高硫化氢含量气体脱硫工艺和设备探讨
硫作为煤中的一种组份，当以煤为原料的化工生产中，硫及硫的化合物对生产过程中各种催化剂都有毒害作用；当以煤气为燃料时，其最终生成的SO2的排放会造成大气污染。
在当前的形势下，为降低成本，许多煤化工企业和冶炼、陶瓷、玻璃等以煤气为燃料的工业窑炉企业，开始或计划使用价格相对低廉的高硫煤；部分企业利用粉煤气化、水煤浆气化以及富氧连续制气等先进的煤气化工艺对原有的制气设备和工艺进行了更新换代，以适用烟煤、褐煤等更加低廉的煤种，进一步降低生产成本。而湿式氧化法脱硫做为煤气净化的传统工艺，其投资及对设备材质的要求较低，而且能适应各种浓度的无机硫的脱除。在今后相当长的一段时期内，湿式氧化法脱硫还会存在。
随着越来越多的企业开始劣质煤做原料或燃料，煤气中的H2S含量有了很大程度的提高，原有脱硫系统逐渐出现了系统出口H2S超标、系统阻力增大、堵塔等问题，使得脱硫系统逐渐成为许多企业长期稳定生产的制约因素。出现上述问题的主要原因是，原有脱硫系统的设计思路和性能参数无法适应高硫化氢含量（H2S含量＞3g/Nm3）的操作环境，设备选型和参数不能满足实际需要。
下面从工艺和设备两个方面，对高硫化氢含量湿式氧化法脱硫系统的设计进行简单探讨。
1 工艺系统
湿式氧化法脱硫从其运行压力来分有常压脱硫和加压脱硫。不管湿法脱硫的压力多高，其工艺流程都非常简单，但实际反应机理较复杂，主、副反应交叉进行，氧化还原过程受多种因素影响。工艺流程设置是否合理对于溶液组份及脱硫运行、溶液再生等有很大的影响。关系着脱硫系统能否长期稳定连续运行。
脱硫系统的主要任务：吸收、溶液再生、熔硫。所以脱硫系统从工艺的整体设计方面都需要充分考虑要完成这三方面所必须满足的条件：
（1）进、出粗脱硫系统时煤气中粉尘、焦油要少，煤气得到净化处理。目前较为常用的多为在湿法脱硫系统的进口增加静电除尘器，将煤气中的灰尘、焦油类物质进行捕集净化，减少杂质对脱硫溶液的影响。
（2）在进脱硫塔前增加喷淋塔，便于调节煤气温度和进一步洗涤煤气，特别是夏季气温较高时，便于脱硫系统的稳定运行;为了净化脱硫后的煤气，减少对后序设备特别是压缩机的影响，在脱硫塔后增加二次喷淋塔。
（3）为了稳定脱硫液成份，减少副盐含量，将硫泡沫进行先机械分离后间歇熔硫，尽可能减少对脱硫液进行加热升温。
1.1 常压脱硫
常压脱硫系统的设计要重视系统阻力的控制。受经济形势的影响，越来越多的企业开始选用高硫煤来降低生产成本，这使得煤气中的硫化氢含量大幅度升高，对脱硫系统的设计提出了更高的要求。
对于较高硫化氢含量的脱硫系统，目前采用传统填料塔的单塔或是多级流程，会产生很多问题：
（1）受脱硫效率的限制，单塔流程的脱硫精度很难达到要求；
（2）在较高硫化氢环境下操作，填料塔的阻力上升很快，易发生堵塔；
（3）在多级系统中，两个或以上填料塔的阻力会使得系统的阻力超出期望值，对整个生产系统的动力消耗产生较大影响；
（4）为减轻堵塔，填料塔的循环量不能太低；为防止发生液泛，填料塔的循环量又不能太高。这就使得单纯采用填料塔的脱硫系统很难随煤气中硫化氢含量的变化而灵活调整。
根据多年的工程设计和现场操作经验，建议采用喷淋空塔与填料塔相结合的流程。这种流程可以很好的满足高硫化氢环境。空塔喷淋技术在常压（或微负压）脱硫上运用具有科学性和实用性。近几年来，许多工业化的生产实践也充分证明了这种技术的可能性和可靠性。对于空塔喷淋技术大家并不陌生，很早以前就被运用到脱硫上来，只是由于受到当时技术的局限性（指喷头的雾化技术以及设计安装的合理性没能达到预期的效果），才使这个技术没有被推广开来。就常脱工艺的特殊性看，与其它空塔技术（旋流板、喷射塔、湍球塔）相比，喷淋技术是有发展空间和发展前途的技术。特别在脱高硫上（如焦炉气、天然气）更加显示该技术的优越性。
经过多年的努力，长春东狮公司研制开发适应于脱硫应用的高效雾化喷头，而且设计了一整套灵活巧妙的喷头布置形式，大大提高了脱硫效率，这也为传统的依靠填料为传质介质的脱硫反应向无填料气液直接接触的转化提供了技术保证，通过我们众多的工业化生产事例看，空喷技术在常压脱硫工艺的应用意义十分重大，因为它主要解决了如下诸多问题：
（1）当使用高硫煤制气时，单独使用喷淋空塔或与填料塔相结合可从根本上避免或者在很大程度上减少堵塔问题。
（2）解决系统阻力大的问题，反应段接近零阻力。
（3）提高脱硫液的硫容，降低溶液循环量。
（4）解决设备庞大问题。
（5）降低一次性投资（与填料塔相比，同等条件下要减少30-50%）。
（6）有效的降低了气体输送设备的动力消耗。
（7）调节灵活，易于操作。
1.2 加压脱硫
（1）对于加压脱硫的设计，有的企业为了节省设备投资和运行费用，将加压脱硫与常压脱硫共用一套脱硫液再生系统。在运行过程中由于两个系统的气体成份、运行压力不同而相互影响，导致常压脱硫再生困难，整个系统运行不正常。所以在脱硫系统的设计中，加压脱硫与常压脱硫的再生系统应独立运行。
（2）在加压条件下，煤气中的CO2对脱硫液再生质量和硫泡沫的浮选情况的影响加大。加压系统的设计中应重视闪蒸效果，特殊情况下可考虑增设富液槽，将脱硫液降至常压后，再用泵输送至再生槽。在富液槽中一方面释放大量的CO2气体，另一方面，保证脱硫液在系统中足够的停留时间，便于形成丰富的硫泡沫层。
2 设备设计
设备设计对系统运行起着至关重要的作用，对湿法脱硫而言，设备结构设计影响着脱硫溶液质量的好坏及硫泡沫的生成，直接关系到系统是否能长期稳定运行。
2.1 脱硫塔
脱硫塔是脱硫系统的主要设备，脱硫塔是气液接触吸收气相中H2S及其它酸性气体的载体。在脱硫塔中，吸收H2S是一个快速反应，瞬间完成，而再生的反应速度相对较慢。提高脱硫系统的运行效率，稳定运行脱硫系统，一方面要求气液有充分接触面积和反应时间，主要的是提高系统溶液的再生效率。
脱硫塔结构型式较多，目前大多厂家以填料塔主，填料塔以散装填料为多。散装填料塔具有结构简单、气液流通面积大、阻力小、操作弹性大和运行稳定等特点。
高硫煤的应用以及后工序产品多样化的调整，企业对脱硫要求越来越严格。而填料脱硫塔所带来的弊病也越来越突出，不仅塔越做越大，循环量越来越高，就连净化度也越来越不能满足生产需要（主要是由于塔径越大，气液分布越难造成的）。更让企业头疼的是，填料塔堵塔的现象越来越严重，有的已经严重影响了企业的正常生产。因此对于脱硫塔内件及填料的改造已迫在眉睫。在此形式下，人们开始寻找填料塔的替代或改良方案。
2007年，长春东狮公司与长春工业大学、东北师范大学的合作，研究开发了中、高压原料气脱硫塔专用气液分布传质装置——QYD型加压原料气脱硫塔专用气液复合传质装置，该装置的应用不仅大大提高了气体净化度，扩大了生产能力，而且根本上解决了脱硫塔堵塔的问题。同时也减少了因堵塔造成停车检修的几率，从而大大延长了企业生产运行周期。
QYD型加压原料气脱硫塔专用气液复合传质装置是高效、节能、环保型传质内件，该装置是集传统的诸多塔内件的优点于一身，更加强化气液传质过程，它充分利用了脱硫反应机理——H2S和碱溶液快速的化学反应的原理，采用气液直接接触，并依据H2S含量高低设置特殊的气液接触装置、气泡再布装置，使气液之间动态接触，湍动传质。这不仅大大增加了气液接触面积，使气体在很短的时间内与液体充分混合接触，大大的提高了气体的净化度，而且以此传质装置取代填料，解决了行业脱硫多年来悬而未决的问题——脱硫塔堵塔问题。另外，由于气液接触时间大大缩短，使脱硫原料气中CO2对碱溶液选择性吸收H2S的影响将得到大大的改善，溶液中NaHCO3的生成率也将大大降低。从而提高了贫液质量，降低了溶液循环量。该内件结构简单，安装简便，操作弹性大，塔阻力降低，且投资小，见效快。该装置不仅适应于旧脱硫塔改造，更适用于新塔设计。它是目前加压原料气脱硫塔内件中有推广价值和使用价值的传质内件。它的成功应用必将是脱硫塔内件的一次革命。
QYD型脱硫塔复合传质内件具有以下功能和特点：
（1）如果用于新塔设计，在直径不变的情况下，塔的高度要比填料塔降低1/3左右。
（2）无论用于新塔设计还是旧塔改造，该装置投入运行后，脱硫液的硫容要增加一倍左右，这样溶液的循环量要比填料塔降低30-50%左右。
（3）该装置在用于新塔设计时，由于塔的高度大幅度降低，因此在选取泵的扬程时也要比原来低10米左右，这样大大降低了脱硫系统的动力消耗。
（4）由于气液接触时间大幅度降低（25S左右，三层装），这样脱硫原料气中CO2对脱硫液的影响将得到有效的改善，这更加有利于脱硫液对硫化氢的选择性吸收、溶液的再生、硫泡沫的浮选以及降低NaHCO3的生成率。
（5）如果用于旧塔改造，该装置投入运行后，该塔的生产能力将提高10%以上。
（6）如果用于新塔设计，与填料塔相比，可节省50%的一次性投资费用。
2.2 组合吸收装置
所谓的组合吸收装置，是指利用脱硫塔入口管道和塔底空间，在不增加或者稍微增加设备高度的情况下，通过设置特殊的高效吸收内件，对高硫化氢含量气体进行预脱硫，达到降低脱硫塔入口气体硫化氢含量，减轻脱硫塔负荷，提高脱硫塔出口脱硫精度的目的。
（1）对冲式管道反应器
对冲式管道反应器是长春东狮公司研发的一种高效预脱硫装置，该反应器安装在脱硫塔入口管道上，不增加占地面积，具有脱硫效率高、阻力小、能耗低等特点。对冲式管道反应器利用两相流体对冲雾化机理，脱硫液从吸收器下部向上喷射，形成液柱，气体从反应器上部向下高速冲击液柱，脱硫液被高度雾化，与气体剧烈接触、充分混合，在很短的时间里完成硫化氢的吸收过程。在较高硫化氢含量的情况下，对冲式管道反应器可以达到很高的脱硫效率。实验装置和工程实例表明，在气体中硫化氢含量3-10g/Nm3、常压脱硫的条件下，对冲式管道反应器可以达到30-50%的脱硫效率，脱硫液硫容高可达到0.3-0.7g/L；而在气体中硫化氢含量500-2000mg/Nm3、加压脱硫的条件下，对冲式管道反应器可以达到40-70%的脱硫效率，脱硫液硫容高可达到0.2-0.5g/L。
（2）塔内组合吸收器
塔内组合吸收器是长春东狮公司在QYD传质内件的基础上开发的一种新型吸收装置，该装置安装在脱硫塔底部，取代了原来的气体分布器。在不增加脱硫液循环量的前提下，塔内组合吸收器可以达到20%-30%以上的脱硫效率。塔内组合吸收器主要用于加压脱硫。
2.3 再生槽
再生槽作用是使用喷射器自吸空气促使脱硫溶液氧化再生，对溶液的气提释放CO2及硫泡沫的浮选。上世纪70年代设计的脱硫液再生多以高塔再生为主，其占地小，可节省一台贫液泵。但从操作方面，不利于脱硫液再生情况的观察、调节。自90年代后期自吸空气喷射再生槽已普遍使用。再生槽是脱硫系统的核心设备，自吸喷射器是再生槽的心脏，若设计加工和安装精度达不到技术标准，会出现抽气不力和倒液现象，影响再生效率的提高。常见再生槽液面不起硫沫或硫沫不起气泡，浮选溢流差、溶液悬浮硫高。脱硫系统的再生好坏关键在于再生槽的结构设计。
为了更有利于硫泡沫的浮选，再生槽一般设置有2块分布板，分布板的作用是将脱硫液中气泡进行重新分布，使之弥散成大量的小气泡在上升过程中分布均匀并且能使欲浮选的硫颗粒附着在气泡表面，一方面增大气液接触面积，另一方面稳定再生槽脱硫液液面，以利硫泡沫的有效浮选聚合分离。下层分布板一般距槽底2米，上层分布板距脱硫液面1～1.5米，分布板上孔径通常设置为φ15～20mm，孔间距为20mm左右，且多以三角形排列设计。为了减少硫泡沫的沉积，减少单质硫对再生槽本体的腐蚀，喷射器尾管末端距再生槽底部的距离为600～800mm。
再生槽的有效高度即溶液的实际深度应根据喷射器入口脱硫液体压力而定，若选用的富液泵扬程高、槽径大，可适当增加再生槽的有效高度。喷射器入口液压0.35～0.45MPa，再生槽有效深度5.0～5.5m即可。但须注意富液泵的扬程一般比贫液泵的扬程高，按0.6～0.7MPa选择为宜。另外，进入喷射器的富液通过高位槽（环管）均匀分布，对于多个喷射器的运行更加平稳。再生槽的实际吹风强度亦要大于100m3/（m2·h），生产运行效果较好。
溶液在再生槽中停留的时间，是一项重要设计参数。一般在再生槽中溶液停留时间按10～15min为宜。
对于直径大于8米的再生槽，为了便于浮选在再生槽表面的硫泡沫尽快溢流，减少硫泡沫的停留时间，除在再生槽周边设置大于500mm的溢流槽外，中间还应增加额外的硫泡沫溢流槽。
2.4 富液槽
出脱硫塔的富液要有足够的停留时间，一个是让富液中HS-进一步氧化，另一方面让富液中单原子态的硫之间能进一步充分结合，形成S4，S6及更稳定的S8原子团，最后S8原子团聚合成稳定的硫颗粒。这样，这些细小硫颗粒再到喷射再生槽，吸氧过程中被氧化的几率就大大降低。至于停留时间多少合适，要依据工艺状况以及硫化氢高低来定。
另外，进行高硫化氢含量湿法脱硫系统设计时，应对其水、硫回收等辅助系统给予足够重视。这些辅助系统因为不会在短时间内对脱硫操作产生影响，往往会被人们忽略。
（1）水系统：由于脱硫液在系统中不断循环，与煤气充分接触，水中的离子对系统的影响不可忽略。特别是系统的工艺补充水，包括化碱用的水、脱硫催化剂活化时用水及熔硫系统的冲洗水，应使用软水，防止硬水中的钙、镁离子与硫酸根反应生成沉淀造成系统盐堵或其它部位堵塞。
在脱硫泵的选型时必须注意，泵填料要选择无冷却水的机械密封，否则机械密封的冷却水漏入脱硫液系统很不容易发现。
（2）硫磺回收系统
过去，人们常习惯于连续熔硫，熔硫废液简单处理后重新返回系统，结果造成脱硫液中副盐升高，部分外排置换;熔硫后废液简单处理返回系统后，造成再生槽经常出现虚泡，影响硫泡沫的溢出。随着环保的重视及成本概念提出，现在多数新上装置都将硫泡沫处理系统改为先机械过滤再间歇熔硫。硫泡沫先经过滤将硫膏水分含量降至40%以下熔硫，减少熔硫负荷，排出的残液大大减少。尽可能减少熔硫废液对脱硫系统的影响。
另外，在硫泡沫处理系统的设计当中应注意，硫泡沫槽在运行中必须有搅拌装置，否则，正常生产运行过程中可能造成硫泡沫与脱硫液在泡沫槽中分层，导致硫泡沫处理系统不能正常运行。根据硫泡沫及脱硫液的黏度，搅拌装置通常转速选择为15～20转/分钟。
总之，高硫化氢含量湿法脱硫系统能否长期稳定运行，系统的设计是前提，其次才是脱硫系统的操作管理。除了选择合理的工艺路线外，应该充分重视设备的选型。
