焦炉煤气湿法脱硫工艺设计初稿.doc
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河南城建学院本科毕业设计（论文）绪论
河南城建学院
毕业设计
题目：
焦炉煤气湿法脱硫工艺设计
学生姓名：
张炳麒
年级：
101209127
专业：
化学工程与工艺
申报学位：
学士学位
院系：
化学与化学工程系
指导教师：
李霞
完成日期：
2011-05-15
2011年05月15日
摘要
目录
1﹒绪论································································1
1.1概述································································1
1.2焦炉煤气净化的现状··················································1
1.3栲胶的认识··························································2
1.4栲胶法脱硫的缺点····················································3
1.5设计任务的依据······················································8
2.生产流程及方案的确定··················································
3.生产流程说明··························································
3.1反应机理··························································
3.2主要操作条件··························································
3.3工艺流程··························································
3.4主要设备介绍··························································
4.工艺计算··························································
4.1原始数据··························································
4.2物料衡算··························································
4.3热量衡算··························································
5.主要设备的工艺计算和设备选型·····································
5.1主要设备的工艺尺寸···················································
5.2辅助设备的选型···················································
6设备稳定性及机械强度校核计算············································
6.1壁厚的计算···················································
6.2机械强度的校核···················································
1绪论
1.1概述
焦炉煤气粗煤气中硫化物按其化合态可分为两类：
无机硫化物，主要是硫化氢（H2S），有机硫化物，如二硫化碳（），硫氧化碳（COS），硫醇（）和噻吩（）等。
有机硫化物在温度下进行变换时，几乎全部转化为硫化氢。
所以煤气中硫化氢所含的硫约占煤气中硫总量的90%以上，因此，煤气脱硫主要是指脱除煤气中的硫化氢，焦炉煤气中含硫化氢8～15g/m3，此外还含0.5～1.5g/m3氰化氢。
硫化氢在常温下是一种带刺鼻臭味的无色气体，其密度为1.539kg/nm3。
硫化氢及其燃烧产物二氧化硫（）对人体均有毒性，在空气中含有0.1%的硫化氢就能致命。
煤气中硫化氢的存在会严重腐蚀输气管道和设备，如果将煤气用做各种化工原料气，如合成氨原料气时，往往硫化物会使催化剂中毒，增加液态溶剂的黏度，影响产品的质量等。
因此，必须进行煤气的脱硫。
1.2焦炉煤气净化的现状
煤气的脱硫方法从总体上来分有两种：
热煤气脱硫和冷煤气脱硫。
在我国，热煤气脱硫现在仍处于试验研究阶段，还有待于进一步完善，而冷煤气脱硫是比较成熟的技术，其脱硫方法也很多。
冷煤气脱硫大体上可分为干法脱硫和湿法脱硫两种方法，干法脱硫以氧化铁法和活性炭法应用较广，而湿法脱硫以砷碱法、ADA、改良ADA和栲胶法颇具代表性。
湿法脱硫可以处理含硫量高的煤气，脱硫剂是便于输送的液体物料，可以再生，且可以回收有价值的元素硫，从而构成一个连续脱硫循环系统。
现在工艺上应用较多的湿法脱硫有氨水催化法、改良蒽醌二磺酸法（A.D.A法）及有机胺法。
其中改良蒽醌二磺酸法的脱除效率高，应用更为广泛。
但此法在操作中易发生堵塞，而且药品价格昂贵，近几年来，在改良A.D.A的基础上开发的栲胶法克服了这两项缺点。
它是以纯碱作为吸收剂，以栲胶为载氧体，以为氧化剂。
基于此，在焦炉煤气脱硫工艺的设计中我采用湿式栲胶法脱硫工艺。
1.3栲胶的认识
栲胶是由植物的皮，果，茎及叶的萃取液熬制而成的。
其主要成分为丹宁，约占66%，以栲胶来配制脱硫液效果最佳。
栲胶的主要成分为多种水解丹宁，是有许多结构相似的酚类衍生物所组成的多酚基化合物，由于其含有许多活泼的烃基，所以具有很强的吸氧能力，在脱硫过程中起着载氧的作用。
碱性栲胶脱硫液是由栲胶，碳酸钠及偏钒酸钠等主要成分构成的水溶液。
栲胶水溶液在空气中易被氧化，即丹宁中较活泼的羟基易被空气中的氧氧化，生成醌态化合物。
特别是当溶液的PH值大于9的时候，丹宁的氧化特别显著。
由于栲胶水溶液在较高浓度时成为典型的胶体溶液，并且在较低温度时容易出现及沉淀，因此在配制脱硫液前必须对栲胶水溶液进行熟化预处理。
即将含栲胶20～33g/l，Na2CO3380～133g/l的栲胶谁溶液直接通蒸汽与空气，在80～90°C的条件下氧化10～24h，破坏其胶性。
然后加及软水或稀氨水，配制成含栲胶1.0～2.6g/l，Na2CO322.3g/l，3.24g/l,2～2.5g/l脱硫液，送入脱硫液储存槽，稀释后使用。
脱硫过程中，酚类物质经空气再生氧化成醌态，因其具有较高电位，故能将低价钒氧化成高价钒，进而使吸收在溶液中的硫氢根氧化、析出单质硫。
同时丹宁能与多种金属离子（如钒、铬、铝等）形成水溶性络合物；在碱性溶液中丹宁能用与铁、铜反应并在其材料表面形成丹宁酸性薄膜，因而具有防腐蚀作用。
由于栲胶水溶液是胶体溶液，在将其配制成脱硫液之前，必须对其进行预处理，以消除共胶体性和发泡性，并使其由酚态结构氧化成醌态结构，这样脱硫溶液才具有活性。
在栲胶溶液氧化过程中，伴随着吸光性能的变化。
当溶液充分氧化后，其消光值则会稳定在某一数值附近，这种溶液就能满足脱硫要求。
通常制备栲胶溶液的预处理条件列举在表1中：
表1制备栲胶溶液的与处理条件
方法
项目
用Na2CO3配制溶液
栲胶浓度∕（g·L-1）
10～30
碱度∕N
1.0～2.5
氧化温度∕℃
70～90
空气量
溶液不翻出器外
消光值
稳定在0.45
将纯碱溶液用蒸汽加热，通入空气氧化，并维持温度80～90℃，恒温10h以上，让丹宁物质发生降解反应，大分子变小，表面活性物质变成非表面活性物质，达到预处理目的。
栲胶法脱硫工艺，将碱性栲胶溶液打入溶液循环槽，自循环槽出来，经过滤加压后进入系统的裂脱塔，吸收气体中的H2S，由裂脱塔出来的溶液进入裂脱再生塔，再生好的溶液由塔底流到溶液循环槽，经过滤加压循环使用。
脱硫溶液从循环槽出来后经过滤加压送到变脱塔，吸收气体中的H2S，由变脱塔出来的溶液进入变脱溶液再生塔，再生好的溶液由变脱再生塔出来，进入变脱溶液循环槽，再经过滤加压，如此循环使用。
1.4栲胶法脱硫的优缺点
1.4.1优点
栲胶法脱硫是目前工业化生产中应用较多的湿式脱硫方法，它本身有许多优越之处，但是与此同时，也存在着许多的不足。
栲胶是聚酚类（丹宁）物质，可替代ADA作为载氧体，价格低廉，栲胶本身还是良好的络合剂，不需要添加酒石酸钾钠的络合剂。
此法的吸收效果与ADA相近，且具有不容易堵塞脱硫塔填料，栲胶资源丰富，价格便宜以及脱硫液活性好，性能稳定，腐蚀性小等优点。
此外，脱硫效率大于98℅，所析出的硫容易浮选和分离。
栲胶法脱硫整个脱硫和再生过程为连续在线过程，脱硫与再生同时进行，不需要设置备用脱硫塔。
煤气脱硫净化程度可以根据企业需要，通过调整溶液配比调整，适时加以控制，净化后煤气中H2S含量稳定。
（1）栲胶资源丰富、价格低廉、无毒性、脱硫溶液成本低，因而操作费用要
改良ADA法低。
（2）脱硫溶液的活性好、性能稳定、腐蚀性小。
栲胶本身既是氧化剂，又是钒的络合剂，脱硫溶液的组成比改良ADA法简单，且脱硫过程没有硫磺堵塔问题。
（3）脱硫效率大于98℅，所析出的硫容易浮选和分离。
（4）栲胶法脱硫整个脱硫和再生过程为连续在线过程，脱硫与再生同时进行，不需要设置备用脱硫塔。
（5）煤气脱硫净化程度可以根据企业需要，通过调整溶液配比调整，适时加以控制，净化后煤气中H2S含量稳定。
1.4.2缺点
（1）配制脱硫液和往系统中补加时都要经过加热溶化制备过程。
（2）设备较多，工艺操作也较复杂，设备投资较大。
1.4.3硫化物对作为原料气生产工艺过程有何危害
（1）对催化剂的危害硫使甲烷化催化剂，高（中）温变换催化剂，甲醇合成催化剂何氨合成催化剂的主要毒物之一，能使它们的活性和寿命降低；
（2）对产品质量的危害碳铵生产过程中，当变换气中硫化氢含量高时，在碳化母液中积累增高。
使母液粘度增大，碳铵结晶变油，不仅造成分离困难，同时，由于生成FeS沉淀致使碳铵颜色变黑；
（3）在尿素生产过程中，硫化氢进入尿素合成塔时会生成硫脲，污染尿素产品，降低产品质量；
（4）对铜洗操作的危害铜氨液吸收硫化氢生成CuS沉淀，这种沉淀物颗粒很细，悬浮在溶液中导致溶液粘度增大，发泡性增强，铜耗上升，破坏铜洗系统的正常运行；
（5）对金属腐蚀硫化氢能使碳钢设备及管线发生失重腐蚀，应力腐蚀，氢脆和氢鼓泡，使设备及管线寿命减短；
（6）对人体的毒害硫化氢是强烈的神经毒物，接触人的呼吸道粘膜后，即分解成Na2S，加之本身的酸性对人体的呼吸道粘膜有明显的刺激作用。
硫化氢经呼吸系统进入血液中来不及氧化时就会引起会全身中毒反应，随硫化氢浓度的增加会造成呼吸麻痹，窒息以致停止呼吸而死亡。
因此，为了提高企业最终产品质量和保持人们优良的生存环境，对粗煤气进行脱硫是非常必要的。
1.4.4粗煤气脱硫系统的正常开车操作要点
（1）检查各设备，管道，阀门，分析取样及电器，仪表等，必须正常完好。
（2）检查系统内所有阀门的开关位置，应符合开车要求；
（3）与供水，供电，供气部门及造气，压缩工段联系，作好开车准备；
（4）将脱硫液成分调整在工艺指标范围内；
（5）氨规程进行系统吹净，清洗，试漏和置换工作（系统未经检修处于保压状况下对的开车，不进行该项工作）；
（6）调净气柜出口水封积水；
（7）开启各气体冷却塔和清洗塔进水阀，并调节好水量及各塔液位；
（8）开启贫液泵进口阀，启动贫液泵，向脱硫塔打入脱硫液，并调节好液位；
（9）开启富液泵进口阀，启动富液泵，向再生槽送液；
（10）根据脱硫液循环量和再生液槽液位，调节好贫液泵，富液泵的打液量，并控制好贫液槽，富液槽液位计流量；
（11）开启罗茨鼓风机，并调节好粗煤气流量；
（12）根据粗煤气流量大小，调节好液气比。
适当开启清洗塔，放空阀，焦炉煤气脱硫合格后，与压缩工段联系，并关闭放空阀，向压缩机一段送气；
（13）根据再生槽的硫泡沫形成情况，调节液位调节器，保持硫泡沫的正常溢流；
（14）分析粗煤气中氧含量合格后，开启静电除焦油塔。
1.4.5脱硫后硫化氢含量高的主要原因
（1）进入系统的粗煤气中硫化氢含量过高，或进塔粗煤气气量过大；
（2）脱硫液循环量小；
（3）脱硫液成分不当；
（4）脱硫液再生效率低或悬浮硫含量高；
（5）进脱硫塔的粗煤气或贫液温度高；
（6）脱硫塔内气液偏流，影响脱硫效率；
1.4.6脱硫后硫化氢含量高的处理方法
（1）联系造气工段更换含硫量低的煤炭，降低进脱硫系统粗煤气中的硫化氢含量或适当减少粗煤气气量；
（2）适当加大脱硫液循环量；
（3）把脱硫液成分调整扫工艺指标要求范围内；
（4）检修喷射再生器或适当提高溶液进再生器的压力，增加自吸空气量，提高溶液的再生凶案绿；检修离心机滤网，减少漏泡沫量，增加再生槽硫泡沫的溢流量，减少溶液中悬浮硫含量；
（5）加大气体冷却器的冷却水，降低进系统粗煤气温度；
（6）检查清理脱硫塔喷头及填料，确定气液分布均匀。
1.5设计任务的依据
工艺参数：
粗煤气入吸收塔时H2S的含量，C1=10g/m3
净化气中H2S的含量，C2=0.15g/m3
入吸收塔焦炉煤气量，G0=24000m3/h
入冷却塔焦炉煤气温度，t1=50℃
出冷却塔入吸收塔焦炉煤气温度，t2=35℃
入吸收塔焦炉煤气压力，1.39atm（表）
设计目标：
净化煤气中H2S浓度≤0.15g/m3
2生产流程及方案的确定
焦炉煤气的净化主要是要脱除煤气中的H2S，脱硫的方法有两种：
干法脱硫、湿法脱硫。
干法脱硫既可以脱除无机硫，又可以脱除有机硫，而且能脱至极精细的程度，但脱硫剂再生较困难，需周期性生产，设备庞大，不宜用于含硫较高的煤气，一般与湿法脱硫相配合，作为第二级脱硫使用。
湿法脱硫可以处理含硫量高的煤气，脱硫剂是便于输送的液体物料，可以再生，且可以回收有价值的元素硫，从而构成一个连续脱硫循环系统。
现在工艺上应用较多的湿法脱硫有氨水催化法、改良蒽醌二磺酸法（A.D.A法）及有机胺法。
其中改良蒽醌二磺酸法的脱除效率高，应用更为广泛。
但此法在操作中易发生堵塞，而且药品价格昂贵，近几年来，在改良A.D.A的基础上开发的栲胶法克服了这两项缺点。
3生产流程说明
3.1反应机理
反应机理是脱硫的根本，也是整个脱硫过程中的核心部分。
以下是栲胶法脱硫的反应机理。
3.1.1碱性水溶液吸收H2S
Na2CO3+H2S→NaHS+NaHCO3
3.1.2五价钒络合物离子氧化HS-析出硫磺，五价钒被还原成四价钒
2V5++HS1-→2V4++S+H1+
3.1.3醌态栲胶氧化四价钒成五价钒，空气中的氧氧化酚态栲胶使其再生，同时生成H2O2
TQ（醌态）+V4++2H2O→THQ（酚态）+V5++2OH-
2THQ+O2→2TQ+H2O2
3.1.4H2O2氧化四价钒和HS-
H2O2+V4+→V5++2OH-
H2O2+HS-→H2O+S+OH-
3.1.5当被处理气体中有CO2、HCN、O2时产生如下副反应：
NaCO3+CO2+H2O→2NaHCO3
Na2CO3+2HCN→2NaCN+H2O+CO2
NaCN+S→NaCNS
2NaCNS+5O2→Na2SO4+CO2+SO2+N2
2NaHS+2O2→Na2S2O3+H2O
3.2主要操作条件
3.2.1溶液组分
溶液的主要组分是碱度、NaVO3、栲胶。
3.2.1.1碱度
溶液的总碱度与其硫容量成线性关系，因而提高总碱度是提高硫容量的有效途径，一般处理低硫原料气时，采用的溶液总碱度为0.4N，而对高硫含量的原料气则采用0.8N的总碱度。
PH值再8.5~9.0。
碱度过高，副反应加剧。
3.2.1.2NaVO3含量
NaVO3的含量取决于脱硫液的操作硫容，即与富液中的HS-浓度符合化学计量关系。
应添加的理论浓度可与液相中HS-的摩尔浓度相当，但在配制溶液时往往要过量，控制过量系数在1.3～1.5左右。
3.2.1.3栲胶浓度
作为氧载体，栲胶浓度应与溶液中钒含量存在着化学反应的计量关系。
从络合作用考虑，要求栲胶浓度与钒浓度保持一定的比例，同时还应满足栲胶对碳钢表面缓蚀作用的含量要求。
目前还无法有化学反应方程计算所需的栲胶浓度，根据实践经验，比较适宜的栲胶与钒的比例为1.1～1.3左右。
工业生产中使用的溶液组成见下表2：
表2工业生产使用的栲胶溶液组成
溶液类别
总碱度∕N
Na2CO3∕（g·L-1）
栲胶∕（g·L-1）
NaVO3∕（g·L-1）
稀溶液
0.4
3～4
1.8
1.5
浓溶液
0.8
6～8
8.4
7.0
3.2.2温度
操作温度低，再生效果差；温度过高，副反应加剧，生成大量硫代硫酸钠灯盐类，常温范围内，H2S、CO2脱除率及Na2S2O3生成率与温度关系不敏感。
再生温度在45℃以下，Na2S2O3的生成率很低，超过45℃时则急剧升高。
通常吸收与再生在同一温度下进行，约为30～40℃。
3.2.3CO2的影响
栲胶脱硫液具有相当高的选择性。
在适宜的操作条件下，它能从含99℅的CO2原料气中将200mg/m3（标）的H2S脱除至45mg/m3（标）以下。
但由于溶液吸收CO2后会使溶液的PH值下降，使脱硫效率稍有降低。
3.3工艺流程
来自除尘工段的焦炉煤气从脱硫塔底部进入，与塔顶上喷淋下来的栲胶脱硫液逆流接触，在极短时间内完成吸收硫化氢的反应。
脱除硫化氢的煤气由塔顶出来，经旋流板，分离器分离掉所夹带的液滴后去压缩工段。
脱硫后的富液由塔底出来去脱硫塔液封槽，液封槽出来进入富液槽，然后又再生泵加压送到喷射器，在喷射器内自吸空气并在喉管及扩散管内进行反应，然后液气一起进入在再生槽，由底部经筛板上翻，进行栲胶溶液的氧化再生和硫泡沫浮选，再生后的贫液流入贫液槽，再生脱硫泵分别送往脱硫塔，循环使用。
喷射再生槽顶浮选出来的硫泡沫自动溢流入中间泡沫槽，再由泡沫泵抽硫泡沫到上泡沫槽，经加温，搅拌，静止分层后，排去上清液，该上清液流入富液槽内，硫泡沫经真空过滤机过滤，滤液流入地下槽，硫膏进入熔硫釜进行熔硫，熔融硫流入铸模，待冷却成型后即成为副产品，硫膏。
拟设计栲胶法脱硫及再生反应过程如下：
（1）吸收：
在吸收塔内原料气与脱硫液逆流接触硫化氢与溶液中碱作用被吸收；
（2）析硫：
在反应槽内硫氢根被高价金属离子氧化生成单质硫；
（3）再生氧化：
在喷射再生槽内空气将酚态物氧化为醌态；
以上过程按顺序连续进行从而完成气体脱硫净化，湿法脱硫和再生工艺流程如下（见图）：
1－分离器；2－脱硫塔；3－水封；4－循环槽；5－溶液泵；6－液位调节器；
7－再生槽；8－硫泡沫槽；9－真空过滤机；10－熔硫釜；11－空气压缩机；
图1湿法栲胶脱硫工艺流程简图
3.4主要设备介绍
3.4.1填料塔
填料塔用于要求高的H2S脱除效率。
用作脱硫的填料塔每段填料间设有人孔，以供检查用。
填料塔结构简单，造价低廉，制造方便。
这种塔体，喷淋装置，填料再分布器，栅板以及气，液的进出口等部件组成。
而填料是填料塔的核心部作分，填料塔操作性能的好坏与所选的填料有很大的关系，选择填料应当遵循一下原则：
单位体积填料的表面积大，气液相接触的自由体积大；填料空隙率要大，气相阻力小；重量轻，机械强度高；耐介质腐蚀，经久耐用，价格低廉。
而填料的类型，尺寸和堆积方式决定于所处理的介质的性质。
气液流量的大小和允许的压力降。
本次设计，我选用的是聚丙烯阶梯环（φ50mm×25mm×1.5mm）的乱堆填料，这种填料塑料的表面较光滑，所以不易被硫堵塞，用这种填料同时有很高的脱硫效率。
填料的作用是完成对脱硫液及气体的再分布，同时为气液分布提供较大的相界面。
脱硫液从塔顶经分布器均匀喷淋在填料上，再填料表面形成液膜，并向下流动，与经填料空隙上升的气体接触，完成对H2S的吸收。
3.4.2氧化槽
世界上使用最多的是有空气分布板的垂直槽，圆形多孔板安装于氧化槽的底部，孔径一般为2mm，空气压力必须克服氧化槽内溶液的压头与分布板的阻力，空气在氧化器的截面均匀的鼓泡，液体与空气并流向上流动，硫泡沫在槽顶部的溢流堰分离，分离硫后的清液在氧化槽顶部下面一点引出。
这种形式的氧化槽需要鼓风机将空气压入。
中国很多工厂使用一种自吸空气喷射型的氧化槽，不需要空气鼓风机。
液体加压从喷嘴进入，空气从文丘里的喉管吸入。
氧化槽是一大直径的圆槽，槽内放置多支喷射器。
氧化槽目前使用最佳的是双套筒二级扩大式，脱硫液通过喷射再生管道反应，氧化再生后，经过尾管流进浮选筒，在浮选筒进一步氧化再生，并起到硫的浮选作用。
由于再生槽采用双套筒，内筒的吹风强度较大，不仅有利于氧化再生，而且有利于浮选。
内筒上下各有一块筛板，板上有正方形排列的筛孔，直径15mm，孔间距20mm，开孔率44%。
内筒吹风强度大，气液混合物的重度小，而内外筒的环形区基本上无空气泡，因此液体重度大。
在内筒和环形空间由于重度不同形成循环。
氧化槽的设计有如下三个基本参数①要求的空气流量；②氧化器的直径；③有效的液体容积。
空气流量正比于硫的产量、反比于液体在氧化器内的有效高度，比值可按氧化器内每米有效液面高度氧利用率为0.6%～0.7%来计算。
氧化器直径正比于空气流量与空气比重的平方，为了得到良好的硫浮选，空气流速一般选25～30m3/（min·m2）截面。
液体在氧化器的停留时间正比于液体流量，要求的停留时间与氧化器数量有关，当用一个氧化器时，停留时间约45min，用两个氧化器停留时间不超过30min，多级氧化器有较高的气液传质效率，第一个氧化器出来的液体供给第二个氧化器，硫泡沫从第二个氧化器顶部分离，第一个氧化器的空气流量大，增大湍流使传质加快。
第二个氧化器空气流量较小，使硫浮选。
3.4.3反应槽
内有隔板以块。
主要作用是增加脱硫液的反应时间。
3.4.4贫液泵
完成对贫液的升压与输送任务。
H=54m,10SH-6A,Q=468m3/h。
3.4.5硫泡沫槽
硫泡沫槽是一锥形底的钢制圆筒，槽顶设有15～25转/min的搅拌机一个，以保持槽内硫泡沫经常呈悬浮状态。
此槽容积可按存放3～6h的硫泡沫存量计算。
3.4.6过滤器
工业上常用连续作业的鼓形真空过滤机，所需过滤面积可按每1m2过滤面积于1h内能滤过干燥硫磺60～80kg计算。
通常采用的真空过滤机，当过滤面积为10m2时，其直径为2.6m，长为1.3m。
中国最近使用戈尔膜过滤器来过滤硫泡沫。
该过滤元件是由多振过滤薄膜袋组成，多孔膜的材料是聚四氟乙烯薄膜，可根据工作负荷的大小
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