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常温氧化铁脱硫剂在脱硫工艺过程中影响因素的应用研究

文章来源:发表时间:2022-03-22 10:10:11

能源是人类赖以生存和发展的基本物质基础,在世界化石能源资源及消费结构中,煤炭所占的比重均较高。由于煤炭本身组成的复杂性,以及煤利用技术发展的相对落后,煤炭利用对大气造成的污染也是最严重的。随着世界环境保护意识的逐渐增强,煤炭气化作为洁净煤技术中的关键技术之一,备受关注,以煤气化间接合成油、煤气化制氢、燃料电池等技术得到全球广泛关注,从而给煤炭气化带来前所未有的发展机遇。

随着工业技术的迅速发展,煤气广泛应用于工业(机械、冶金、建材、玻璃等)燃料气、城市(民用)煤气、化工合成气(合成氨、甲醇)等行业,随着先进的、高效煤气化技术的开发和应用,煤炭气化技术将在煤炭液化(直接和间接液化)、煤气化联合循环发电(IGCC)、燃料电池、现代大型煤化工(C1化工)和新型制氢技术等领域中发挥更加突出的作用。在煤炭气化过程中,煤中的硫在气化过程成中发生转移,20%左右进入灰渣,其他大部分(约80%)转到煤气中并以H2S(占煤气中总硫的90%以上)及少量的COS、有机硫等形态存在H2S由于含量最高,受到的关注较多,也是煤气净化研究的重点。给常温氧化铁脱硫剂产业带来发展的契机。同时,也对脱硫剂提出了更高的要求,必须解决目前脱硫剂存在的各种不足。

二脱硫工艺影响因素研究

本文研究的主要目的是在常温下成型氧化铁脱硫剂脱除H2S的效果,不仅与影响其物理化学状态的制备工艺配方、成型条件密切相关,而且随脱硫工艺控制条件的不同而有明显的变化,主要表现在硫容、脱硫精度、粉化程度上。常温脱硫工艺中温度、空速、酸碱度、颗粒粒径、脱硫剂含水量、H2S浓度等是影响脱硫剂反应性的主要因素。空速与硫容为反向关系,温度、酸碱度、颗粒粒径、脱硫剂含水量均存在一个有利于硫容的最佳值,而H2S浓度对硫容的影响不是很明显。还在研究中得出各因素对工作硫容的影响程度为:氧化铁含量>pH值>空速>水含量。我们认为上述因素对脱硫剂的影响均不容忽视,但是氧化铁含量是脱硫剂制备工艺的内在因素,而空速、含水量、温度、颗粒粒度、pH、进口H2S浓度值则是在脱硫工艺可以控制的外在因素,为工艺可变参数,因而应当将这两类因素分别考察。脱硫剂的应用环境离不开一定的酸碱度支持。增大碱度有利于反应的进行,在工业应用结果中也可以看出脱硫剂工作循环过程中存在一定的碱耗。根据酸碱中和理论,碱性物质同H2S同样可以反应达到脱除的目的,而在考察pH值对脱硫剂应用影响时,应综合设备防腐蚀能力量力而行。对于不同的脱硫剂,也因各种使用工艺条件的不同而异,因而探索脱硫剂可用工艺条件是必须的。由此,本文对脱硫工艺影响因素的研究选定空速、含水量、温度、颗粒粒度、进口H2S浓度5个工艺可变因素,进行了全面的考察试验。

1、温度的影响

我们通过热力学计算得出随温度的升高,脱硫放热反应向反应物方向,即正向进行的趋势逐渐减弱。活性评价装置上考察了温度对脱硫剂硫容的影响。其它条件相同,仅改变脱硫操作温度,测定脱硫剂一次工作硫容%(Sw)。很明显,随着温度的升高,脱硫剂的一次工作硫容先升高后降低,即存在脱硫最佳温度的迭择问题,当温度在20℃左右时硫容Sw可达到12%,当升温至80℃时只有6.5%,仅为20℃的一半左右。降低温度Sw下降更为明显,温度降低5℃,其下降幅度达40%。

因此,温度对于氧化铁脱硫效果的影响非常显著,这同其它研究者的结果相同。

但是,不同的脱硫剂适用范围差别很大,对于常温氧化铁脱硫剂来讲最佳温度在20℃左右,这不同于其它脱硫剂最佳工作温度为40℃左右,明显增强了脱硫剂的适用性。由于常温下脱硫剂槽基本上为露天放置,因而脱硫温度主要受季节变化,最佳操作温度为20℃左右,基本等于大部分地区的年平均温度,大部分季节里不需要进行通高温蒸汽,但东北地区脱硫槽体要采取保温措施。

2、空速的影响

对于固定床反应器,空速Vsp(h-1,spaeeveloeity),指单位时间、单位体积的脱硫剂床层所处理的气体体积。在等体积反应条件下,其倒数—空时在等容条件下物理意义是流体流过反应器时在床层中的平均停留时间。从而得出了空速与流量和脱硫剂装填体积的关系:
Vsp=Q/V                   h-1
其中,  Q—气体流量,             m3/h
V—脱硫剂装填料层体积,   m3,

由上式得出,空速取决与气体流量和装填料层的体积,对于一定原料气流量的脱硫工艺,选取Vsp大意味着气体在床层的停留时间短,进入床层的H2S分子来不及与活性氧化铁反应即穿出;Vsp小则由于所需脱硫槽体积过大,占地面积大,相应的投资高。因此,选取适宜的Vsp是保证脱硫工艺既经济又有效的必要条件。常温脱硫剂的应用空速范围大致为100~1000h-1。实验室在脱硫活性评价装置上考察常温氧化铁脱硫剂6种空速,6次循环的硫容情况进行。

脱硫剂的硫容随循环次数的增多而减小,而对于每一次循环,总的趋势是空速高硫容低,这是因为空速越高,H2S停留时间短,而反应转化率主要取决于停留时间,反应越不充分,达到一定转化率时床层工作区越长,必然导致硫容随空速的增大而减小,至最大空速极限时,H2S来不及反应即穿过床层,工作区长度大于整个料层高度,硫容很小。另一方面由于高空速时每一次循环反应均不充分,空速越高,每一次循环的硫容逐渐降低,例如800h-1时,一次硫容为15%,二次10%,三次7%,六次累积39%。这种情况适合于气源含H2S不高、气体处理量大、脱硫剂需要多次再生使用的工艺脱硫;而对于低空速下操作时,由于前一次硫容高,即反应进行充分,活性铁被最大限度的转化为Fe2S3或FeS,再生时产生的硫堵塞孔隙,使下一次硫容相对降低,从而再生次数减少。空速对于脱硫剂应用效果的影响还由于带出水分的不同而不同,将在下面说明。总的来讲应用范围广的脱硫剂应在各种空速下保证硫容大于10%,JNT-1型脱硫剂的实验表征情况显示这一点良好。各种空速下一次硫容均大于12%,二次硫容仍然均在10%以上,(氧化铁脱硫剂一般再生2次),六次累积硫容大于35%,低空速下可达到60%,属于脱硫剂市场前列水平。

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