以煤为原料的甲醇装置脱硫方案设计应注意的几个方面

以煤为原料甲醇装置脱硫方案设计应注意的几个方面刘卫平（山东红日阿康化工股份有限公司 山东临沂市 276021）我国是一个煤炭资源丰富，石油资源相对贫乏的国家，随着我国经济的快速发展和国际石油价格的持续上涨，我国以煤为原料的能源工业发展迅速，特别是近几年以来，随着汽油价格的上涨，以煤为原料的甲醇装置在我国发展迅猛，装置的规模也越来越大，从几万吨到几十万吨都有。我国前期的甲醇装置以联醇为主，随着市场需求的不断扩大，以单醇为路线的甲醇装置也不断增加，而相应的甲醇装置的设计也在不断的完善和成熟，下面根据本人在甲醇装置建设过程中了解的情况，谈一谈以煤为原料甲醇脱硫装置在设计中应注意的几个方面。一 缩小水煤气脱硫，加大变换后脱硫目前单醇路线的甲醇生产装置，水煤气脱硫和变换后脱硫由于气体中硫含量较高，基本采用湿法脱硫，变换工艺基本采用全气量通过部分变换的全低变工艺，变换催化剂采用耐硫变换催化剂。这种催化剂要求气体中硫含量不低于某一数值，根据不同催化剂厂家的要求，这个数值在80-150mg/Nm3之间。催化剂在使用之前要进行升温硫化，使用过程中如果气体中硫含量偏低，则容易造成催化剂的返硫化，影响催化剂使用效果和变换操作指标。对于脱硫而言，主要目的是脱去气体中的硫，防止硫含量偏高对合成催化剂产生影响，因此要求脱硫后气体中硫含量越低越好，但如果水煤气脱硫后气体中硫含量太低势必会造成变换催化剂的返硫化现象，两者在设计要求上存在一定矛盾，因此，基于以上情况，笔者建议变换前的水煤气脱硫能力在设计上适当降低，甚至取消（关于取消水煤气脱硫方案，笔者曾在另一篇论文中单独论述），并且在水煤气脱硫塔的进出口增加一条短路复线，更好的调节脱硫后气体中的硫含量。而变换后的脱硫，应增大脱硫能力。对于加大变换后的脱硫，虽然投资要增加一些，但降低了精脱硫的负荷，延长了精脱硫剂的使用寿命，同样保证了合成催化剂的使用要求，总的说来还是利大于弊的。以10万吨/年甲醇装置为例，由于目前该装置在建或建成的较多，许多装置水煤气脱硫工段配套的脱硫塔设备直径超过4.5米，甚至由于原料煤中硫含量较高，在水煤气脱硫工段设置两级脱硫，虽然脱硫效果较好，但对于下一工段变换而言，脱硫效果好使气体中硫含量偏低，反而影响变换催化剂的使用条件；同时脱硫塔设计较大，为保证喷淋密度，相应配套循环泵流量增大，使运行费用增加。如果缩小水煤气脱硫能力，加大变换后脱硫效果甚至在变换工段设置两级脱硫，不仅满足变换要求，到达脱硫效果，还可以根据原料煤的硫含量，调节变换后脱硫的设备强度，达到降低运行费用，满足工艺指标，使装置连续稳定运行。二 水煤气脱硫和变换后脱硫分开 对于甲醇和合成氨装置，前面的粗脱硫基本采用湿法脱硫，而湿法脱硫主要是水煤气脱硫和变换后的气体脱硫，这两处脱硫基本采用同一种脱硫方式。在以前的设计中，由于这两处脱硫采用同一种脱硫方式，所以有部分厂家脱硫所需的设备共用一套，即常脱和变脱托共用一个贫液槽、富液槽和喷射再生槽。这种设计的优点主要有以下两点：1 节约投资和占地，这是非常明显的一点，设备共用，减少设备数量，相应设备方面投资减少，占地也相应减少。2 设备数量减少，相应维护强度降低，便于管理。但这种设计通过实际应用，主要有以下缺点：1 在脱硫过程中存在气液之间的传热和传质过程，由于气体中存在灰尘和焦油等杂质，因此，脱硫过程也是个气体的净化过程。 但造气来的水煤气含灰尘等杂质较多，气体较脏，而变换后脱硫的水煤气经过脱硫和变换后，气体较干净，杂质较少。这两种气体的洁净度不同造成水煤气脱硫富液和变换后脱硫富液洁净度不同，水煤气脱硫富液较脏，这两股液体在再生槽内混合，使脱硫液的再生难以调节，影响再生效果。2 操作压力不同。水煤气脱硫操作压力较低，一般为30千帕左右，压力较低，相应脱硫液再生时，操作温度以能达到最优的再生温度为准，而变换压力一般为8公斤或20公斤，变换后有压力的气体进入变脱塔以后，由于气体压力较高，在脱硫过程中的脱硫液溶解能力增加，部分气体特别是二氧化碳溶解在脱硫液中，为使脱硫液更好再生循环利用，脱硫液的再生过程温度应高出水煤气脱硫的再生温度2-3。但如果两股富液进入同一再生槽中，由于互相影响，给操作带来困难。 3 对于脱硫液的再生而言，它要求进入再生槽内的脱硫富液在满足喷射器要求情况下流量和压力尽量稳定，液面波动较小，从而便于脱硫液的再生和硫泡沫的浮选。如果常脱和变脱公用一个再生槽，则进入再生槽的脱硫液有两股，变脱的脱硫液利用变换的压力直接进入再生槽，水煤气脱硫的脱硫液通过富液泵加压后进入再生槽，由于这两股脱硫液来源不同，它们的流量和扬程均不同，在同时进入再生槽过程中互相影响，操作过程的调节也比较困难，使脱硫的稳定性受到较大影响，从而影响脱硫液的再生。鉴于以上情况，水煤气脱硫和变换后脱硫分开，各设一套单独的再生设备，从而达到较好脱硫效果，脱硫能连续稳定运行。三 关于变换后脱硫布置由于变换过程中，水煤气中大部分有机硫水解生成硫化氢，因此变换后气体中硫化氢含量增加，需通过变脱塔脱再次净化，脱除气体中的硫，关于变脱工段的设备布置，不同厂家有不同看法，在设计中可从以下几个方面考虑。1 管理方面 水煤气脱硫和变换后的脱硫，多数厂家均采用同一种脱硫方式，且基本为湿法脱硫。由于采用同一脱硫方式，都需要脱硫塔贫液槽循环泵再生槽等，设备类型基本相近。因此，为了便于管理，水煤气脱硫和变换后脱硫的设备尽量布置在一起，便于统一管理。2 工艺要求和投资方面前面讲过，为了便于管理，水煤气脱硫和变换后脱硫的设备尽量布置在一起，但变脱塔位于变换以后，该设备和水煤气脱硫之间隔着一个压缩工段。如果变脱塔放在变换工段，则脱硫液的进出管线均需来自水煤气脱硫工段，且给管理带来困难；如果把变脱塔也放在水煤气脱硫工段，则变脱塔的水煤气进气管线从需变换工段进入脱硫工段，出气管线须从水煤气脱硫工段进入脱碳工段，由于气相管线相对较粗，管道布置困难，投资相应增加。3 脱碳方式的影响随着甲醇工艺的不断发展，对于甲醇的脱碳方式，由于变压吸附脱碳具有装置自动化程度高，现场清洁整齐，运行费用低等诸多优点，越来越多的厂家选用了变压吸附方式脱碳。同时变压吸附在脱碳的同时具有很好的脱硫效果，为了减轻脱硫的负荷，有的厂家在变换后直接进入脱碳工段，脱碳后气体进入脱硫工段，这样做的好处是利用变压吸附脱硫，当变换后气体中硫含量较低，通过变压吸附可同时达到脱硫效果，则脱碳后的脱硫可不开或低负荷运行，降低运行费用；但缺点是由于进脱碳工段气体直接来自变换，含硫较高，则利用变压吸附脱硫时，放空气中硫化氢含量较高，造成环境污染。四 粗脱硫后气体的处理气体在水煤气脱硫工段，气体从脱硫塔出来以后，由于仍含有水气和其它杂质，最好不要直接进入压缩机，可考虑以下几方面的处理后再进入压缩工段。1 设置洗气塔进行洗涤在脱硫过程中，有少量单质硫进入气体中，同时气体中仍含有焦油等杂质，这些杂质很容易进入压缩工段，堵塞压缩机进口活门，造成压缩机停车清理，影响生产。通过洗涤，把脱硫过程中生成的少量单质硫脱除，进一步净化气体，便于生产稳定。以我公司合成氨装置为例，在设置洗气塔以前，压缩机进口活门经常堵塞，有时一个月清理3-4次，经过改造增设了洗气塔以后，活门清理周期超过3个月以上。根据气体特性，温度越低，体积越小，因此气体经洗涤后，温度降低，体积减小，相应增加了压缩机打气量，提高生产能力。2 除尘器的设置 由于水煤气为易燃易爆气体，因此，对通过水煤气的设备，如果出现故障，需进行设备内部置换后再检修，从而给检修造成困难，建议脱硫工段的静电除尘器设置两台除尘器，一方面可提高气体洁净度，另一方面即使一台出现故障，短时间内对装置影响不大。 3 设置分离器硫化氢在有水存在时，容易电解生成氢离子和硫氢酸根离子，对管道和设备有腐蚀性，而脱硫塔出来的气体，夹带一定量的水气和硫化氢，需通过分离器脱除其中大部分的水再进入压缩工段。五 关于脱硫循环水方面由于脱硫工段冷却塔需要冷却循环水，由于脱硫工段的气体仍然较脏，如果该工段的循环水并入整个甲醇装置的循环水系统，容易污染整个装置的循环水系统，对系统造成影响；如果并入造气工段的循环水系统，由于造气循环水含灰尘焦油等杂质很高，反而会影响脱硫循环水的水质，因此，鉴于以上情况，建议有条件的厂家，脱硫循环水单独设置，从而保证整个装置的连续稳定运行。六 关于硫回收方面对于硫回收，由于其工艺相对简单，操作要求不高，部分厂家在这方面重视程度不够，实际上，从设计到管理，这里面还是有很多工作可做，对于装置的节能降耗以及连续稳定运行还是有很有益处，下面仅谈其中几点。1 熔硫釜选型及硫泡沫槽布置目前硫回收的设备，有间歇式熔硫和连续式熔硫釜两种。对于间歇式熔硫，设备能力小，10万吨/年的甲醇装置需配套两台熔硫釜，有的还要有高位槽等设备，设备占地大，相对而言，连续式熔硫釜设备能力大，10万吨/年的甲醇装置仅1台熔硫釜，设备占地小，操作简便，设备可室外布置，有一定优势。由于硫泡沫粘度较大，从再生槽进入硫泡沫槽的管道要有一定的倾角，而且这两台设备布置尽量靠近，减少管道输送距离，防止管道堵塞，必要时，在管道易堵塞处设置清理口，便于清理。2 注意脱硫残液的回收在熔硫过程中，有一定量的脱硫清液从熔硫釜中排出，这部分液体，温度较高，约150，且其中催化剂含量是贫液的45倍，因此，这部分清液如果直接排走，不仅造成环境污染，而且也造成催化剂的损失，需加以有效的回收利用。通过在部分厂家实际情况来看，这部分清液如果直接进入再生槽利用，由于清液温度较高，催化剂含量大，很容易破坏再生槽内的平衡，使槽内单质硫的生成和浮选困难，影响脱硫的连续和稳定。目前看来较好的处理方式是设置2-3个储槽，使脱硫清液在槽内经过冷却、沉降等步骤，再输送到贫液槽中重复利用。这就要求在设计时，充分考虑清液的处理条件和要求。 3其它方面 对于硫泡沫泵，泵的扬程和流量满足熔硫釜要求，而且由于输送介质含有一定量的颗粒，设备最好采用填料密封方式。硫回收操作有一定的不稳定性和间歇性，因此硫泡沫的输送管道易于腐蚀，有条件的厂家可以选用不锈钢材质的输送管道。 七 其它方面 为了便于置换和安全生产，有条件的厂家可在装置附近设置氮气管道，需要时，用软管连接后即可使用。为了保证稳定运行，对需要调节的参数尽量采用自动调节，提高装置自动化水平，减少操作人员，降低运行费用。为了便于设备、工艺安装和装置操作、检修，在设备布置和工艺配管方面要全面考虑，综合衡量。八 总结 以上是笔者在甲醇装置建设过程中的一点体会，不同的厂家要根据自身的原料情况、现有公用工程情况、产品要求、安全等诸多方面进行综合考虑，从而得出适合于本厂的最优工艺方案。 作者情况如下：姓名：刘卫平 联系电话： 手机：13305499350 办公室：05397112897电子邮件： LWP163籍贯：山东省临沂市毕业学校：华南理工大学 专业：化学工程 毕业时间：1995年职称：工程师出生年月：1972年8月。现在状况：现在红日阿康化工股份有限公司技术开发中心工作，曾任10万吨/年甲醇项目净化工段项目经理单位名称：山东红日阿康化工股份有限公司 技术开发中心 单位地址：山东省 临沂市 罗庄区邮政编码：276021