般適用于H2S質(zhì)量濃度不超過2400mg/m3的低含硫氣體脫硫[2]。
    硫容是評(píng)價(jià)脫硫劑性能優(yōu)劣的主要技術(shù)參數(shù)，在同樣的測試環(huán)境中，脫硫劑的硫容越高，表示脫硫劑的脫硫效果越好。硫容是在一定測試條件下，煤氣通過脫硫劑，使H2S與脫硫劑反應(yīng)生成單質(zhì)硫被脫硫劑吸附，從而測定單位質(zhì)量脫硫劑所能吸收的硫的質(zhì)量。硫容彬的計(jì)算式為：
 
式中w——硫容
   m1——測試后脫硫劑的干燥質(zhì)量，g
   m0——測試前脫硫劑的質(zhì)量，g
根據(jù)測試終止點(diǎn)的不同，分為以下3種硫容：
   ① 穿透硫容，指將煤氣通過脫硫劑層，將脫硫后煤氣中剛出現(xiàn)H2S成分時(shí)作為測試終止點(diǎn)得出的硫容。②工作硫容，指將煤氣通過脫硫劑層，將脫硫后煤氣中H2S質(zhì)量濃度達(dá)到20mg/m3時(shí)作為測試終止點(diǎn)得出的硫容。即反映單位質(zhì)量脫硫劑在確保工藝脫硫指標(biāo)時(shí)所能吸收硫的質(zhì)量，因此實(shí)際工作中我們往往關(guān)注的是工作硫容。③飽和硫容，指將煤氣通過脫硫劑層，將脫硫后煤氣中H2S質(zhì)量濃度與脫硫前煤氣H2S質(zhì)量濃度相同時(shí)作為測試終止點(diǎn)得出的硫容。即反映單位質(zhì)量脫硫劑所能吸收的最大的硫質(zhì)量。
    由于氧化鐵脫硫劑存在再生問題，因此將未進(jìn)行過再生的工作硫容稱為單程工作硫容，將再生過多次的工作硫容稱為累積工作硫容。
    硫容主要受工藝參數(shù)中空間速度(指單位時(shí)間內(nèi)單位體積脫硫劑通過的煤氣的體積，簡稱空速)、脫硫劑工作溫度、H2S質(zhì)量濃度影響。
1.2 氧化鐵脫硫法
    最早使用的氧化鐵脫硫劑為沼鐵礦、人工氧化鐵，為增加其孔隙率，以木屑作為脫硫劑填充料，再噴灑適量的水和少量熟石灰，反復(fù)翻曬制成，其pH值一般為8～9，這種氧化鐵脫硫劑的脫硫效率較低，必須采取塔外再生，再生困難。目前，國內(nèi)外應(yīng)用較多的常溫氧化鐵脫硫劑，可進(jìn)行塔內(nèi)再生。常溫氧化鐵脫硫劑的脫硫、再生反應(yīng)為：
   ① 脫硫反應(yīng)
    Fe203·H20+3H2S→Fe2S3·H20+3H20
    Fe203·H20+3H2S→2FeS+S+4H20
   ② 再生反應(yīng)
 
    常溫氧化鐵脫硫劑再生為放熱過程，若再生過快，放熱劇烈，單質(zhì)硫易發(fā)生自燃。雖然常溫氧化鐵脫硫劑再生可令脫硫劑硫容大幅提高，但由于單質(zhì)硫易發(fā)生自燃，須嚴(yán)格控制塔內(nèi)工作溫度。為避免出現(xiàn)事故，實(shí)際應(yīng)用常溫氧化鐵脫硫劑時(shí)，較少進(jìn)行再生反應(yīng)。
1.3 活性炭脫硫法
    活性炭脫硫劑是最早使用的干法脫硫劑之一，至今已有逾70年的歷史。初期采用的活性炭脫硫設(shè)備龐大，再生和硫回收過程較復(fù)雜，在20世紀(jì)50年代逐漸被濕法脫硫法取代。近年來由于活性炭脫硫劑的再生方法得以改進(jìn)和簡化，又開發(fā)了用于精脫硫的活性炭脫硫劑和常溫精脫硫技術(shù)，因此活性炭脫硫法又重新回到人們的視線。活性炭脫硫劑具有硫容大、適應(yīng)性強(qiáng)、可再生使用等優(yōu)點(diǎn)。但活性炭脫硫劑僅限于有氧的情況下使用，無氧時(shí)脫硫能力很低?；钚蕴棵摿蚍ǖ拿摿蛟頌椋?/span>
   H2S+02→H20+S
2 常用干法脫硫劑
2.1 氧化鐵脫硫劑
    ① 常用常溫氧化鐵脫硫劑性能
    工業(yè)中常用的5種常溫氧化鐵脫硫劑的性能見表1[3]。這5種常溫氧化鐵脫硫劑均由氧化鐵加特種助劑、制孔劑、穩(wěn)定劑制成，主要成分相同，但由于不同廠家的調(diào)制配方不同，在一定測試條件下的單程工作硫容不同。由表1可知，EF-2型常溫氧化鐵脫硫劑相對(duì)其他4種常溫氧化鐵脫硫劑，單程工作硫容最高，在同樣的脫硫需求下，使用量最小，可降低脫硫塔的造價(jià)。
表1 工業(yè)中常用的5種常溫氧化鐵脫硫劑的性能
型號(hào)
EF-2
DSF-03
CT-8A
TG-1
T501
單程工作硫容/%
22.5
22.0
18.0
8.0
5.0
   ② 工藝參數(shù)對(duì)EF-2脫硫劑性能的影響
   a. 空速。EF-2型常溫氧化鐵脫硫劑的單程工作硫容隨空速的增大而下降，空速增大1倍，單程工作硫容下降20%～30%。
    b. 工作溫度。當(dāng)煤氣中含水量一定時(shí)，無論處于不飽和狀態(tài)還是飽和狀態(tài)，單程工作硫容受工作溫度影響較小。但煤氣中含有氧氣時(shí)，EF-2常溫氧化鐵脫硫劑易發(fā)生連續(xù)的脫硫與再生反應(yīng)，因此工作溫度一般應(yīng)控制在50℃以下，避免單質(zhì)硫發(fā)生自燃。
    c. H2S質(zhì)量濃度。煤氣中H2S質(zhì)量濃度對(duì)EF-2型常溫氧化鐵脫硫劑的單程工作硫容影響較小。
2.2 活性炭脫硫劑
    ① 常用活性炭脫硫劑性能
    工業(yè)中常用的5種活性炭脫硫劑性能見表2[3]。這5種活性炭脫硫劑均由活性炭加特種助劑、穩(wěn)定劑制成，主要成分相同。由于不同廠家的調(diào)制配方不同，活性炭脫硫劑在一定測試條件下的硫容不同。由表2可知，DSC-02型活性炭脫硫劑相對(duì)其他4種活性炭脫硫劑，工作硫容最高，在同樣的脫硫需求下，使用量最小，可降低脫硫塔的造價(jià)。
表2 工業(yè)中常用的5種活性炭脫硫劑性能
型號(hào)
RS-1
DSC-02
ZY3.0
T102
新華5號(hào)
穿透硫容/%
15.O
24.0
13.0
27.0
21.0
工作硫容/%
23.0
48.0
21.O
37.7
31.0
飽和硫容/%
38.0
55.O
30.0
50.0
44.0
   ② 工藝參數(shù)對(duì)DSC-02脫硫劑性能的影響
   a. 空速。DSC-02型活性炭脫硫劑的硫容隨空速的增大而減小，這是由于空速增大可減小外膜擴(kuò)散阻力，并縮短H2S分子在固定床中的停留時(shí)間，使固定床層過早被穿透。
   b. 工作溫度。硫容隨反應(yīng)溫度的升高而減小，在常溫下飽和硫容可達(dá)55%，脫硫反應(yīng)速度隨工作溫度的升高而提高。
   c. H2S質(zhì)量濃度。在一定條件下增加煤氣中H2S質(zhì)量濃度有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。
3 COREX煤氣脫硫劑比選分析
   測試工況下，煤氣流量為21×104m3/h，H2S質(zhì)量濃度≤154mg/m3，要求脫硫后H2S質(zhì)量濃度≤20mg/m3，脫硫塔連續(xù)工作。針對(duì)以上測試工況，脫硫量按134mg/m3計(jì)算，年脫硫量為246.5t/a。設(shè)定脫硫塔數(shù)量一定，空速選取為500h。EF-2型常溫氧化鐵脫硫劑、DSC-02型活性炭脫硫劑的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)見表3。
表3 兩種脫硫劑的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)
脫硫劑種類
EF-2
DSC-02
脫硫劑更換周期/a
0.5
1.0
脫硫劑年費(fèi)用/元
657.4×104
616.3×104
   由測試結(jié)果可知：
   ① COREX煤氣溫度為50℃，在該溫度下，常溫氧化鐵、活性炭脫硫劑的工作硫容均基本不受影響。但COREX煤氣中氧的體積分?jǐn)?shù)為0.1%，導(dǎo)致EF-2型常溫氧化鐵脫硫劑在塔內(nèi)發(fā)生連續(xù)的脫硫與再生反應(yīng)。由于常溫氧化鐵脫硫劑再生反應(yīng)為放熱反應(yīng)，加之再生時(shí)對(duì)溫度要求非常嚴(yán)格，因此選用EF-2型常溫氧化鐵脫硫劑存在一定的安全隱患，而DSC-02型活性炭脫硫劑則不受影響。
    ② 脫硫反應(yīng)后的常溫氧化鐵脫硫劑在卸料過程中，與空氣大范圍接觸，反應(yīng)放出大量熱量，脫出的單質(zhì)硫極易自燃，從而發(fā)生事故。因此，卸料過程常采用噴水方法，降低白燃可能性。這就造成常溫氧化鐵脫硫劑更換時(shí)，現(xiàn)場環(huán)境惡劣。在更換活性炭脫硫劑時(shí)，可直接采用氣體抽吸卸料或重力卸料方式，節(jié)省人工，現(xiàn)場環(huán)境相對(duì)較好，因此活性炭脫硫劑更適用于COREX煤氣脫硫。
4 結(jié)論
    ① EF-2型常溫氧化鐵脫硫劑與DSC-02型活性炭脫硫劑在適當(dāng)?shù)目账俸凸ぷ鳒囟葪l件下都有較高的硫容，但DSC-02型活性炭脫硫劑的工作硫容更高。
    ② 不但DSC-02型活性炭脫硫劑的費(fèi)用比EF-2型常溫氧化鐵脫硫劑低，而且前者的更換周期可延長1倍，更換時(shí)的安全性及現(xiàn)場環(huán)境更優(yōu)，更適用于COREX煤氣脫硫。
參考文獻(xiàn)：
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[3] 吳家文，宋考平，王朋真.大慶油田天然氣干法脫硫劑的比選與應(yīng)用[J].油田化學(xué)，2007，24(4)：328-332.
 
(本文作者：許泳 寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 上海 201900)