我國能源形勢是“煤多、油貧、氣少”, 客觀上形成了以煤炭資源應用為主、石油和天然氣為輔的格局。而SO2是大氣污染中最主要的一種物質, 數據顯示, “十二五”期間全國SO2排放量中因煤炭燃燒形成的占90%以上。鑒于這一實際情況, 積極針對硫回收工藝進行創新和應用至關重要。
1 脫硫技術概述
針對煤炭脫硫技術的研究主要包括三個部分:第一, 燃脫硫前, 即在煤炭進行燃燒前做出預處理, 采取選煤、洗煤等方式;第二, 燃脫硫中, 即在沒燃燒的過程中, 采用一定的煤氣化技術和循環流化床技術, 配合催化劑的使用, 避免二氧化硫的產生;第三, 燃脫硫后, 針對產生的燃氣進行處理, 實現煙氣中SO2的回收。
根據當前探明的儲量和開采速度, 我國在2050年前或更晚一個階段, 都將煤炭作為主要的工業能源;“十二五”期間我國明確了減少煤炭資源應用的戰略發展計劃, 努力提高新能源的覆蓋比例, 但由于社會需求的日益旺盛, 煤炭資源的應用總量依然在不斷增加, 因此, 積極發展煤化工產業脫硫技術具有重要的現實意義。
以下針對常見的脫硫技術進行探討。
1.1 醇胺脫硫法
醇胺脫硫法針對煤制天然氣工業具有廣泛的應用前景, 不僅用于SO2的凈化方面, 在合成氨、甲醇等工業體系中也發揮了很好的作用;醇胺脫硫法發揮的是溶劑吸收的物理性質, 因此在操作上十分簡單、性能穩定, 加上可以重復利用的特點, 十分節省資源。
醇胺脫硫法吸收SO2的化學機理在于, 有機胺是一種堿性化合物, 能夠吸收大量的SO2氣體, 同時實現了循環利用;在具體應用中, 有機胺類調配成水溶劑, SO2與水中的氫離子溶解, 形成硫弱酸?；厥盏倪^程中利用蒸汽加熱, 實現化合反應的逆轉。;
化學方程式為:
醇胺脫硫法也存在一些不足, 雖然可以大量的吸收SO2氣體, 但在回收和應用方面還需要建設新的設備體系, 無疑會增加硫回收的成本。生成硫磺的過程中需要大量H2S, 不僅運輸困難, 還有較高的安全風險。
1.2 濕式氨法
濕式氨法是一種較為成熟的脫硫工藝, 目前已經得到了大規模的工業化應用, 該吸收液的針對性較強, 對硫酸銨和二氧化硫的吸收能力很強, 并且脫硫之后的融合可以經過還原, 采用不同的方法獲取新的產品, 便于工業生產。
但是這種方法也存在消耗大量硫酸的弊端, 同時從吸收液中分解出來的二氧化硫氣體, 需要有專門的制酸系統處理;所以, 單純地脫硫技術雖然設備簡單、成本低廉, 但加上回收的系統就需要大量的投入, 同時在脫硫的過程中, 不穩定性造成較多的副產物, 增加了處理難度。
1.3 石灰石-石膏法
石灰石-石膏法脫硫法是價格最為低廉的一種工藝, 適用于小型化工企業, 相關的材料都很容易得到。近年來, 這一技術雖然不斷得到完善, 但諸如腐蝕、堵塞、結垢等方面的問題依然沒有徹底解決。
石灰石-石膏法脫硫的化學反應方程式如下:
2 克勞斯硫回收系統的工業應用
克勞斯硫回收工藝的顯著特點是流程簡單、投資少、設備少、占地少, 方便硫磺回收且不需要額外架設輔助裝置, 硫磺回收的純度高, 在天然氣以及其他硫化氫氣體中作用顯著。
從理論上說, 由于化學平衡的制約條件, 兩級催化的克勞斯工藝硫回收率能夠達到90%-95%, 而三級轉化能夠達到95%-98%, 但從生態環境保護標準方面考慮, 克勞斯硫回收工藝還有進一步發展的空間。
一般來說, 克勞斯尾氣處理需要經過吸收和焚燒兩個程序, 在吸收塔中利用石灰石-石膏法或氨水作為吸收劑, 生成亞硫酸鈣或二價硫酸氫胺, 再向吸收液中輸入空氣 (CO2) , 轉化為穩定的硫酸銨或者石膏, 實現完全無害處理。
2.1 克勞斯法化學原理
以常見的煤氣化工為例, 克勞斯法可以用來處理低溫甲醇洗工藝中產生的酸性氣體, 酸性氣體中的H2S可以有效轉化為單質硫。其過程如下:
第一步, 酸性氣體中分離出來的H2S經過吸收轉入焚燒爐, H2S與氧氣燃燒生成二氧化硫和水, 第二步, 在水蒸氣的作用下與剩余的H2S反應 (克勞斯法的化學原理) , 配合催化劑作用, 最終生成硫磺。主要的化學反應方程式為:
由于克勞斯法并不需要十分嚴苛、精確的反應成匹配, 所以反應是隨機持續發生的, 在反應過程中, 也包括水、二氧化碳和烴類的反應, 生成一些副產物, 但總體來說并不影響最終目的。
克勞斯法在脫硫應用中, H2S的含量不同, 所產生的工藝分類也不同。其中, 當H2S含量超過50%, 二氧化硫燃燒不充分, 大部分依然存留做下次反應預備;實踐證明, 最好的反應比例中, H2S的含量在25%-40%左右。
2.2 克勞斯法回收原理
克勞斯法與一般脫硫工藝的最大區別在于, 其可以滿足單質硫的生產和回收, 減少工序, 提高工業作業效率。其回收原理包括, 首先將凈化分離出來的酸性氣體轉入焚燒爐燃燒, 這一過程中加入H2S, 大部分還原為單質硫, 少部分H2S與氧氣燃燒重新變成二氧化硫;其次, 沒有反應的二氧化硫和新生成的二氧化硫再次進入克勞斯反應容器, 繼續生成單質硫。
通過冷凝、干燥等手段收集出來的硫磺進行清理、轉移, 三級克勞斯反應之后剩余的尾氣全部投入焚燒爐, 充入足量的空氣, 將剩余的H2S全部轉化為二氧化硫, 進而通過熱電噴鈣或吸收工藝, 確定符合空氣排放標準后排入大氣。
3 克勞斯硫回收系統的技術指標
3.1 設備評價
克勞斯硫回收系統的工業化應用中, 設備是關鍵的構成部分, 對工藝爐的參數以及主要附屬設備和參數需要進行詳細的判定。在主要設備中有主風機、配屬電機、中低壓廢熱鍋爐、一、二、三級流冷凝器、酸性氣體焚燒路以及克勞斯反應器等。
克勞斯硫回收系統中對設備的選擇并沒有一定的標準, 但要遵循實用性、匹配性的原則, 確保各個設備之間的機械動力、負載量、速率等保持在同等水平。尤其是對于克勞斯反應器的適應, 要從多個方面進行評價, 否則會嚴重阻礙單質硫的生成和轉化。
3.2 工藝指標
克勞斯硫回收系統的各項工藝指標中, 對溫度和壓力的要求較高, 包括最高限制警報和最低限制警報的參數設置。一般來說, 酸性氣體進口溫度的環境為1020攝氏度, 進入一級克勞斯反應器的入口溫度為240攝氏度到260攝氏度, 反應器床層的溫度控制在300攝氏度左右最為適宜。
液態硫元素進入一級硫冷器中的壓力維持在0.5MPa, 燃燒后的混合氣體進入廢熱鍋爐中保持2.5MPa的壓力, 在蒸汽的作用下約維持300攝氏度左右排入大氣。
4 結語
隨著我國經濟發展的步伐逐漸加快, 社會對多元化的能源需求日漸迫切, 加速煤化工業的發展成為必然選擇。在發展化工產業的同時, 生態環境的保護也是不可忽視的, 尤其在化石能源消耗總量不斷增加的背景下, 大力推廣克勞斯硫回收技術在工業體系的應用, 可以有效減少二氧化硫對大氣的污染, 減少酸雨的產生, 同時對資源回收發揮了重要的作用。綜上所述, 積極創新、研究和應用新型脫硫技術對我國工業現代化發展有重要的意義。
摘要：隨著人類社會的經濟發展, 對自然環境產生了較大的負面影響。尤其是化學工業的發展, 需要大量的化石燃料作為動力能源, 對大氣產生了嚴重的污染。SO2是主要的大氣污染物之一, 也是酸雨現象的誘因, 對我國的生態環境產生了惡劣的影響, 因此加強化石燃料的脫硫處理是一項關鍵工藝。本文結合我國在煤炭脫硫方面的技術進行研究, 重點介紹克勞斯硫回收系統的工業化應用, 針對這一課題提出合理的策略。
關鍵詞：克勞斯法,硫回收系統,工業應用,脫硫技術
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