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贵州快3湿法脱硫的模拟分析与pH调节

时间:2020-10-24 15:13

  湿法脱硫的模拟分析与pH调节_工学_高等教育_教育专区。第33卷第9期 2016年9月28日 计算机与应用化学 CompuIers and Vbl.33.No.9 AppIied Chemis仃y S印tember 28,2016 湿法脱硫的模拟

  第33卷第9期 2016年9月28日 计算机与应用化学 CompuIers and Vbl.33.No.9 AppIied Chemis仃y S印tember 28,2016 湿法脱硫的模拟分析与pH调节 张文,岳金彩,郑世清幸 (青岛科技大学计算机与化工研究所,山东,青岛266000) 摘要:运用流程模拟软件ASPEN PLus模拟了湿法脱硫脱除水煤气中H:s的工艺过程,水煤气、脱硫液组成和操作数据均来自实 际装置。对建立模型涉及到的模块选取、主副反应、物性方法选择以及工艺参数输入等方面进行了介绍。给出了脱硫过程中脱硫液 的Na2C03、NaHc03、副盐含量以及pH值的定量变化规律。对脱硫液pH值调节过程进行研究,提出了采用NaOH代替Na2C03 为碱源的pH值调节方案,有利于减缓脱硫液总碱度的增加。 关键词:湿法脱硫;Aspen Plus;模拟;pH值 中图分类号:T(Ⅺ15.9 文献标志码:A 文章编号:1001.4160(2016)09.1019.1022 DOI:10.16866/j.com.印p.chem2叭609017 1 引言 水煤气中H:S的脱除方法主要有干法和湿法两大类, 其中,湿法脱硫因具有反应速度快、效率高、脱硫催化剂 利用率高等优点而被广泛应用。湿法脱硫工艺常用的脱硫 催化剂有HPF、PDs、栲胶和888掣¨。按碱源又有氨法 和碱法之分。脱硫液的组成和pH值对脱硫过程影响很大, 实际生产过程中,往往依靠经验进行调节,缺乏理论指 导。研究脱硫过程中脱硫液组成与pH值的变化规律十分 必要。本文利用流程模拟软件Aspen Plus建立了使用纯碱 为碱源的湿法脱硫工艺模型,对脱硫液的组分和pH变化 进行模拟分析,并对再生后贫液pH值的调节方法进行研 究,对生产实践具有一定的指导意义。 Fig.1 Diagmm of desulfhrization prDcess. 图1脱硫工艺简图 2脱硫过程中的反应及pH影响 湿法脱硫工艺主要由脱硫、再生、硫分离三部分组成 (如图1)口】,水煤气进入脱硫塔底与塔顶进入的脱硫贫液逆 流接触吸收H2S生成NaHS成为富液。富液进入再生槽, HS一与空气中的氧气反应,氧化生成单质硫分离出来.再 生后的脱硫液成为贫液进入贫液槽,然后进入吸收塔顶进 行下一次循环吸收。从再生槽出来的单质硫以硫泡沫形式 进入泡沫槽和熔硫釜,得到副产品硫。 实际生产中,脱硫液温度一般控制在30℃ ̄40℃,pH 值在8—9之间。设计良好的工艺脱硫效率可达99%以上。 2.1 H2s(液相)+Na2c03—'NaHs+NaHc03 (2) 式(2)为瞬时反应,气体中H2S浓度较低时,吸收过程 阻力主要表现为气膜阻力f3】。 2.2 C02在脱硫液中的吸收 脱硫液吸收CO:的反应如下: Na2C03+H20—÷NaHC03+NaOH C02+NaOH—'NaHC03 (3) (4) 以上反应合并如下: C02+Na2C03+H20—'2NaHC03 (5) 式(4)是非离子反应,且脱硫液中OH一浓度较低,所以 它是决定反应速度的关键步骤。相较于H:s的吸收速率, 脱硫液吸收C02的速率要低很多【41。 2.3 H2S在脱硫液中的吸收 H2S在脱硫液中的吸收是化学吸收过程,主要反应 NaHS的氧化 如下: 在再生阶段,富液中的NaHS在催化剂作用下大部分 H2s(气相)寸H2s(液相) 收稿日期:2015.09.17;修回日期:2016.08.18 (1) 被氧气氧化成硫单质,一小部分被氧化成Na:S:03(由于副 作者简介:张文(1990一),男,山东聊城,硕士研究生,Email:369980243@qq.com 联系人:岳金彩(1969一),男,山东淄博,博士,副教授,硕士生导师,Email:yjc@putech.。om.cn 万方数据 1020 计算机与应用化学 表2脱硫液盐含量 1曲le 2 nle salt contcnt 盐中Na2S203量最大,本文未列出生成其他副盐的反应), 化学反应式如下: ofdcsulfllri2州on liquid. NaHs+圭o:一NaoH+s 2NaHS+202 j Na2S203+H20 2.4 (6) (7) 脱硫液成分 composition ofdesulfIlri盈tion liquid 浓度 c帆centration/(g?L一1) Na《03 NaHC03 NaHS pH值对脱硫过程的影响 脱硫液pH值对脱硫过程的正常运行影响很大。pH 值过小,在吸收阶段会影响H2S的吸收效果,在再生阶段 会影响氧化反应速度。pH值过大,会影响氧化反应的选 择性,HS一被氧化成S:032-的副反应速度增加,造成脱硫液 中副盐的过快累积【5】。因此,pH值是生产中重点监控的指 标之一。 Na2S03 NaSCN Na2S203 &勰仉z Na2S04 m%z 哪脚晰Ⅲ舢姗咖 由于副反应及水煤气中CO:的存在,脱硫液中 NaHC03含量不断累积增加,pH值降低。为维持pH值稳 定,需要不断地补加Na2C03,导致脱硫液中的Na2C03, NaHC03和副盐含量逐渐增加【∞】。当盐浓度累积到一定程 度会析出,造成脱硫塔盐堵。另外,副盐的增加还会引起 设备腐蚀和脱硫效率下降。 综合来看,要达到脱硫过程的稳定运行,实现吸收、 氧化、选择性三者兼顾,须使脱硫液pH值维持在合适范 围内【9邶】,且须密切监视盐含量。 Fig.2 Simulated now diag姗ofdesulfijIizatiOn process. 图2脱硫工艺AspenPllls模拟流程图 3脱硫过程建模 3.1进料条件 本模拟采用的数据均来自实际工况,催化剂采用PDs。 水煤气进料量21784 Nm3?h-1,温度40℃,压力0.12 MPa。 主要组分为H2、CO、C02和少量H2S,其他微量惰性组分 忽略,具体组成见表1。 表l水煤气组成 Table l 系统中有电解质组分参与反应,贵州快3因此选择适合电解质 的ELECNRl’L物性模型。选择物性模型后,Aspen P1us自 动调用两元交互参数、电介质对等内置参数。 脱硫塔T采用RADFRAC模块,涉及的离子反应为: H2s+co;一—÷Hs一+Hcoi c02+co;一+H20寸2Hcoi H2S转化率为99.83%,C02为1%。 (8) (9) Main conlponent offeed 再生槽R用反应器模拟,贵州快3采用RSl’oIC模块,涉及的 离子反应为: 2HS一十02寸20H一+2S (10) (11) 水煤气成分 conlposition ofwatcr g髂 C0 体积分数 vol岫e f}action/% 40.52 C02 H2S H2 4.“ 0.2 54.64 2Hs一+202斗s20;一+H20 率为6.6%。 HS一生成S的转化率为92.60%,生成Na2S203的转化 实际生产中脱硫液循环使用,生成的电解质在系统中 脱硫液进料量460 m3.h一,温度40℃,压力0.12 MPa。脱硫液中的盐含量见表2,其余为水。 3.2建立模型 不能连续及时排出,因此模拟时断开循环流计算,观察贫 液、富液及再生槽出口贫液的组成及pH变化。 根据图1所示的脱硫工艺,本次模拟单次脱硫过 程,在Aspen P1us[111上建立如下流程模型盼1 51,如图2 所示。 4结果分析 模拟计算得到进塔贫液、富液、再生贫液的组分含量 及pH,结果见表3。 待处理水煤气和脱硫贫液分别从脱硫塔T的塔底 和塔顶进入,脱硫后的净化气从塔顶采出。脱硫富液从 塔底采出进入再生槽R,与再生空气反应,生成并分离 出硫后成为贫液。贫液进入混合器M,与补充的碱液混 合调节pH值后作为循环液使用。 由表3可知,贫液(L)、富液(LOuT)和再生液(PIN)的 模拟计算pH值比实际测量pH值稍小,平均误差为0.15, 符合性较好,可用于对实际过程的分析。 在吸收阶段,贫液吸收H2S成为富液后,其中的NaHS、 NaHC03含量增加,Na2C03含量降低,pH值稍有下降。 万方数据 2016,33(9) 张文,等:湿法脱硫的模拟分析与pH调节 102l 在再生阶段,NaHS氧化成S,释放出的0H一与 由表4可以看出,随着Na0H比例的增加,总碱度增 加得越来越少,当补加0.3212 kmol/ll的NaOH时,总碱 增加量最少,为0。1560 kmol,仅为以Na2C03为碱源的 29.8%。 NaHC03反应重新生成Na2C03。由于副反应及吸收了少量 C02,再生液中Na2C03与NaHC03并不能恢复到进塔贫液 中的含量,Na2C03损失了0.287 km01.h~,NaHC03则增加 O.“3 km01.h~。同时,副盐Na2S203含量增加O.066 h101.h~, 再生液pH值降低0.0066。 6结论 (1)采用ELECNRTL物性模型,Aspen Plus软件可用 于湿法脱硫工艺的建模。模拟计算得到的脱硫液pH值比 实测pH值稍小,平均误差为0.15,符合性较好,可用于对 实际过程的分析。 (2)由于存在副反应及吸收CO:,脱硫液经过吸收.再 生后,其组成和pH值都有变化,需要补加Na2C03以维持 pH值稳定,导致总碱度增加。 (3)为使脱硫液pH值恢复到初值,使用NaOH作为碱 源可有效减缓总碱度的增加,增加值仅为以Na2C03为碱 源的29.8%。 综上可以看出,经过一个吸收.再生周飙脱硫液的组 成和pH值都有变化。实际生产中,为维持pH值在适宜范 围内,需要不断地向脱硫液中补加Na:cO,,此过程不可避 免地导致Na2C03,NaHC03和副盐含量的增加。 5 再生贫液的pH值调节 脱硫液pH值是由Na2C03、NaHC03和副盐(Na2S203、 NascN、Na2s04和Na2s03)共同组成的缓冲溶液体系决定 的。为了使pH值维持在一个合适的区间,必须对缓冲液 的组分加以调节ll引。 根据表3数据,再生液pH值降低了0.0066,为使其恢 复到贫液的8.3789,经计算需要补加0.3668 中的总碱度由241.774 km01?h-1增加到了242.2968 km01.h叫 Ref毫rences: 1 2 Na2c03。以补加Na2c03维持pH值的这种方式导致体系 km01.h一。 李冰.煤气湿法脱硫方法及原理浅谈[J】.工程技术,2013,3l:69.71. 张红兵.PDs脱硫技术在焦化行业的应用田.山西化工,2006,6: 51.52. 随着脱硫过程的进行,脱硫液总碱度会不断增大,导致密 度和黏度增大,这不仅会增加泵的轴功率,而且会降低 H:S的吸收效率,甚至导致盐的析出,造成盐堵【l 61。 为了减缓总碱度上升速度,本文提出采用混合碱 (Na0H+Na2C03)或NaOH代替Na2C03为碱源用于调节 pH值。表4给出了为使再生液pH值恢复至8.3789分别 需补充的Na2C03、NaOH和不同比例混合碱的量。 7 5 6 3 罗洋,盛字星,瞢宏斌.填料塔中Na2C03吸收高浓度H2S的传质特 性[J】.环境工程学报,2014,8(4):156l—1566. 陈其瑜,王开岳.硫化氢在栲胶溶液中吸收速率影响因素的考查—— (一)溶液组成对H2s吸收速率的影响[J】石油与天然气化工,1984,l: l一6. 4 赵兴华.常压脱高硫浅议【J】.化工设计通讯,2007,33(2):3-7. 梁兴禄,汪晓梅,胡忠彬.湿式氧化法脱硫堵塔和888脱硫催化剂的 应用[J].煤化工,200l,2:35.38. 黄苏河,王海清.煤气湿法脱硫塔堵塞问题的讨论【J】.燃料与化工, 2003.2:87—89. 表4不同方式补碱结果 Thble 4 Results of adding all(ali in di行erent ways. 8 郭文龙,杨永杰,张永斌.湿法脱硫堵塔原因分析及对策【J】.化工设 计通讯,2们1,5:40.42. 补碱量 increnlent of alkali Na2C03 总碱增加量 increnlent oftotal alkali 9 杨树卿,邵允,裴东光.PDs一脱硫催化剂的研究与应用【J】.石油化工, 1988.1:4-11. additioIl,(km01?h_1) Na0H /(hn01.h一1) 10杨树卿,邵允,裴东光,等.PDs脱硫技术【J】.东北师大学报(自然科 学版),1990,2:109.120. 1l 谢安俊,等,大型化工流程模拟软件——AsPEN PLus【J】.石油与天 然气化工,1995,24(4):247.253. 12黄崇平.用AsPEN PLus软件模拟炼厂气脱硫和再生系统工艺流 程【J】.炼油,200l,4:32.35. 13陈茂兵,孙克勤.AsPEN PLUS软件在氨法烟气脱硫模拟中的应用[J】. 电力环境保护,2009,25(4):30.32. 万方数据 1022 计算机与应用化学 AsPEN 2016,33(9) 14夏剑忠,孙剑,颜长青,金学文 宝钢技术,2005,6:49—68. 15孙志翱,金保升,李勇,周山明 PLus在二脱硫中的应用【J1 脱硫模型(J】.洁净煤技术,2006,12(3):82-85. 16李逢玲.碳酸盐缓冲溶液性质及其对栲胶脱硫工艺影响的研究[D】 太原:太原理工大学。2011. 基于ASPEN PLus软件的湿法烟气 The analysis of simulation on wet desulfur娩ation process and pH adjust- ment Zhang (Institute Chinal Abstract:The wet desuIphurization process about the removal of H2S in water gas is simulated by usiIlg ASPEN PLUS pmcess simula? tion Wen,Yue Jincai and Zheng Shiqjng’ of Computers and chernjcalindustry,Qingdao UniVers时of Science and Tecllllolo甄Qingdao 266000, software,柚d tlle composition a11d opefating data of water gas and the desul觚zation and on solution are f-rom actual device.The selection are of model and physical methods,main side reaction,and process tent p彻neters input liquid is so on about modeling m仃oduced,and tlle con- ofNa2C03,NaHC03 and secondary sah and the mle of quantitative change are pH value about desulfuriziIlg 1iquid of tlle desul觚- Zation pmcess NaOH as provided.111e pH adjustIIlent process of desul觚zing studied,柚d a pH adjustIllent scheme about adopting alkali instead of Na2C03 is put forward,to mitigate me increase of total alkalini哆in desulmrization nuid. PLUS:simulation;pH value Ke’唧ords:wet desul肺zation:ASPEN (ReceiVed:2015一09-17;ReVised:2016-08-18) 万方数据