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一、案例背景

某公司新上一套日处理10km3沼气净化装置,该装置分脱硫和脱碳两部分,其中,脱硫装置又分湿法脱硫和干法脱硫两部分,湿法脱硫装置参照国内化肥行业半水煤气脱硫装置的工艺设计,两个干法脱硫罐串联于脱硫塔后。

但在生产过程中,脱硫系统多次出现了脱硫塔效果差、脱硫罐阻力大等问题,以至于两周之内两次停产重新装填脱硫剂,既增大劳动强度又影响正常生产。经多方面分析原因并反复试验,确定新的工艺指标和操作方法。

二、脱硫系统工艺简介

沼气在脱硫塔内与脱硫液逆向接触,脱除硫化氢,经气液分离器去干法脱硫罐二次脱硫,进入压缩机,送脱碳工序。

沼气流程:沼气气柜一脱硫塔一气液分离器一干法脱硫罐一压缩机一脱碳工序。

脱硫液流程:脱硫塔一富液槽一富液泵一再生槽一贫液槽一贫液泵一脱硫塔。

主反应:

H2S+Na2CO3=NaHS+NaHCO3

2NaHS+O2 (TTS)=2S↓+2NaOH

NaOH+NaHCO3=Na2CO3+H2O

副反应:

Na2CO3+H2O+CO2=2NaHCO3

2NaHS+2O2=2Na2S2O3+H2O

干法脱硫:

Fe2O3·H2O+3H2S=Fe2S3·H2O+3H2O

再生:

2Fe2S3·H2O+3O2= 2Fe2O3·H2O+6S

主要工艺指标:

脱硫塔后:H2S≤100ppm

脱硫罐后:H2S~<20ppm

总碱度:0.4~0.6mol/L

Na2CO3:4.0~7.0g/L

NaHCO3:25.0~30.0g/L

脱硫液温度:30~40℃

脱硫液流量:30~40m/h

三、问题分析

1.存在的问题

在脱硫液温度、流量正常的情况下,脱硫塔后、脱硫罐后硫化氢严重超标,脱硫液脱硫效率低,造成大量硫化氢被吸附于脱硫罐中,造成脱硫罐严重堵塞,不得不停产重装处理。

脱硫效率按下式计算:

脱硫效率=(原料气硫化氢含量-脱硫塔后硫化氢含量)/原料气硫化氢含量x100%

H2S超标情况见表1。

2.分析原因

当加入纯碱后,脱硫液的脱硫效果有所好转,脱硫罐后硫化氢含量亦有所降低,说明脱硫塔的脱硫效果在脱硫系统中起主要作用。由于脱硫塔后硫化氢含量太高,造成脱硫罐负荷高,以至脱硫罐严重堵塞,系统不得不停产重装两个串联的脱硫罐,但由于脱硫塔的脱硫效果没有好转,仅两周后又得重装脱硫罐,影响正常生产。

从脱硫液方面看,在装置原始开产时,用软水配了共25m3脱硫液,碳酸钠起始浓度高达48.0g/L,但是仅仅运行了五天,碳酸钠含量急剧下降,虽然每天往脱硫液中加入的纯碱相当于5.0g/L,但并没有阻止碳酸钠含量的下降,而且很快降至指标下限(4.0g/L)以下,具体数据见表2。

从表2数据可以看出,尽管每天加入的纯碱相当于5.0g/L,但并没有控制住碳酸钠含量,而碳酸氢钠含量却一直上升:开产第四天已达到了指标上限的两倍左右,虽然总碱度也一直上升,但总碱度的升高并没有提高脱硫效率。

反复分析问题产生的原因,认为沼气与半水煤气成分有较大差异,尤其是二氧化碳含量的差距更为突出:沼气中CO2在30% ~40% ,而半水煤气CO2仅在8%~10% ,可能是副反应消耗了大量的纯碱,造成了碳酸氢钠含量的居高不下,因为从脱硫反应来看,脱除沼气中硫化氢并不消耗纯碱。为验证这一想法,分析脱硫塔后CO2含量,原料气中CO2为37.4%~42.3% ,脱硫塔后CO2为14.6% 一17.2% 。

从开产之前的数据来看,原料气CO2最高为42.6% ,最低为34.7%。经过脱硫塔后被吸收了气体总体积的15%左右,造成脱硫液中碳酸钠含量的急剧下降和碳酸氢钠含量的迅速升高,使得脱硫效率大为降低。

四、解决方案

要解决脱硫塔脱硫效率低的问题,应控制住脱硫液中碳酸钠和碳酸氢钠的含量。在脱硫液中,碳酸钠为有效成分、碳酸氢钠为无效成分,只加人纯碱不一定能够控制住碳酸钠含量,而且还会进一步增高碳酸氢钠含量。需要采取既能保持碳酸钠含量,提高脱硫效率,还能降低碳酸氢钠的含量方法。从主反应来看,可以加入烧碱。

为避免加烧碱会对生产造成大的影响,采取烧碱和纯碱一起加的方式:先往配碱槽中加人脱硫液2~3m (含碳酸氢钠约100~150kg),然后加入50kg烧碱,待烧碱全部反应后,再加入40kg纯碱和适量脱硫剂,将该脱硫液送人系统脱硫液,脱硫效果见表3。

由表3可以看出,在脱硫液中加入一定量烧碱后,碳酸钠含量得到控制,碳酸氢钠含量也有大幅下降,脱硫效率明显提高。从以上分析数据来看,因碳酸氢钠的含量较高,总碱度不能控制在0.4~0.6mol/L,而应控制在0.7mol/L以上。

五、结语

(1)使用沼气分析仪监测甲烷含量,掌握甲烷回收率、脱硫效率等关键数据,并据此进行厌氧发酵、提纯过程的工艺优化,可以显著提高沼气和生物天然气工程的经济效益。

(2)沼气脱硫不同于半水煤气脱硫,其二氧化碳高的性质决定了其脱硫不能照搬半水煤气脱硫工艺,需要加以改进。

(3)因沼气的二氧化碳量较高,造成脱硫液碳酸氢钠含量高,因此总碱度指标应控制在0.7mol/L以上。

(4)在沼气二氧化碳含量高的情况下,可以往脱硫液中加入一定量的烧碱,但要注意加入量必须参照系统脱硫液中碳酸氢钠含量,必须在配碱槽中加入,不能让烧碱直接进入脱硫液中,特别是在脱硫效率低、碳酸氢钠高的情况下更应如此。

(5)改进后成本没增加多少,但脱硫效率却大大提高,而且还避免了碳酸氢钠含量继续升高。

(6)如果原料气量有变化,脱硫液中碳酸氢钠含量会随生产情况变化,每天加入的烧碱也要随之调整。若碳酸氢钠含量在50~60L或更高时,可只加烧碱。

(7)烧碱溶于脱硫液时会放出大量热,且具有强腐蚀性,操作务必注意安全。

(来源:微信公众号@沼气工程及其测控技术)

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