NHD技術(shù)用于合成氣脫硫脫碳工程及設計方案

化學(xué)工程2000年第28卷第3期NHD技術(shù)用于合成氣脫硫脫碳工程及設計方案林民鴻郭淑翠(南化集團研究院,南京210048)(河北藁城市化肥總廠(chǎng))NHD法脫硫脫碳凈化技術(shù)是一種髙效節能的物理吸收方法。文中闡述了NH溶劑的優(yōu)良應用性能及其用于脫硫脫碳的先進(jìn)設計方案。河北省蘂城市化肥總廠(chǎng)等十幾套NHD脫硫脫碳工業(yè)裝置的成功投產(chǎn),取得顯著(zhù)的綜合經(jīng)濟效益,為NHD工藝的廣泛應用提供了豐富的生產(chǎn)、工程經(jīng)驗。關(guān)鍵詞:合成氣脫硫脫碳NHD技術(shù)聚乙二醇二甲醚是一種物理吸收溶劑,廣泛用于燃點(diǎn),157C天然氣、燃料氣、合成氣等混合氣體中H2S、CO2、COS、1.2應用性能烴、硫醇等組分的吸收,在國外稱(chēng)之為Seleⅹo工藝(1)吸收CO2、H3S、COS等氣體的能力強,溶液該工藝是“低能耗”大型氨廠(chǎng)的重要組成部分,是國循環(huán)量小。根據廣義酸堿理論,在聚乙二醇二甲醚分際公認的節能工藝子結構中,醚基團內的氧為硬堿性中心,而CH3和國內南化集團研究院成功開(kāi)發(fā)了類(lèi)似的NHD凈CH2CH2基團則為軟酸部分。因此,該溶劑對硬化工藝。NHD溶劑的物化性質(zhì)與 Selexol接近,但其酸性氣體(如HsS,CO2)和軟堿性氣體(如硫醇、CS組分含量與分子量都不同該技術(shù)通過(guò)化工部鑒定,并和COS)均有較大的溶解能力。表1是NHD與其他物被列入“九五”國家級科技成果重點(diǎn)推廣計劃。專(zhuān)家理溶劑溶解能力的相對比較(以碳丙為基準1.00)認為,NHD法用于脫硫脫碳,具有能耗低、凈化度高表1溶解能力的相對比較操作穩定、設備及流程比較簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),目前已在河北藁城市化肥總廠(chǎng)、山東郯城化肥廠(chǎng)等多家中小化肥碳酸丙烯酯聚乙二醇二甲醚N甲基吡咯烷酮PCNHDNMP廠(chǎng)應用,并且取得了較好的經(jīng)濟效益。該技術(shù)屬?lài)鴥菴O21.001.101.00首創(chuàng ),具有國際先進(jìn)水平,特別適用于以煤為原料,酸HS2.823.10性氣含量高的氨合成氣、甲醇合成氣和羰基合成氣的COS1.00凈化,以及天然氣、油田氣、煉廠(chǎng)氣、城市煤氣中酸性氣體的脫除,適合我國國情。(2)選擇性吸收HS和COS等氣體。以CO2的溶解度為100,各種氣體在NHD溶劑中的相對溶解度如NHD溶劑的物理性質(zhì)和應用性能表2。從表2可見(jiàn),NHD溶劑對H3S和COS的選擇吸NHD溶劑的主要成分是聚乙二醇二甲醚的同系收性好物,分子式為CHO(C2HO)CH3,n=2~8,平均分表2各種氣體在NHD溶劑中的相對溶解度子量為250~280。同系物中,四乙二醇二甲醚、五乙組分H, CO CH, CO, COS H2S醇二甲醚及六乙二醇二甲醚具有優(yōu)良的使用性能,其含量越高越好。相對溶解度1.32.86.71.I物理性質(zhì)(25C)密度,1027kg/m3(3)凈化度高。在一個(gè)吸收塔內,NHD溶劑可將蒸汽壓,0.093PaHS中國煤化脫除到1×10-6,CO,脫表面張力,0.034N/n除到粘度,4.3MPa·s樣高的小 CNMH物理吸收溶劑達不到這比熱,2100J/(kg:K)(4)蒸汽壓低。NHD溶劑的蒸汽壓極低,約為碳導熱系數,0.18W/(m·K)丙的1/150,因此,揮發(fā)損失很小。在工藝流程上,可冰點(diǎn),-22~-29C不設溶劑洗滌回收裝置,流程短閃點(diǎn),151C(5)無(wú)腐蝕性。NHD溶劑無(wú)腐蝕性。因此,NHD林民鴻等NHD技術(shù)用于合成氣脫硫脫碳工程及設計方案凈化裝置可用碳鋼制作,節省投資費用閃蒸后的溶液,再進(jìn)入再生塔,再生塔底有惰性氣體6)化學(xué)穩定性和熱穩定性好。NHD溶劑不氧(通常是空氣)鼓入,減低了氣相CO2分壓,增強了傳化、不降解、不水解、不熱解質(zhì)推動(dòng)力,實(shí)現了溶解氣體的解析過(guò)程。在脫硫過(guò)程⑦)不起泡。溶劑本身不起泡。操作時(shí),不需添中,為了防止硫化氬的氧化而析岀單質(zhì)硫,以及荻得加消泡劑。較高的凈化度,再生常為熱再生。此時(shí)可利用變換氣(8)無(wú)毒性。NHD溶劑無(wú)毒、無(wú)臭、無(wú)味,若進(jìn)的熱量,提高溶液溫度,蒸發(fā)岀的水蒸氣又可作為氣入大氣,可被周?chē)h(huán)境中生物分解,對人和生物無(wú)毒提介質(zhì),保證了再生貧液有較高的貧度。害,也不會(huì )污染環(huán)境2.2NHD脫硫工藝流程(見(jiàn)圖1)(9)能耗低。NHD溶劑系物理吸收溶劑。再生變換氣進(jìn)入脫硫塔底,與自上而下的NHD貧液時(shí),只需空氣氣提,可節約大量再生能耗逆流接觸。其中的硫化氫、硫氧化碳和一小部分二氧化碳被脫除掉,脫硫氣從塔頂離開(kāi)系統。NHD富液減2NHD脫硫脫碳設計方案壓,進(jìn)入閃蒸槽,閃蒸出所溶氫、氮氣和部分二氧化2.1吸收機理及設計思路碳。閃蒸氣返回系統,閃蒸液流入再生塔頂部,在塔NHD凈化技術(shù)屬物理吸收過(guò)程。COS、H3S在內自上而下地噴淋,塔底溶液由變煮器加熱,產(chǎn)生水NHD溶劑中的溶解度能較好地用亨利定律來(lái)描述。蒸氣進(jìn)一步使溶液得到再生,再生后的貧液經(jīng)水冷后當CO分壓小于IMPa時(shí),氣相壓力與液相濃度的關(guān)返回脫硫塔頂循環(huán)使用。系也基本符合亨利定律。因此,H2S和CO2在NHD溶2.3NHD脫碳工藝流程(見(jiàn)圖2劑中的溶解度隨壓力升高,溫度降低而增大,這時(shí)進(jìn)脫碳流程中,吸收塔及髙壓閃蒸槽旳設置與脫硫行氣體吸收過(guò)程,降低壓力,升高溫度即可實(shí)現溶劑相同。不同的地方,一是增加了低壓閃蒸槽。低壓閃的再生蒸氣中的CO2濃度大于98.5%,可供尿素生產(chǎn)用。二根據以上機理,NHD脫硫和(或)脫碳旳基本流是惰性氣體氣提再生代替脫硫時(shí)的熱再生,大大節約程為吸收塔→亠閃蒸槽→再生塔。在吸收塔高壓(相了能耗。三是氨冷器代替了脫硫時(shí)的水冷器。因為脫對)低溫工況下,NHD貧液中溶解氣體的對應平衡分碳過(guò)程中,沒(méi)有加熱過(guò)程,氨冷器的設置不會(huì )產(chǎn)生冷壓小于氣相中此類(lèi)氣體的分壓,這些氣體就溶于NHD熱病,僅是補充冷損,使進(jìn)入脫碳塔貧液溫度降到θC溶液中,完成了吸收過(guò)程。然后NHD富液減壓,進(jìn)入左右,大大提高了凈化度,降低溶液循環(huán)量,降低了閃蒸槽,閃蒸岀所溶(溶解度較小)的有效氣體及部能耗,減少了設備投資分二氧化碳等,閃蒸氣返回系統,減小有效氣體損失。再生氣(COS<1×10-6,總硫<1×10-8)脫硫氣水NHD溶劑回系統變換氣閃蒸槽換熱器變煮器中國煤化工CNMHG圖1NHD脫硫工藝流程化學(xué)工程年第28卷第3期(Co<0.1%)放空脫碳氣(返回系統)〔去尿素)脫碳塔高閃氣低閃氣氮冷器高壓閃蒸槽低壓閃蒸槽惰性氣體變脫氣圖2NHD脫碳工藝流程2.4NHD凈化流程組合投入量。缺點(diǎn)是投資費用較高。根據不同的工況條件及凈化指標,NHD凈化流程在設計中,采用新型的液體分布器、填料支承板可靈活分解、組合來(lái)達到生產(chǎn)要求。和液體再分布器,使液體分布均勻,促使氣體分布均2.4.1NHD脫硫串NHD脫碳勻。填料支承板開(kāi)孔率高,流體阻力小,結構緊湊合在變換后,設置NHD脫硫串NHD脫碳。變換氣理,降低塔高,最終保證了高傳質(zhì)效率先脫硫后脫碳,NHD脫硫液和NHD脫碳液自成系2.5.2閃蒸槽統,分別循環(huán)。本流程已在10萬(wàn)噸氨/年工業(yè)裝置上閃蒸槽是使溶解氣體從溶液中解吸出來(lái)的裝置。成功應用。槽的外形尺寸及內件的設計應有利于溶解氣體的平穩2.4.2濕法脫硫串NHD脫碳解吸。閃蒸氣岀口處應設除沫網(wǎng)捕集溶劑霧沫變換氣先經(jīng)栲膠、KCA改良ADA等方法脫硫2.5.3材料選用后,再用NHD脫碳。本流程已在很多中小型氨廠(chǎng)投NHD凈化系統的絕大多數設備都用碳鋼制作,入使用,生產(chǎn)液氨、尿素、甲醇等產(chǎn)品。填料可采用塑料,但需檢驗。2.4.3NHD脫碳流程的組合變化(1)若脫碳指標要求低,可刪去氣提塔,僅用閃3NHD脫硫的工業(yè)應用蒸再生南化院已將NHD脫硫技術(shù)推廣應用于某10萬(wàn)(2)若低壓閃蒸槽逸出的二氧化碳無(wú)用途,可刪噸氨/年工業(yè)裝置。進(jìn)脫硫塔變換氣含CO243%,HS去低壓閃蒸槽,其作用在氣提塔中一并完成1.0%,出脫硫塔的脫硫氣含H2S為1~2×10-6,CO2(3)若用熱再生或惰性氣體(不含氧氣)氣提再約38%。由于設置了提濃塔,再生氣含H2S>25%,送,則在塔亠槽亠塔流程中,一次冋時(shí)完成脫硫脫克芬斯裝置制取硫磺南化院還將NHD脫硫技術(shù)推廣應用到某有機合(4)采用空氣氣提再生的脫碳流程,也可將變換成廠(chǎng),脫除其原料氣中的硫氧化碳。進(jìn)裝置的原料氣氣中少量硫化氬和硫氧化碳脫除到θ.1×10-6。含CQ中國煤化工中cOS已降到7×10-62.5主要設備設計及優(yōu)化以下CNMHG2.5.1塔NHD凈化工藝的幾個(gè)塔器是完成吸收、再生分4NHD脫碳的工業(yè)應用離等重要傳質(zhì)設備,都選用填料塔。與板式塔相比,南化院開(kāi)發(fā)的NHD脫碳的工業(yè)應用已有十幾個(gè)填料塔操作比較穩定,尤其適于進(jìn)塔氣常用量波動(dòng)的實(shí)例,裝置規模達10萬(wàn)噸氨/年,脫碳壓力從1.5~情況。填料塔壓降低,持液量少,可減少第一次溶劑4.AMPa,脫碳指標可達到.1%以下。這些投運的工林民鴻等NHD技術(shù)用于合成氣脫硫脫碳工程及設計方案業(yè)裝置,包括新建和原碳丙工藝的改造,經(jīng)濟效益顯4.1藁化NHD脫碳工藝流程(見(jiàn)圖3)著(zhù)。以5~10萬(wàn)噸/年合成氨裝置為例,NHD工藝比其干法脫硫后的變換氣回壓縮加壓后進(jìn)入脫碳系他工藝,年節支增收300~800萬(wàn)元。統,經(jīng)換熱器及氣水分離器后進(jìn)入脫碳塔底部,在塔河北藁城市化肥總廠(chǎng)就是NHD脫碳工業(yè)應用的內與上部噴淋下來(lái)的NHD溶液逆流接觸。原料氣中范例。該廠(chǎng)系以塊煤為原料的小化肥廠(chǎng)。1994年甲醇O2被吸收,脫碳氣經(jīng)分離器后去壓縮工段。吸收CO投產(chǎn),與其相配套的是2萬(wàn)噸氨/年的NHD脫碳裝后的NHD富液進(jìn)入高壓閃蒸槽,閃蒸回收溶液中所置。1997年4月又建成投產(chǎn)了6萬(wàn)噸/年尿素裝置,脫溶的H2、N2及部分CO2氣。溶液再進(jìn)入低壓閃蒸槽,碳仍采用南化研究院的NHD技術(shù)。投入這兩套脫碳閃蒸岀高純度的CO2供尿素使用。溶液由富液泵打至裝置的NHD溶劑都由該廠(chǎng)自行生產(chǎn),質(zhì)量較好。至今氣提塔,由空氣氣提再生,貧液由貧液泵加壓至氨冷已分別運轉4年及1年,運行正常,各項技術(shù)經(jīng)濟指卻器,送入脫碳塔頂部循環(huán)使用。標均達到和超過(guò)了設計能力,創(chuàng )造了巨大的經(jīng)濟效益。當循環(huán)溶液中含水量超過(guò)8%時(shí),將部分溶液送下面介紹其第二套NHD脫碳生產(chǎn)情況。到脫水塔進(jìn)行脫水處理,脫水后返回系統。原料氣脫碳流程圖器;2一脫碳塔;3—氨冷器;4一高壓閃蒸槽;5—低壓閃蒸槽;δ—富液泵;一筼液泵;8—氣提塔;9一換熱器;10—-空氣鼓風(fēng)機4.2藁化NHD脫碳運行情況藁化NHD脫碳運行的生產(chǎn)數據見(jiàn)表3。主要設備及投資見(jiàn)表4。5結束語(yǔ)表3NHD法脫硫脫碳凈化技術(shù)是一種高效節能的物設計指標實(shí)際平均指標理吸收方法。它具有吸收能力大、選擇性好、操作彈性大、溶劑損耗少、工藝流程簡(jiǎn)單、經(jīng)濟效益顯著(zhù)、節溶液循環(huán)量/t/h260能效果好等優(yōu)點(diǎn)。河北省藁城市化肥總廠(chǎng)等十幾套吸收壓力/MPa2.80吸收溫度/CNHD脫硫脫碳工業(yè)裝置的成功投產(chǎn),充分說(shuō)明NHD原料氣CO2%技術(shù)優(yōu)異的使用性能及顯著(zhù)的綜合經(jīng)濟效益,為NHD凈化氣CO2%工藝的廣泛推廣應用提供了豐富的生產(chǎn)、工程經(jīng)驗。供尿素CO2純度%目前,還有十幾套NHD脫硫脫碳工業(yè)裝置(單系溶液含水0統裝置生產(chǎn)能力達18萬(wàn)噸氨年)正在設計、建設之NHD消耗/kg/t氨中,已投產(chǎn)和擬投產(chǎn)的NHD凈化裝置遍及黑龍江、吉電耗/kWh/t氨125蒸汽耗/kg/t氨20林、河北、山西、山東、河南、甘肅、貴州、湖北、福建、浙江、江蘇、安徽、上海等地。NHD技術(shù)日趨成熟完善,完全可以用于各種規模工廠(chǎng)的新建、擴建和吸收塔2200×48200汽提塔92400×48530改造、為我國化膽生產(chǎn)術(shù)講步作出貢獻中國煤化工氨冷器小1000/中2000×9102高閃槽CNMHG低閃槽中1800×7980設備投資420萬(wàn)元總投資550萬(wàn)元