煤氣化凈化技術選擇與比較
摘要:煤氣化凈(jing)化技術種(zhong)類很多,各(ge)有特(te)點。文章就常見的(de)煤氣化凈(jing)化技術進行了簡單的(de)介紹和(he)對(dui)比。
關鍵詞:脫硫,脫碳(tan)(tan),碳(tan)(tan)酸丙(bing)烯酯,低溫甲醇(chun)洗,碳(tan)(tan)酸鉀,MDEA
煤(mei)(mei)化(hua)(hua)工(gong)是以(yi)煤(mei)(mei)為(wei)原料經化(hua)(hua)學(xue)加工(gong)使煤(mei)(mei)轉(zhuan)化(hua)(hua)為(wei)其他(ta)化(hua)(hua)學(xue)產(chan)(chan)品的(de)過程。從(cong)煤(mei)(mei)氣化(hua)(hua)工(gong)段的(de)工(gong)藝(yi)(yi)氣中發現(xian),除了含(han)有生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)甲醇(chun)和其他(ta)下游產(chan)(chan)品所需的(de)CO, H2 和CO2 外,還(huan)含(han)有大量多(duo)余的(de)CO2 及少量H2S, COS,SO2 等成分(fen),這些碳的(de)氧化(hua)(hua)物(wu)和硫化(hua)(hua)物(wu)是生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)甲醇(chun)或其他(ta)化(hua)(hua)學(xue)品所不(bu)需要(yao)的(de),必須將(jiang)這些雜質(zhi)除去。另外,硫化(hua)(hua)物(wu)通過克勞斯(si)工(gong)藝(yi)(yi)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)硫磺,CO2 可(ke)以(yi)回(hui)收送往(wang)尿素廠(chang)合成尿素,提高經濟(ji)效益變廢(fei)為(wei)寶。
以天(tian)然氣或(huo)石腦油為原料(liao),采用蒸汽轉化(hua)法(fa)造(zao)氣,變換(huan)氣中CO2 的(de)含(han)量(liang)約在(zai)15-23mol%左右。以重(zhong)油或(huo)煤原料(liao),采用部分氧化(hua)法(fa)制氣時,變換(huan)氣中 CO2 的(de)含(han)量(liang)高達(da)35mol%以上。H2S 及有機硫的(de)含(han)量(liang)則(ze)與原料(liao)含(han)硫量(liang)有關,約在(zai)1000ppm 和10000ppm 之(zhi)間(jian)。通過(guo)凈化(hua),使硫化(hua)物(wu)含(han)量(liang)小于(yu)0.2-0.5ppm, CO2 小于(yu)10ppm。
1 硫化物簡介
硫(liu)(liu)(liu)化物中主(zhu)要是硫(liu)(liu)(liu)化氫,約占硫(liu)(liu)(liu)化物總量(liang)的 90%,另(ling)外還含有少量(liang)的有機硫(liu)(liu)(liu)化物,主(zhu)要是二(er)(er)硫(liu)(liu)(liu)化碳,二(er)(er)硫(liu)(liu)(liu)化碳,硫(liu)(liu)(liu)醇(chun),硫(liu)(liu)(liu)醚,硫(liu)(liu)(liu)吩等。
1.1 硫化氫的物理性質
硫(liu)化(hua)氫(qing)(qing)(qing)是一種無色氣體(ti)(ti),有(you)(you)類似(si)腐蛋的臭味,有(you)(you)毒.比空(kong)氣重,易凝為液體(ti)(ti),能溶(rong)于水,在(zai)0℃時 1 體(ti)(ti)積水可吸(xi)收4.65 體(ti)(ti)積的硫(liu)化(hua)氫(qing)(qing)(qing),溶(rong)解熱為4.52 千(qian)卡(ka)/克分子。溶(rong)有(you)(you)硫(liu)化(hua)氫(qing)(qing)(qing)的水溶(rong)液呈(cheng)弱酸(suan)性,生(sheng)產的硫(liu)化(hua)氫(qing)(qing)(qing)極易造(zao)成(cheng)設(she)備的腐蝕。
1.2 硫化氫的化學性質
(1)硫(liu)化(hua)氫能(neng)與(yu)堿(jian)作(zuo)用生成鹽(yan)。因(yin)此,可用堿(jian)性溶液來吸收氣體(ti)中的硫(liu)化(hua)氫。
(2)硫化氫有很(hen)強的還原(yuan)(yuan)能力。在酸(suan)性或堿性溶液內硫化氫可作為還原(yuan)(yuan)劑,而(er)本身被氧化成為硫磺而(er)沉淀出來(lai)。
(3)硫(liu)化氫(qing)較容易與金(jin)(jin)屬(shu),金(jin)(jin)屬(shu)氧化物(wu)(wu)或金(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)鹽(yan)類作用生成金(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)硫(liu)化物(wu)(wu),這就是硫(liu)化氫(qing)能使各種催化劑中(zhong)毒的(de)(de)根(gen)本原因。
2 硫化物的脫除有干法脫硫和濕法脫硫。
2.1 干法脫硫
2.1.1 活性炭吸附法
活性炭脫硫(liu)技(ji)術(shu)在(zai)消(xiao)除SO2 污染的(de)(de)同時可(ke)回收硫(liu)資源,在(zai)較低溫度下(xia)將SO2 氧(yang)化成SO3 并在(zai)同—設備將SO3 轉(zhuan)化成硫(liu)酸,因而是一(yi)種防治污染與資源回收利用相結合的(de)(de)有吸引力的(de)(de)技(ji)術(shu)。
其脫硫機理為:
SO2(g) →SO2* 吸(xi)附(fu)O2(g)→2O* H2O(g)→H2O* SO2*+O*→SO3* 氧化(hua)SO3*+H2O*→H2SO4* 水和H2SO4*+nH2O*→(H2SO4·nH2O)* 稀釋注(zhu):*表示吸(xi)附(fu)態。
吸(xi)附(fu)過(guo)的(de)活(huo)(huo)性炭(焦)經再(zai)(zai)生(sheng)可以獲得硫(liu)酸、液體二(er)氧(yang)化硫(liu)、單質硫(liu)等(deng)產品。活(huo)(huo)性炭(焦)吸(xi)附(fu)變換氣中二(er)氧(yang)化硫(liu)工藝中的(de)吸(xi)附(fu)裝置主要有兩種(zhong)形式:固定(ding)床與移動床。其再(zai)(zai)生(sheng)方法也(ye)主要有兩種(zhong),即(ji)水洗再(zai)(zai)生(sheng)法與加熱再(zai)(zai)生(sheng)法。
2.1.2 鈷-鉬加氫法
鈷(gu)-鉬(mu)加(jia)氫(qing)轉化(hua)是一種有效脫(tuo)(tuo)除(chu)含氫(qing)原料氣中有機硫的(de)預處理措(cuo)施。有機硫化(hua)物(wu)脫(tuo)(tuo)除(chu)較難,但將其加(jia)氫(qing)轉化(hua)成硫比氫(qing)后再(zai)加(jia)以脫(tuo)(tuo)除(chu)就(jiu)容易得多了。該方法能將氣體中的(de)硫化(hua)氫(qing)脫(tuo)(tuo)除(chu)到2×10-6V%以下。在鈷(gu)-鉬(mu)催化(hua)劑的(de)作用下,有機硫加(jia)氫(qing)轉化(hua)成硫化(hua)氫(qing)的(de)反應如下:
CS2+4H2=2H2S+CH4 COS+H2=CO+H2SRCH2SH+H2=RCH3=H2SC4H4S+4H2=C4H10+H=2S
鈷-鉬(mu)催化(hua)(hua)劑系以氧化(hua)(hua)鋁為載體,由氧比(bi)鉬(mu)和氧化(hua)(hua)鈷組(zu)成。氧化(hua)(hua)態的鈷和鉬(mu)加氫活性不大(da),須經硫(liu)化(hua)(hua)后(hou)才(cai)具有相當的活性。硫(liu)化(hua)(hua)后(hou)活性組(zu)分(fen)主要是M oS2 和Co9S8。
干法脫硫的優點(dian)是脫硫凈化度高(gao)。缺(que)點(dian)為(wei)難以或不(bu)能再生;間歇操(cao)作(zuo),設備龐大;不(bu)適合硫含量較高(gao)的場合。
2.2 濕法脫硫
2.2.1 氨法
氨法即是以(NH4)2SO3,NH4HSO3 溶液來吸(xi)收低(di)濃度SO3,然后處理(li)吸(xi)收液,獲得產品的過程。
氨導入洗滌系統(tong)發(fa)生(sheng)下列反應:
NH3+H2O+SO2=NH4HSO3 2NH3+H2O+SO2=(NH4)2SO3
亞硫酸銨對(dui)SO2 有(you)更(geng)好(hao)的吸收(shou)能(neng)力,它是氨法中的主要吸收(shou)劑
(NH4)2SO3+SO2+H2O=2NH4HSO3
氨法實質上是以循環(huan)的(de)(NH4)2SO3,NH 4HSO3 水(shui)溶液(ye)吸收(shou)SO2 的(de)過程。隨著亞(ya)(ya)(ya)硫(liu)酸氫氨比例的(de)增大,吸收(shou)能力降低,須(xu)補充氨水(shui)將亞(ya)(ya)(ya)硫(liu)酸氫銨(an)轉化成亞(ya)(ya)(ya)硫(liu)酸氨。
NH4HSO3+NH3=(NH4)2SO3
另一部分含亞硫酸氫(qing)銨(an)量高(gao)的(de)溶液,可從(cong)洗滌系(xi)統(tong)排出(chu),以各種方(fang)法再生SO2 或者生產某種產品。
2NaHS+4NaVO3+H2O=Na2V4O9+4NaOH+2S↓
氧(yang)化態ADA氧(yang)化焦(jiao)釩酸鈉為(wei)偏(pian)釩酸鈉:
Na2V4O9+2ADA(氧化態)十(shi)2NaOH十(shi)H2O=4NaVO3 十(shi)2ADA(還原態)
在再生塔(ta)中(zhong),還原態(tai)ADA 被(bei)空氣中(zhong)的氧(yang)氧(yang)化成氧(yang)化態(tai):
2ADA(還原態(tai))十(shi)O2=2ADA(氧化態(tai))十(shi)2H2O
經再生后(hou)的溶液可(ke)送入(ru)吸(xi)收塔循環使用
改良ADA 法脫硫液中.還加(jia)有灑(sa)石(shi)酸(suan)鉀鈉,少量三(san)(san)氯化(hua)鐵和乙二胺四乙酸(suan)(EDTA)。酒石(shi)酸(suan)鉀鈉的(de)作用在(zai)于穩定溶液中的(de)釩,防止(zhi)生成“釩—氧— 硫”復合物沉淀;加(jia)入三(san)(san)氯化(hua)鐵,可加(jia)速還原(yuan)態(tai)ADA 的(de)氧化(hua)速度(du);而螯合劑EDTA 的(de)加(jia)入,可防止(zhi)Fe3+ 生成Fe(OH)3 沉淀,EDTA 的(de)加(jia)入量至少應與Fe3+ 等摩爾數(shu)。
濕法脫硫的優點:
(1)適(shi)合于含(han)有(you)大量H2S氣體的脫除(chu)。
(2)脫(tuo)硫液可再生,并能回收硫磺
濕法脫硫的缺點:
(1)脫硫(liu)的凈化度不如干(gan)法脫硫(liu)。
3 二氧化碳的簡介
二氧化碳(tan)是(shi)一種(zhong)無色、無味、無毒的氣體。但能使人窒息,高濃度時略帶酸(suan)味。易溶與水和(he)(he)堿(jian)性溶液(ye)。在甲醇合(he)成中,影響甲醇產品質量,而且易隨(sui)CO 進(jin)入冷(leng)箱(xiang)會結(jie)成干(gan)冰(bing),堵塞(sai)管(guan)道和(he)(he)設備,影響工(gong)廠(chang)長周期運行。因(yin)此,應(ying)將(jiang)其脫除(chu)。對于脫碳(tan)有物理(li)吸收(shou)法(fa)和(he)(he)化學吸收(shou)法(fa)。
4 脫除方法
4.1 物理吸收法
4.1.1 碳酸丙烯酯C4H6O3 法
碳酸丙烯酯脫(tuo)碳是一(yi)種無(wu)色(或帶微黃色)、無(wu)毒(du)、無(wu)腐蝕的(de)透(tou)明(ming)液體(ti),它(ta)對與脫(tuo)除天然氣(qi),合(he)成甲醇(chun)和(he)制(zhi)氫工業(ye)原料(liao)氣(qi)中(zhong)的(de)酸性氣(qi)體(ti)和(he)有機硫化物都是良好的(de)吸收劑。
4.1.1.1 碳酸丙烯酯脫碳的基本原理
碳(tan)酸(suan)丙烯酯脫(tuo)碳(tan)是一(yi)個物理(li)溶(rong)解(jie)過(guo)程,它對于二氧化碳(tan),硫化氫(qing)等酸(suan)性氣體(ti)有(you)比較大的(de)溶(rong)解(jie)度(du),而氫(qing)氮氣在碳(tan)酸(suan)丙烯酯中(zhong)溶(rong)解(jie)度(du)卻(que)很小。
所(suo)以在較(jiao)高的分壓(ya)下能有效地吸收酸性氣體(ti),而在較(jiao)低(di)的壓(ya)力(li)下可以不需熱量而易于再生。
利用碳(tan)(tan)酸(suan)丙(bing)烯酯溶劑脫碳(tan)(tan)比水洗具有容易再生且(qie)能(neng)耗低的(de)(de)特點。在同樣的(de)(de)條件下(xia),吸收能(neng)力是水洗的(de)(de)3~4 倍,由于溶液(ye)的(de)(de)循環量減(jian)小,電耗相應降低。
4.1.1.2 碳酸丙烯酯脫碳法的優缺點
4.1.1.2.1 優點
(1)吸收能力(li)與壓力(li)成正比,特(te)別適于高壓下(xia)進(jin)行。
(2)溶劑的(de)蒸汽壓(ya)低(di),可(ke)以在常溫下吸(xi)收。
(3)吸(xi)收CO2 以(yi)后的富液經(jing)減(jian)壓(ya)解吸(xi)或鼓入空氣。可使之得到再生(sheng)。只需消耗熱量。
4.1.1.2.2 缺點
(1)溶液(ye)價格(ge)較高(gao)。
(2)溶(rong)液稍有漏損(sun)就(jiu)會造(zao)成操(cao)作(zuo)費用的(de)增高。
4.1.2 低溫甲醇洗法
甲醇是(shi)(shi)一種(zhong)無色、易(yi)燃、極易(yi)揮發的(de)液體。低(di)溫(wen)甲醇洗工藝是(shi)(shi)指在(zai)低(di)溫(wen)條件下用甲醇對工藝氣(qi)進(jin)行(xing)洗滌(di),溶(rong)解(jie)(jie)其中的(de)酸性氣(qi)體。再(zai)經過(guo)閃蒸、再(zai)生等過(guo)程回收(shou)甲醇的(de)過(guo)程。主要是(shi)(shi)利用了酸性氣(qi)體在(zai)低(di)溫(wen)甲醇中的(de)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)比較(jiao)大,而有效氣(qi)體CO 和 H2 的(de)溶(rong)解(jie)(jie)度(du)比較(jiao)小的(de)原理在(zai)低(di)溫(wen)條件下進(jin)行(xing)洗滌(di)酸性氣(qi),在(zai)高溫(wen)下進(jin)行(xing)解(jie)(jie)析(xi)的(de)原理。
4.1.2.1 低溫甲醇洗的優缺點
4.1.2.1.1 優點
(1)甲醇(chun)在(zai)低溫(wen)高壓下,對(dui)CO2,H2S,COS 有極大的溶解度。
(2)有(you)較強的選(xuan)擇性(xing)。
(3)雖(sui)然甲醇的(de)沸點較(jiao)低,但在低溫(wen)下的(de)平衡蒸(zheng)汽(qi)壓仍很小,因此溶劑損(sun)失小。
(4)化學穩定(ding)性和(he)熱(re)穩定(ding)件好(hao),在吸收過(guo)程(cheng)中不起(qi)泡,能(neng)與水互溶(rong),可利用它來干燥原(yuan)料(liao)氣。
(5)粘度小。
(6)腐(fu)蝕(shi)性小,不需要特殊防腐(fu)材料(liao)。
(7)消耗(hao)指標低,蒸汽為:250kg/tNH3,電力23 度/tNH3.
(8)甲醇價廉易得。
4.1.2.1.2 缺點
(1)由于低溫甲醇(chun)沉在(zai)低溫下操作,因(yin)而對設備和管道的材質(zhi)要求(qiu)較(jiao)高,在(zai)制(zhi)造上也有一定的難度;
(2)為了降低能(neng)耗,回收冷量,換熱(re)設備(bei)特別(bie)多,流(liu)程顯(xian)得很復雜,投資費用較大;
(3)盡管甲醇是(shi)一種低價、易得的溶劑,但(dan)有毒,給操作和維修帶來(lai)一系列困難。
4.2 化學吸收法
熱碳(tan)酸鉀法脫(tuo)除(chu)CO2
4.3 碳(tan)酸鉀(jia)水溶液具有強堿性(xing),它與CO2 的反應如(ru)下:
CO2+K2CO3+H2O=2KHCO3
生成(cheng)的(de)KHCO3 在減壓和受熱時,解吸出CO2,溶液重新再生為K2CO3 循環使用。
為了提高碳(tan)酸鉀(jia)吸(xi)收二(er)氧(yang)化碳(tan)的反(fan)應(ying)速度,吸(xi)收操作是在較高溫(wen)度(105 一(yi)130℃)下(xia)進行,因此該法(fa)又(you)稱(cheng)作熱碳(tan)酸鉀(jia)法(fa)。熱法(fa)有(you)(you)利于提高KHCO3 的溶(rong)(rong)(rong)解度,并應(ying)用(yong)濃度較高的K2CO3 溶(rong)(rong)(rong)液(ye)以提高吸(xi)收CO2 的能(neng)力(li)。但在此溫(wen)度下(xia),以單純的K2CO3 水(shui)溶(rong)(rong)(rong)液(ye)吸(xi)收CO2,其吸(xi)收速率(lv)仍很慢,而且對設備腐蝕(shi)嚴重。在溶(rong)(rong)(rong)液(ye)中加(jia)(jia)入某(mou)些活化劑則可大(da)大(da)加(jia)(jia)快對CO2 的吸(xi)收速度。可作為活化劑的有(you)(you):三氧(yang)化二(er)砷、硼酸或磷酸的無(wu)機鹽以及氨基乙(yi)酸、二(er)乙(yi)撐三胺(an)(an),一(yi)乙(yi)醇胺(an)(an)、二(er)乙(yi)醇胺(an)(an)、二(er)甲胺(an)(an)基乙(yi)醇等(deng)有(you)(you)機胺(an)(an)類。為了減輕強堿液(ye)對設備的腐蝕(shi),在溶(rong)(rong)(rong)液(ye)中還加(jia)(jia)有(you)(you)緩蝕(shi)劑。這樣,吸(xi)收和再生的主要設備可用(yong)碳(tan)鋼制造。
4.3.1 熱碳酸鉀法脫除CO2 的優缺點
4.3.1.1 優點
(1)在較高(gao)溫(wen)度(du)下(xia)進(jin)行操作,大大加快(kuai)了吸收二氧(yang)化碳的速度(du);
(2)高(gao)溫下可(ke)以提高(gao)碳酸鉀的(de)溶解度(du),從而可(ke)以使用較高(gao)濃度(du)的(de)碳酸鉀溶液,增大溶液吸收二氧化碳的(de)能力;
(3)吸收和再生可在相(xiang)近的溫度下進行,再生所需熱(re)量少(shao),因而可以大大減小熱(re)交換器和冷卻器等設(she)備的體積(ji)。
4.3.1.2 缺點
(1)溶液易腐蝕碳鋼設備(bei)。
(2)溶(rong)液起泡對碳鋼設備腐(fu)蝕(shi)。
4.4 MDEA 法
MDEA(N-Methyldiethanolamine) 即(ji)N-甲(jia)基二乙醇(chun)胺(an),分子式為CH3-N(CH2CH2OH)2,分子量119.2,沸點(dian)246~248℃,閃點(dian)260℃,凝固點(dian)-21℃,汽化潛熱519.16KJ/Kg,能與水和醇(chun)混溶,微溶于醚。在一(yi)定條(tiao)件下,對二氧化碳等(deng)酸性氣(qi)體有(you)很強的吸(xi)收能力,而(er)且反應熱小(xiao),解吸(xi)溫度低,化學性質穩定,無(wu)毒不降解。
純MDEA 溶(rong)液(ye)與CO2 不發生反(fan)應,但其(qi)水溶(rong)液(ye)與CO2 可按(an)下式反(fan)應:
CO2 + H2O == H+ + HCO3 - (1)
H+ + R2NCH3 == R2NCH3H+ (2)
式(shi)(1)受液膜控制,反應速率極慢,式(shi)(2)則(ze)為瞬間(jian)可逆反應,因此式(shi)(1)為MDEA 吸收CO2 的(de)控制步(bu)驟,為加(jia)快吸收速率,在MDEA 溶(rong)液中加(jia)入1~5% 的(de)活化(hua)劑DEA(R2 /NH)后,反應按下式(shi)進行:
R2 /NH + CO2 == R2 /NCOOH (3)
R2 /NCOOH + R2NCH3 + H2O == R2 /NH + R2CH3NH+HCO3 - (4)
(3)+(4): R2NCH3 + CO2 + H2O == R2CH3NH+HCO3 - (5)
由式(3)~(5)可(ke)知,活化劑吸(xi)(xi)收(shou)了(le)CO2,向液(ye)相(xiang)傳遞(di)CO2,大(da)大(da)加快(kuai)了(le)反應(ying)速度,而MDEA 又被(bei)再生(sheng)。MDEA 分子含有一個叔(shu)胺基團,吸(xi)(xi)收(shou)CO2 后生(sheng)成(cheng)碳酸氫鹽(yan),加熱再生(sheng)時遠比伯仲胺生(sheng)成(cheng)的(de)氨基甲酸鹽(yan)所需的(de)熱量低得多。
4.4.1 MEDA 法的優缺點
4.4.1.1 優點
(1)易于再生。
(2)熱耗低。
(3)對碳鋼(gang)不腐蝕(shi)。
4.4.1.2 缺點
(4)對CO2 的吸收速率較小
參考文獻
[1] 曾之平,王扶(fu)明.化(hua)工(gong)工(gong)藝學(xue),化(hua)學(xue)工(gong)業出版社,2005:
[2] 孫廣(guang)庭,吳玉峰.中(zhong)型合(he)成氨廠生(sheng)產(chan)工(gong)藝與操作問答,化學工(gong)業出版社,1985:
[3] 雷仲存.工業(ye)脫硫技術.化學工業(ye)出版社,2000:

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