新型变脱塔在变换气脱硫中的设计与应用

张大涛

（山东晋煤明升达化工有限公司，山东泰安 271400）

山东晋煤明升达化工有限公司，成立于2009年5月，系原山东飞达化工科技有限公司与山东晋煤明水化工集团有限公司合资合作后成立的新公司。公司现为国家级 “高新技术企业”，设有 “博士后科研工作站”、“省级技术中心”和“泰安市橡胶助剂工程技术研究中心”。目前，主导产品的生产能力分别为合成氨120kt／a、尿素180kt／a、橡胶防老剂5 000t／a、食品级二氧化碳20kt／a、甲醇20kt／a、无碳氨水15 000t／a。

公司变换气脱硫装置原为φ3 000× 31 800mm的填料吸收塔改造而成。随着产量的增加，变换气脱硫岗位的装置明显处于超负荷状态，变脱塔压差大、带液、被迫开近路维持生产，变脱后H2S指标无法得到保障，且当时变脱塔、再生槽等设备腐蚀严重，变脱塔塔体多次发生泄漏，成了生产装置的重大安全隐患。能否开发一种投资少，脱硫效率高、节能，又不堵塔，能够长周期稳定运行的新型变脱塔，以解决生产的瓶颈问题，已成为公司的当务之急。

1 设计方案的确定

变换气中H2S的脱除是保证合成氨和尿素生产装置长期稳定运行的关键，是生产工艺控制的重中之重。气体中H2S超标会导致碳酸丙烯酯脱碳系统水冷器壁及填料上沉积硫垢，堵塞填料，造成带液；对铜洗系统，会使铜液吸收H2S生成CuS沉淀，造成铜洗带液、铜耗增加；对尿素和碳铵系统，还会造成设备腐蚀，影响尿素及碳铵产品质量。针对以上危害，我们在方案设计上进行了全面的分析。

1.1 脱硫催化剂的确定

目前，我国氮肥行业变换气脱硫工艺绝大多数采用湿式催化氧化法，脱硫催化剂主要有栲胶、KCA、888、OTS、DDS、PDS等，这些催化剂的原理基本上大同小异，作用各有千秋。栲胶和KCA对变换气中H2S含量较高时，效果较好，但脱硫后H2S的精度不是很理想；888、DDS、OTS等脱硫后变换气中H2S可以达到比较低的指标，但对脱硫前变换气中H2S含量有严格的要求。结合我公司的实际情况，我们确定采用KCA和888两种催化剂混用。

1.2 脱硫塔的确定

目前，我国氮肥行业变换气脱硫基本上采用填料吸收塔和板式吸收塔两种。填料吸收塔约占70%。在填料吸收塔中根据气液分布装置和填料的不同，又有规整填料塔和散装填料塔。填料吸收塔具有结构简单、压力降小、造价低、维修施工方便，且填料可用各种材料制造、耐腐蚀等优点。缺点是气液分布不均匀时吸收效率低、易堵塔，为保持一定的气液比液体的循环量较大，能耗较高。板式吸收塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多。目前，氮肥行业变换气脱硫采用的板式脱硫塔主要有垂直筛板塔、浮阀塔和长春东狮公司研制的QYD型内件变换气脱硫塔。板式塔具有脱硫效率高、处理能力大、操作弹性大、不易堵塔、所需循环量小、能耗低等优点。缺点是结构复杂、造价高投资大、维修施工不便、内件易腐蚀。结合我公司的实际情况，组织相关工程技术人员，多次到兄弟厂家及科研院所进行考察，经过反复论证和工艺、设备方面的计算，公司决定研制一种新型高效变脱塔。

1.3 新型高效变脱塔的原理

新型高效变脱塔充分利用了脱硫反应机理——H2S和碱溶液瞬间反应的特性（其反应速度远远大于CO2与脱硫液的反应速度），气体在液体中鼓泡吸收，利用气体分布装置和气泡再布装置形成大量的小气泡，使气泡在极短的时间内与脱硫液充分混合接触，湍动传质，极大地提高了气体中H2S的吸收速度和净化度，从而大大降低设备的高度和脱硫液的循环量。

该高效变脱塔由塔体、塔板、侧向导气管、气体平衡管、气体分布器和气泡发生器、弓形降液管和液封槽、除沫器以及组装以后形成的持液段等部分组成。

气体流向 气体从塔底部直接进入气体分布器和气泡发生器，从气泡发生器出来以后在持液段内与脱硫液“潜水”快速鼓泡接触（分布器在持液段液面以下），此时气体中的H2S迅速与脱硫碱液发生反应，同时气体以小气泡形式在浮力作用下向上升腾。为了加强气泡与碱液充分接触，防止严重的气液夹带，在气泡升腾过程中，气体分布器将大的气泡进一步破碎，形成无数的小气泡群，从而大大强化了气液传质过程。经过第一级吸收，H2S的脱除率将达到50%～60%。通过初步净化后的气体沿侧向导气管依次进入第二级和第三级吸收，脱硫效率达到98%以上，净化后的气体再经除沫器除去夹带的液滴及硫泡沫后出塔。

液体流向 脱硫液从上部进液管口直接打入上层塔板，吸收部分H2S后，经弓形降液管和液封槽依次溢流至第二和第三层塔板，吸收后经弓形降液管进入塔下部富液区，由变脱塔根部液位调节阀控制进入闪蒸槽，闪蒸后的脱硫富液进入氧化再生槽喷射器氧化再生，再生后的贫液经脱硫泵打入变脱塔，进行下一个循环。

1.4 设计基准

依据公司合成氨系统各岗位生产装置的能力，制定了整体技术方案，并确定了相应的设计基础条件：

设计处理变换气流量 50 000m3／h

变脱塔入口H2S含量 ≤300mg／m3

变脱塔出口H2S含量 ＜10mg／m3

变脱系统压差 ＜0.02MPa

脱硫液循环量 250m3／h

设计基准和条件确定后，我们立即对塔径、塔高和塔体厚度以及人孔直径完成了初步计算，根据计算结果，我们了解到山东有一家化工企业，有相似规格的全新塔设备以较低的价格寻找买家，经考察，买回后立即对该设备按定好的方案进行施工改造。

2 方案的实施

2.1 生产工艺

工艺流程如图1。

图1 工艺流程示意

2.2 主要设备

本改造充分利用原系统动静设备，主要设备见表1。

表1 主要设备一览表

2.3 变脱塔本体的内外部改造

调剂的塔体进公司后，我们立即组织机修车间按制定好的设计施工方案进行改造。

（1）保留原设备上的三层塔板及支撑（原塔板为δ＝8mm，304材质的不锈钢板），去掉原来的6根φ377×4 500×8mm不锈钢无缝管，并将形成的空洞用不锈钢板封堵。

（2）利用尿素车间原退下来的φ700×9 000 ×6mm解吸塔，沿中线切开制作脱硫塔的三层弓形降液管。

（3）利用φ426×10mm的无缝管及弯头制作侧向导气管；利用φ530×10mm、φ108× 4mm、φ159×4mm的无缝管制作气体分布器、气泡发生器及气相平衡管。

（4）制作丝网除沫器及防涡流器

（5）按施工图纸安装和工艺配管；除锈防腐。

（6）并入系统，投入运行。

3 运行效果

3.1 高效变脱塔投入运行前后正常运行效果对比（表2）

通过对比，说明高效变脱塔具有较高的脱硫效率，且操作运行非常稳定。

表2 改造前后硫化氢含量对比

3.2 循环量及能耗方面的对比

笔者将与我公司条件相同采用填料塔的几个企业在循环量、能耗方面与高效变脱塔进行对比，如表3。

表3 高效变脱塔与其他填料塔效果比较

粗略计算，日节电（308－128）×24＝4 320kW·h，年节电1 425 600kW·h。

剔除因系统阻力小，压缩机节电因素，单脱硫泵一项，节电直接经济效益：1 425 600×0.5＝71.28万元／a。

3.3 脱硫液组分

由于变换气中CO2浓度较高（27%左右），采用填料塔吸收时间长，在吸收H2S的同时，吸收了大量的CO2，碱耗较高。高效变脱塔投入运行后，脱硫液组分明显改善，碱耗降低三分之一，总碱度始终在0.4～0.5mol／L，KCA、888脱硫剂添加量不变，副盐含量大幅度降低，贫液中的悬浮硫含量从0.8g／L降至0.2g／L。

4 经济效益

4.1 投资情况

（1）调剂塔设备本体及运输费20万元，吊装费1.5万元。

（2）气体分布器、气泡发生器、降液管、液封槽、侧向导气管、气相平衡管、除沫器等制作及安装费14.5万元。

（3）工艺管线、阀门、仪表等8万元。（4）合计 44万元。

4.2 经济效益

（1）节电效益 71.28万元

（2）节约食用纯碱 原来加碱量360kg／d，改造后200kg／d，年节约量52.8t，按当前市场价1 860元／t计算，年节约9.82万元。

（3）节约活性炭 原脱碳前活性炭脱硫槽每月更换一次，一槽5t，改造后一年更换一次，年节约活性炭脱硫剂55t，价值12.1万元。

（4）合计 年经济效益93.2万元。

5 结 语

高效变脱塔与传统填料塔对比，有以下优点：大大提高了气体净化度；投资小，见效快，节能显著；彻底解决了脱硫塔填料堵塞问题，杜绝了检修扒塔等系列工作，节约了人力物力；操作弹性大，塔阻力小。而且该高效变脱塔特别适应于旧塔改造，改造后单塔生产能力得到大幅度提高。用于新塔设计，由于高度比填料塔大幅度降低，投资费用将节省1／3～1／2。因此，该高效脱硫塔有很好的使用价值和推广价值。