焦化厂焦炉煤气脱硫工段的设计.docx

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本科生毕业设计

100万吨/年焦化厂焦炉煤气脱硫工段的设计

摘要

本设计为100万t/a焦化厂焦炉煤气脱硫工段的设计，采用的煤气脱硫方法为湿法脱硫的改良A.D.A.法。

本设计的主要任务是脱除焦炉煤气中的硫化氢，同时要使生产出来的煤气各项指标能满足要求，达到民用煤气的标准。

设计的主要内容包括：

1、煤气脱硫方法的概述和意义；2、工艺流程的选择与论证，选用改良A.D.A法；3、主要设备的计算、选型和布置；4、保障生产正常进行所必须的非工艺部分，包括供水、供电、采暖、设备维修、仪表自动化等；5、经济核算，每生产一吨焦炭该设计工段亏损7.0元。

本设计的工艺部分包括煤气脱硫和脱硫液再生以及硫磺回收。

脱硫采用了脱硫塔，再生部分用再生塔，对于其基本原理，文中有着详细的论述，回收硫部分采用了真空过滤机。

在设计过程中，参考了焦化厂的焦炉煤气净化工艺，并在其基础上将国内外一些新的、成熟的工艺进行了比较、引用。

关键词：

焦炉煤气；脱硫；改良A.D.A法

Abstract

Thisisadesignof100milliont/acokingplantcokeovengasdesulfurizationsection,themethodforgasdesulfurizationistheimprovedADAlaw.Themaintaskofthisdesignistheremovalofhydrogensulfideincokeovengas,andthegasproducedtomaketheindicatorstomeettherequirements,tociviliangasstandards,atthesametime.

Themaincontentsofthedesignareasfollows:

1,anoverviewofgasdesulphurizationandsignificance.2,theprocessofselectionanddemonstration,selecttheimprovedofADAAct.3,thecalculation,selectionandarrangementofmajorequipment.4,thesecuritynecessaryfornormalproductionofnon-technologycomponents,includingwater,electricity,heating,equipmentmaintenance,instrumentationandautomation.5,theeconomicaccounting,produce1tonofcokenecessarytolossof7.1442yuan.

Partofthedesignprocessincludinggasdesulfurizationandregenerationofthedesulfurizationsolutionandsulfurrecovery.Inzhedeign,partofdesulfurizationthedesulfurizationtowerisused,recycledpartsrecycledtowerisused.Forthebasicprinciples,thepaperhasadetaileddiscussion.Partofsulfurrecoverythevacuumfilterisused.

Inthedesignprocess,withreferencetothecokingplantinXuzhouUniversecokeovengaspurificationprocess,andonitsbasis,comparedthehomeandabroadnew,maturetechnology,andreferences.

Keywords:

cokeovengas;desulfurization;improvedADAAct

目录

1总论 1

1.1焦炉煤气脱硫的目的和意义 1

1.2硫化氢的性质 1

1.3设计的要求与说明 1

1.4设计的任务 2

1.5厂址的选择 2

1.5.1地理条件 2

1.5.2资源条件 2

1.5.3供排水条件 2

1.5.4交通运输条件 2

1.5.5经济条件 2

1.5.6气候条件 2

2脱硫工艺论证及确定 3

2.1脱硫方法概述 3

2.1.1干法脱硫 3

2.1.2湿法脱硫 3

2.2脱硫工艺的确定 10

2.2.1脱硫工艺的选择 10

2.2.2脱硫工艺的优化 11

3改良A.D.A法脱硫工艺流程及操作 12

3.1脱硫工艺流程 12

3.2影响碱液对硫化氢吸收速度的因素 13

3.3主要工艺参数 13

3.4脱硫工艺操作要点 14

4主要设计计算依据 15

4.1煤气量计算 15

4.1.1计算依据 15

4.1.2计算过程 15

4.2主要设计计算参数 15

4.2.1设备参数 15

4.2.2原材料消耗参数 15

4.2.3主要设计要求 16

4.3物料衡算 16

4.3.1H2S的吸收量 16

4.3.2HCN的吸收量 16

4.3.3H2S的转化量 16

4.3.4原料消耗 17

5主要设备的设计及计算 18

5.1脱硫塔 18

5.1.1计算参数 18

5.1.2脱硫塔的计算 18

5.1.3塔顶喷淋装置 19

5.2再生塔 20

5.3反应槽 21

5.4事故槽 22

5.5加热器 22

5.6循环泵 23

5.6.1管内的阻力损失 24

5.6.2换热器阻力损失 24

5.7空压机 25

5.8硫泡沫槽 26

5.9真空过滤机 26

5.10熔硫釜 27

5.11通风机 28

5.12主要管道管径 28

5.12.1煤气管道 28

5.12.2压缩空气管道 28

5.12.3蒸汽管道 28

6主要设备的选型 29

6.1脱硫塔 29

6.2再生塔 29

6.3循环泵 29

6.4空气压缩机 29

7工段布置及总平面布置 31

7.1布置原则 31

7.2布置要点 31

7.3其他要求 32

7.4总平面布置及说明 32

8非工艺部分 33

8.1共用设施 33

8.1.1供水 33

8.1.2供电 33

8.1.3蒸汽与压缩空气 33

8.1.4供暖与通风 33

8.1.5土建 34

8.1.6机修 34

8.2仪表及自动化 34

9生产操作和劳动定员 36

9.1生产操作 36

9.1.1泵工正常操作 36

9.1.2泡沫工正常操作 36

9.1.3过滤机工正常操作 37

9.2劳动定员 38

10经济核算 39

10.1核算说明 39

10.2投资概算 39

10.2.1土建部分 39

10.2.2设备部分 39

10.2.3工具费 41

10.2.4设备施工管理费 41

10.2.5化验设备费 41

10.2.6工艺管道和阀门 41

10.2.7仪表费与电气费 42

10.2.8设计费 42

10.2.9不可预见费 43

10.3生产成本分析 43

10.3.1原料费 43

10.3.2动力消耗 44

10.3.3工资及附加费 44

10.3.4工段经费 44

10.4核算 44

参考文献 46

附录 48

1设备一览表 48

2图纸说明 49

本科生毕业设计

第48页

1总论

1.1焦炉煤气脱硫的目的和意义

焦炉煤气由焦化企业炼焦生产时产生。

从焦炉集气管流出的煤气称为荒煤气，其硫化氢含量与装炉煤料的全硫量有关。

一般干煤全硫的质量分数为0.5%~1.2%，其中有20％~45％转到荒煤气中，煤气中95％以上的硫以硫化氢形态存在，其他为有机硫。

硫化氢在煤气中的质量浓度一般为3g/标m3干煤气15g/标m3干煤气。

焦炉煤气中的硫化氢是非常有害的，在空气中含有0.1%的H2S就能使人致命。

当焦炉煤气最终用作燃料时，硫化氢及其燃烧产物二氧化硫均有毒，会严重破坏周围环境，影响人类健康,因而焦炉煤气中的硫化氢必须予以脱除。

焦炉煤气脱硫有十分重要的意义：

一是可以防止设备的腐蚀，减少设备维修费用，降低生产成本，提高回收产品的质量和产量。

二是提高焦炉煤气的品质，减少焦炉煤气燃烧后产生的污染。

煤气脱硫可以有效降低煤气燃烧后产生的二氧化硫等有害物质，保护周围的环境。

三是降低钢铁企业用煤气中硫化氢的含量可以使钢铁企业生产出优质钢材。

四是回收后的硫磺可用于医药、化工等领域，随着行业的发展，需求量会进一步加大。

因焦炉煤气的产量、用途、周围环境等原因，焦化企业焦炉煤气中硫化氢脱除方式也有很大的不同。

常用的方法主要为干法脱硫和湿法脱硫两种。

1.2硫化氢的性质

硫化氢（H2S）是硫的氢化物中最简单的一种。

其分子的几何形状和水分子相似，为弯曲形。

因此它是一个极性分子。

硫化氢由于H-S键能较弱所以300℃左右硫化氢分解。

常温时硫化氢是一种无色有臭鸡蛋气味的剧毒气体，应在通风处进行使用必须采取防护措施。

硫化氢是一种神经毒剂。

亦为窒息性和刺激性气体。

其毒作用的主要靶器是中枢神经系统和呼吸系统，亦可伴有心脏等多器官损害，对毒作用最敏感的组织是脑和粘膜接触部位。

急性硫化氢中毒一般发病迅速，出现以脑和（或）呼吸系统损害为主的临床表现，亦可伴有心脏等器官功能障碍，偶可伴有或无呼吸衰竭，其程度因接触硫化氢的浓度和时间而异。

因硫化氢毒性极大，但硫化氢比空气重（相对密度为1.17），且极易溶于水而形成氢硫酸。

故地势低处危险性比高处大;下风向硫化氢浓度大，上风向则浓度低等;在突发事故中用湿毛巾等捂嘴鼻、向高处避毒、向上风向撤离等，均可避免或减轻伤亡。

此外，硫化氢的化学活动性极大，电化学失重腐蚀、“氢脆”和硫化物应力腐蚀、破裂等对金属管线的腐蚀作用强烈。

1.3设计的要求与说明

本次的毕业设计是我们在校阶段最为重要的教学环节，是让我们将所学的理论知识与实际情况相结合的环节。

作为非常重要的毕业设计，它有以下几点要求：

1、需要学生积极的查阅相关的资料；

2、对工程技术的规定和准则要有一定程度的掌握；

3、要有自己独特的设计理念；

4、对具体的设计流程有一定的理解，知道该从哪下手以及如何下手；

5、学生应当有一定的绘图能力和计算能力，并且要有一定的经济头脑；

6、设计态度要绝对认真负责，具体的论证及设备选型上要从实际出发。

通过本次设计，我们可以将我们的认识提高到一个新的高度，对各方面的技能是一次很好的训练，如我们能更加熟练的查阅和运用各种文献，对如何认识问题，分析问题，解决问题会有更深的体会，对即将走向工作岗位的我们是一次极好的锻炼。

1.4设计的任务

本设计是脱除焦炉煤气中的硫化氢（100万t/a焦化厂焦炉煤气脱硫工段设计），同时要使生产出来的煤气各项指标能满足要求，达到民用煤气的标准。

煤中含有大量的硫，在炼焦过程中大约有70%的硫存在于焦炭中，剩下的分别存在于焦油和煤气中，而煤气中的硫有90%~95%以硫化氢的形式存在，所以脱硫化氢是煤气脱硫的关键。

设计的任务具体有一下几点：

1、按照给定的焦化厂设计规模计算煤气处理量并根据焦化设计规范的要求，对焦化厂煤气脱硫工段进行工艺论证。

2、确定脱硫工艺流程，进行物料平衡、热量衡算，计算和设计煤气脱硫塔和再生塔，根据计算进行主要设备的选型，绘制一张非标设备图。

3、进行脱硫工段的设备和工艺管道布置，绘制煤气脱硫工段的工艺流程图、总平面布置图、和设备与工艺管道平面图和立面图。

4、根据煤气脱硫工段的生产要求，对脱硫工段设计的非工艺技术部分提出要求，根据岗位设置与岗位操作编制岗位人员编制。

5、进行脱硫工段的投资估算和煤气脱硫生产成本的技术经济分析。

6、编制设计说明书。

1.5厂址的选择

脱硫工段要与焦化厂配套，焦化厂拟设在XX郊区，主要由以下几个方面决定。

1.5.1地理条件

1.5.2资源条件

1.5.3供排水条件

1.5.4交通运输条件

1.5.5经济条件

1.5.6气候条件

2脱硫工艺论证及确定

2.1脱硫方法概述

2.1.1干法脱硫

干法脱硫主要是利用氢氧化铁与其他制剂合成的脱硫催化剂脱除煤气中的硫化氢，经过再生的脱硫剂可重新使用。

干法脱硫主要用于气量较小的煤气脱硫或脱硫精度高的二次脱硫。

干法脱硫是将焦炉煤气通过含有氢氧化铁的脱硫剂，使氢氧化铁与硫化氢反应生成硫化铁或硫化亚铁，当饱和后，使脱硫剂与空气接触，在有水分存在时，空气中的氧将铁的硫化物转化成氢氧化物，脱硫剂再生连续使用。

其原理如下：

①脱硫反应式，当碱性时：

2Fe（OH）3+3H2S→Fe2S3+6H2O

2Fe（OH）3+H2S→2Fe（OH）2+S+2H2O

Fe（OH）2+H2S→FeS+2H2O

②再生反应式，当水分足量时：

2Fe2S3+3O2+6H2O→4Fe（OH）3+6S

4FeS+3O2+6H2O→4Fe（OH）3+4S

干法脱硫的特点是实行的历史悠久，所以在操作上成熟，运行也非常可靠，其工艺简单，净化程度很高，并且对设备的要求不是很高。

这种方法既可脱除煤气中的硫化氢，又可脱除氰化物，并且其脱除效果还不错。

煤气的干法脱硫装置常用的多为箱式，箱式干法脱硫装置设备较笨重，占地面积大，更换脱硫剂时劳动强度大。

对环境的污染也非常严重，废脱硫剂难以再利用。

故此在煤气的脱硫程度要求较高或者煤气处理量比较小时倒是适宜采用这种工艺，在焦化厂已很少采用。

2.1.2湿法脱硫

湿法脱硫适用于较大煤气处理量的装置，在工业上得到广泛应用。

湿法脱硫按溶液的吸收与再生性又分为氧化法、化学吸收法和物理吸收法。

（1）氧化法：

氧化法是借溶液中载氧体的催化作用，把被吸收的硫化氢氧化成硫，再用空气氧化使溶液获得再生。

一般有砷碱法、改良A.D.A.法、萘醌法、液相氨水催化法和铁碱法等。

氧化法也需要用碱液作为吸收液。

（2）化学吸收法：

是以稀碱液为脱硫剂与硫化氢进行化学反应而形成的化合物，当富液温度升高，压力下降时，该化合物分解放出硫化氢，脱硫剂得到再生。

烷基醇胺法和碱性盐溶液法即属这一类。

（3）物理吸收法：

常用有机溶剂脱除硫化氢，完全是物理吸收过程。

当压力升高，吸收硫化氢，减压时，吸收硫化氢后的吸收剂（富液）解析硫化氢，溶剂可循环使用，如环丁砜法。

虽然湿法脱硫的方法很多，但基本上包括吸收与再生两部分。

吸收的目的在于吸收即将气体中所含硫化氢尽可能脱除，而使脱硫后的煤气符合要求。

再生的目的则是使吸收了硫化氢的吸收剂复原，并回收其中的硫。

以下为几种常见的湿法脱硫方法。

（一）A.D.A.法与改良A.D.A.法

这两种方法都属于湿式氧化脱硫法，改良A.D.A.法是A.D.A.法的改进也称为G-V法（Giammaarco-VetrocokeProcess）。

两种方法都以碳酸钾（或碳酸钠）的水溶液中添加白砒活化剂作为吸收液，但吸收机理却有着本质上的区别。

（1）A.D.A.法的脱硫原理

A.D.A.法主要依靠多硫代砷酸盐对硫化氢的吸收作用，主要化学反应如下：

①吸收反应

M4AS2S5O2+H2S→M4AS2S6O+H2O

M4AS2S6O+H2S→M4AS2S7+H2O

②再生反应

M4AS2S7+12O2→M4AS2S6O+S

M4AS2S6O+12O2→M4AS2S5O2+S

上述的吸收反应速度较慢，产物为硫代砷酸盐，在溶液中容易离解成硫氢根离子，它不易被氧化成硫代硫酸盐，从而增加了液面上的硫化氢成份，影响了煤气的脱硫程度。

而当煤气中含有氰化氢时，还产生硫氰化物的副反应。

因此，砷碱法已基本淘汰。

（2）改良A.D.A.法的脱硫原理

改良A.D.A.法虽然也是用极毒物质白砒为活化剂，但其脱硫效率高、副反应少、硫容量大、操作范围广，至今仍被应用。

主要化学反应为：

吸收反应：

M3ASO3+3H2S→M3ASS3+3H2O

熟化反应：

M3ASS3+3M3ASO4→3M3ASO3S+M3ASO3

酸化反应：

M3ASO3S→M3ASO3+S

氧化反应：

M3ASO3+12O2→M3ASO4

综上所述反映可知最终的反应为硫化氢的氧化反应，即湿式氧化脱硫的基本反应，即

3H2S+32O2→3S+3H2O

吸收反应生成的硫代亚砷酸盐具有低的硫化氢分压，从而可使煤气的脱硫净化程度高。

硫代亚砷酸盐经熟化反应，缓慢的转化成一硫代砷酸盐和亚砷酸盐，一硫代砷酸盐的硫化氢分压更低。

熟化反应在氧化塔中进行。

在氧化塔中还生成一硫代砷酸盐最终酸化分解为亚砷酸盐和元素硫，以及亚砷酸盐氧化为砷酸盐的反应。

由元素硫制取熔融硫的过程与A.D.A.法相同。

砷碱法脱硫从制备新鲜脱硫剂到脱硫剂的吸收、再生，工艺都十分复杂，所耗动力及所需设备较多，操作毒性大，危害工人的身体健康，且容易堵塔，在我国已逐渐被改良A.D.A.法取代。

（二）改良A.D.A.法

改良A.D.A.法（又称改良蒽醌二磺酸钠法）是湿法脱硫中一种较成熟的方法，它是在A.D.A法的基础上开发出来的，具有脱硫效率高（可达99.5%以上）、对硫化氢含量不同的煤气适应性较大、溶液无毒性、对操作温度和压力的适应范围较广、对设备腐蚀较轻及所得副产品硫磺的质量较好等优点。

目前在我国已得到广泛应用。

（1）A.D.A.法的脱硫原理

该法是由英国西北煤气局和克里顿苯胺公司联合开发的技术，称为蒽醌二磺酸钠法简称A.D.A.法。

以碳酸钠的水溶液为吸收剂，以A.D.A.为活性添加剂进行脱硫，其脱硫过程主要发生以下化学反应:

①碱液吸收硫化氢：

Na2CO3+H2S→NaHS+NaHCO3

②A.D.A.被还原：

RC=O+NaHS→RC

其中RC代表蒽醌二磺酸钠，它有几种异构体，其中以2，6-A.D.A.和2，7-A.D.A.的脱硫性能较佳。

目前用以脱硫的即为两者的混合物。

其结构式分别为：

2，6—蒽醌二磺酸　　　　　　　　　　2，7—蒽醌二磺酸

③氧化析硫：

2RC+NaHCO3+12O2→RC=O+RC+Na2CO3+2S↓+H2O

④还原态的A.D.A.氧化为氧化态A.D.A.：

2RC+12O2+NaHCO3→2RC=O+Na2CO3+H2O

上述反应①是在脱硫塔中进行的，反应②和反应③是在循环槽中进行的，反应④是在再生塔中进行的。

第二步反应的反应速度很慢，所需反应时间长，而还原态A.D.A.与溶解氧之间的反应速度受到吸收液中溶解氧浓度的限制，只是溶液的硫容量很低，需要大量的溶液进行循环。

图2.1脱硫过程示意图

1-吸收塔；2-再生塔；3-循环槽；4-循环泵

为了克服上述A.D.A.法的缺点，在吸收液中添加了偏钒酸钠和酒石酸钾钠。

改良后的方法称为改良A.D.A.法。

（2）改良后A.D.A.法脱硫原理

改良A.D.A.法改变了化学吸收液中硫氢根离子氧化析硫的机理。

由于偏钒酸钠中的钒离子能够变价（钒离子可以由4价正离子变为5价正离子或反之），当脱硫液中加入偏钒酸钠后，可改变传递氧的途径。

改良A.D.A.法的反应过程为：

①H2S被碱液吸收：

Na2CO3+H2S→NaHS+NaHCO3

②偏钒酸钠与硫氢化钠反应，生成焦钒酸钠并析出元素硫：

4NaVO3+2NaHS+H2O→Na2V4O9+2S↓+4NaOH

③焦钒酸钠在碱性脱硫液中为A.D.A.（氧化态）氧化再生成为偏钒酸钠：

Na2V4O9+2A.D.A.（氧化态）+2NaOH+H2O→

4NaVO3+2A.D.A.（还原态）

④还原态的A.D.A.于再生塔内，用通入空气的方法使之氧化再生成氧化态：

2A.D.A.（还原态）+O2→2A.D.A.（氧化态）+2NaOH

⑤碱液再生：

NaHCO3+NaOH→Na2CO3+H2O

这样，从理论上看，在整个脱硫反应过程中，偏钒酸钠、A.D.A.和碳酸钠都可获得再生，供脱硫过程中循环使用。

一般由于焦炉煤气中含有一定量的二氧化碳和少量的氰化氢及氧，所以在脱硫过程中还发生下列副反应：

⑥煤气中二氧化碳与碱液反应：

Na2CO3+CO2+H2O→2NaHCO3

⑦煤气中的氰化氢和氧参与反应：

Na2CO3+2HCN→2NaCN+H2O+CO2↑

NaCN+S→NaCNS

2NaHS+2O2→Na2S2O3+H2O

⑧部分Na2S2O3被氧化为Na2SO4　：

2Na2S2O3+O2→2Na2SO4+2S↓

在反应过程中还产生钒-氧-硫的黑色络合物沉淀。

为了防止沉淀生成，在溶液要添加少量的酒石酸钾钠，酒石酸钾钠能与多数金属离子结合成络离子，形成可溶性的络合物，从而防止金属离子从碱性溶液中沉淀出来，以减少钒的消耗。

改良A.D.A.法脱除硫化氢系统的主要设备为脱硫塔和再生塔。

脱硫塔可采用填料塔（木格填料或聚丙烯特拉雷特填料）或空喷塔。

再生塔为钢板焊制，从中段至塔底装有3块筛板，使硫泡沫和空气均匀分布。

其顶部设有扩大部分，塔壁与扩大圈间形成环隙。

这种再生它具有效率高、操作稳定的优点，但设备高大且空气鼓风的动力消耗大是其缺点。

近年来已开始改用喷射再生槽及立式氧化槽。

目前，改良A.D.A.脱硫工艺又有所改进，如英国霍姆公司推荐的改进A.D.A.法，其流程包括四个工序：

a.脱除硫化氢，用硫化钠和硫组成的溶液洗涤煤气，使HCN转为NaCNS，然后经此溶液送往下一工序处理，脱HCN效率可达95%。

b.用改良A.D.A.溶液洗涤煤气，脱硫效率可达99.9%。

c.将硫泡沫制成纯度高达99.8%的硫磺。

d.将固定盐类回收加工，生成含有H2S的气体和钠盐，前者用于制取硫酸，后者钠盐重新利用。

（三）栲胶法

所谓栲胶是从植物中含有丹宁丰富的皮、果、叶及它们的干等原料中提取的浆状或粉状物。

丹宁结构复杂，含有大量的羟基（可作氧化剂）和镄基（可作络台剂），且资源丰富，价格便宜。

栲胶法已被一些工厂采用。

其脱硫原理如下：

栲胶溶液在碱性条件下通入空气使丹宁降解，然后按下式进行脱硫和再生。

①脱硫：

用碱液吸收硫化氢

Na2CO3+H2S→NaHCO3+NaHS

硫化氢在液相中与偏钒酸钠反应，生成焦钒酸钠，并析出硫。

2NaHS+