楊建平

（中石化南京化工研究院有限公司，江蘇南京210048）

絡(luò)合鐵（MCS）脫硫技術(shù)為環(huán)境友好技術(shù)，主要用于處理含硫氣體回收硫，在含硫尾氣的高效處理、含硫原料氣的硫磺回收及保障氣體安全輸送等方面具有重要的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。MCS脫硫技術(shù)集脫硫、硫回收以及尾氣處理于一體，具有脫硫效率高、副反應(yīng)小、吸收硫容大，脫硫過程中無“三廢”等特點(diǎn)，屬于濕式氧化還原脫硫技術(shù)。

在目前MCS脫硫技術(shù)不能安全和經(jīng)濟(jì)處理的場合，如脫除高濃度二氧化碳?xì)怏w中的硫化氫達(dá)標(biāo)排放，脫除天然氣中的硫化氫等，筆者通過正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)，為工業(yè)生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)支撐。

1 MCS脫硫原理

MCS脫硫技術(shù)是一種以鐵為催化劑脫除氣體中硫化物的方法，該技術(shù)采用堿性的絡(luò)合鐵溶液吸收H2S，H2S與堿反應(yīng)生成HS-，反應(yīng)過程中高價態(tài)的鐵離子被還原成低價態(tài)，HS-轉(zhuǎn)化成硫磺。在絡(luò)合鐵溶液的再生過程中，含低價態(tài)鐵離子的絡(luò)合鐵溶液與空氣接觸被氧化成高價態(tài)鐵離子的絡(luò)合鐵溶液，恢復(fù)絡(luò)合鐵溶液的氧化性能，進(jìn)而循環(huán)吸收H2S[1]。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)氣體由氮?dú)?、二氧化碳、硫化氫和飽和水蒸氣組成，其中φ(H2S)為1%～3%。

2.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程見圖1。

圖1 試驗(yàn)流程

從配氣罐來的試驗(yàn)氣進(jìn)入吸收塔下部與自上而下的絡(luò)合鐵溶液逆流接觸，試驗(yàn)氣中的H2S被絡(luò)合鐵溶液吸收。脫除了H2S的試驗(yàn)氣經(jīng)冷卻、分離絡(luò)合鐵溶液后放空。吸收了H2S的絡(luò)合鐵溶液從吸收塔底部加壓打入再生塔中，被空氣氧化再生。再生的絡(luò)合鐵溶液進(jìn)入貧液槽，硫磺在貧液槽底部沉降后排放回收，貧液從貧液槽上部流出，經(jīng)貧液泵打入吸收塔中進(jìn)行循環(huán)吸收。再生塔上部出來的CO2經(jīng)再生氣分離器冷卻、分離絡(luò)合鐵溶液后放空。

2.3 試驗(yàn)方法

采用穩(wěn)壓閥調(diào)整試驗(yàn)氣體的壓力在0.010～0.018 MPa，在壓力穩(wěn)定的條件下，利用氣體流量計(jì)控制氣體以15～40 L/h的流量進(jìn)入吸收塔，控制溶液循環(huán)量在1.6～3.0 L/h，凈化后的氣體通過調(diào)節(jié)閥控制塔頂壓力后放空。

3 結(jié)果與討論

絡(luò)合鐵脫硫過程中，脫硫效率、脫硫劑消耗與反應(yīng)溫度、堿量、氣液體積比、空氣量等因素有關(guān)。為探索最佳工藝條件，進(jìn)行四因素三水平的正交試驗(yàn)，因素水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 因素水平設(shè)計(jì)

根據(jù)表1，在脫硫劑評價試驗(yàn)裝置上進(jìn)行正交試驗(yàn)，以脫硫效率、脫硫劑消耗占投加量的比值為評價指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。對脫硫效率和脫硫劑消耗占比數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果分別見表3和表4。

表2 試驗(yàn)組合方案及結(jié)果

表3 脫硫效率 單位：%

表4 脫硫劑消耗占比 單位 ：%

由表3可見：根據(jù)極差R判斷出四因素影響的主次順序?yàn)镃、A、D、B，即氣液體積比、反應(yīng)溫度、O2與H2S體積比、堿量。氣液體積比及反應(yīng)溫度對脫硫凈化指標(biāo)有顯著影響，O2與H2S體積比及堿量沒有顯著影響。

在脫硫過程中需要選擇適宜的氣液體積比，維持脫硫指標(biāo)穩(wěn)定；反應(yīng)溫度低時，反應(yīng)速率慢，凈化指標(biāo)低，但溫度過高時，能耗高，脫硫劑消耗也高；絡(luò)合鐵溶液再生過程中，需要適宜的空氣量保證低價鐵被氧化成高價鐵，從而恢復(fù)脫硫液的吸收性能，空氣量低則低價鐵不能被氧化完全，影響絡(luò)合鐵溶液的再生效果和脫硫凈化指標(biāo)，但空氣量太高，會加快副反應(yīng)的生成，導(dǎo)致脫硫凈化指標(biāo)下降；維持脫硫液為弱堿性，堿量高可提高脫硫凈化指標(biāo)，但堿度過高，會吸收大量的二氧化碳，增加再生負(fù)荷導(dǎo)致脫硫凈化指標(biāo)下降。綜上所述，脫硫效率優(yōu)組合為A2B2C1D2，即：反應(yīng)溫度為 40 ℃，堿量 (ρ)為 25 g/L，氣液體積比為 8，φ(O2)/φ(H2S)的值為 6。

由表4可見：根據(jù)極差R判斷出四因素影響的主次順序?yàn)锳、D、C、B，即反應(yīng)溫度、O2與H2S體積比、氣液體積比、堿量。在該試驗(yàn)范圍內(nèi)，反應(yīng)溫度為40℃時，脫硫劑消耗占比最低，升高或降低反應(yīng)溫度都會增加脫硫劑消耗量。絡(luò)合鐵溶液再生過程中，空氣量低，低價鐵不能被氧化完全，空氣量太高又會加快副反應(yīng)發(fā)生，都會導(dǎo)致脫硫劑消耗量增加。氣液體積比對脫硫劑的消耗存在影響，氣液體積比低，脫硫裝置在低負(fù)荷下運(yùn)行；氣液體積比高，脫硫裝置在超負(fù)荷下運(yùn)行，兩種工況都會導(dǎo)致脫硫劑消耗量增加。向絡(luò)合鐵溶液中加入堿以維持脫硫液為弱堿性，但堿量越高脫硫劑的消耗量越大。綜上所述，脫硫劑消耗的優(yōu)組合為A2B1C2D2，即 ：反應(yīng)溫度為 40 ℃，堿量 (ρ)為 20 g/L，氣液體積比為 10，φ(O2)/φ(H2S)的值為 6。

根據(jù)脫硫凈化評價指標(biāo)對比分析2個優(yōu)組合：①A因素優(yōu)水平為A2；②B因素優(yōu)水平為B2或B1，B2比B1的脫硫凈化指標(biāo)提高14%，脫硫劑消耗增加11%，綜合考慮上述兩方面以及脫硫裝置的操作彈性優(yōu)選B2；③C因素優(yōu)水平C2或C1，C2比C1的脫硫凈化指標(biāo)降低31%，脫硫劑消耗降低28%，C2或C1二種因素影響程度相近，考慮在相同條件下盡量提高裝置的處理能力，C因素優(yōu)水平選擇C2；④D因素優(yōu)水平D2。根據(jù)上述分析確定最終的脫硫凈化優(yōu)組合條件為反應(yīng)溫度40 ℃、堿量 (ρ)為 25 g/L、氣液體積比為 10、φ(O2)/φ(H2S)的值為6。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

在反應(yīng)溫度為 40 ℃、堿量 (ρ)為 25 g/L、氣液體積比為10、φ(O2)/φ(H2S)的值為6的優(yōu)組合條件下，進(jìn)行8組驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從表5可以看出：凈化氣中ρ(H2S)＜6 mg/m3，滿足GB 14554—1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。脫硫劑中絡(luò)合鐵初始質(zhì)量濃度為10.5 g/L，8組重復(fù)試驗(yàn)結(jié)束后分析絡(luò)合鐵質(zhì)量濃度為10.3 g/L，折算脫硫劑消耗占比為1.9%，脫硫劑消耗在合理的區(qū)間內(nèi)。通過驗(yàn)證試驗(yàn)說明脫硫優(yōu)組合條件是合理和經(jīng)濟(jì)的。

表5 優(yōu)組合條件的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

1）通過正交試驗(yàn)極差分析，氣液體積比和反應(yīng)溫度對絡(luò)合鐵脫硫效率的影響具有顯著作用，脫硫效率的優(yōu)組合條件為：反應(yīng)溫度40 ℃，堿量(ρ)25 g/L，氣液體積比為 8，φ(O2)/φ(H2S)的值為 6。

2）通過正交試驗(yàn)極差分析，對脫硫劑消耗的影響因素主次順序?yàn)榉磻?yīng)溫度、O2與H2S體積比、氣液體積比、堿量，脫硫劑消耗的優(yōu)組合條件為反應(yīng)溫度 40 ℃、堿量 (ρ)20 g/L、氣液體積比為 10、φ(O2)/φ(H2S)的值為 6。

3）根據(jù)脫硫效率和脫硫劑消耗的對比分析，最終確定脫硫凈化的優(yōu)組合條件為反應(yīng)溫度40 ℃、堿量 (ρ)25 g/L、氣液體積比為 10、φ(O2)/φ(H2S)的值為6。

4）驗(yàn)證試驗(yàn)表明，脫硫凈化的優(yōu)組合條件是經(jīng)濟(jì)、合理的，對絡(luò)合鐵脫硫裝置具有指導(dǎo)意義。