酸性水汽提装置旋喷脱硫实验研究

＊黄卫存

（镇海石化工程股份有限公司 浙江 315040）

1.引言

在炼制石油的过程中，会产生大量的酸性水，通过酸性水汽提装置可以对酸性水进行净化后再循环利用。在汽提装置中有多个大型酸性水储罐，单个罐顶会产生流量约为200m3/h含硫化氢酸性气，需对罐顶气进行脱硫后才能排至瓦斯管网或火炬[1]。目前工业生产中，处理工业污染水的汽提装置，常采用的工艺流程大致有四种，包含单塔加压侧线抽出汽提、单塔加压无侧线汽提、单塔常压汽提、双塔加压汽提[2]。在汽提工艺中，塔顶排除的气体中95%以上都是水蒸气，因此如果采用化学试剂处理会造成大量试剂浪费，投入成本高且效率低，所以比较常见的方法是采用火炬焚烧的方法，直接利用燃烧将H2S、NH3氧化为SO2、N2和H2O，直接去除污染气体，生成无毒气体，直接排放到大气中。含硫废气的存在不仅会在开采、处理和运输的过程中造成设备和管道的腐蚀[3]，用作燃料时也会污染环境，危害人体健康[4]。因此对酸性水进行脱硫处理具有十分重要的意义。目前主流脱除硫化氢的方法分为干法脱硫、湿法脱硫。干法脱硫成本相对较低，在工业上被广泛应用，但其脱硫效率相对其他方法较低，仅为70%左右[5]，并且干法脱硫剂在使用一定时间后需要更换，从而产生一定量的危废，还需要更换过程的停工检修时间。湿法脱硫由于其极高的吸收效率被广泛运用，脱硫塔就是最普遍的湿法脱硫方法运用[6]。传统的化学吸收法去除速度快，吸收率高，但容易腐蚀设备[7]，所需的停留时间较长，设备重量和整体占地面积较大，所使用的脱硫设备气液比较高，吸收液用量较大，吸收液需要一定的再生能耗和损耗，吸收液流速较慢会形成一定区域的结垢或堵塞，从而增加整塔压降。

本研究致力于开发高效的酸性水汽提喷射吸收脱硫技术，使用气相旋流-液相射流吸收器及设备对酸性水汽提中的含硫废气进行处理，在确保达标的前提下，通过吸收液雾化及雾滴湍流运动，大幅扩大传质面积和传质速率，从而降低气液比、减少吸收液用量、大大减少气相停留时间，提高吸收液流速从而避免结垢堵塞，使装置占地、投资维护成本均大幅降低，与现如今节能减排相契合，具有重要的社会环保经济效益。

2.实验部分

准备好待处理气体的吸收剂在气相旋流-液相射流吸收器中的存在状态可以是雾状或者细射流两种，并与切向进入的旋流气体产生碰撞。当高速运动的气体旋流场中，吸收液液滴受到切向的剪切力作用，发生液滴破碎成为无数更为微小的液滴，液滴表面不断更新，吸收能力达到最佳。此破碎重组过程不同浓度含H2S的酸性气体由风机从储气瓶中吸出，沿切向射入气相旋流-液相射流净化器，同时储液箱中的吸收液由水泵吸出，进入净化器，并由管壁上小孔打散，形成细小水柱，流程如图1所示。

本次实验主要研究含硫化氢气体的流量与待处理气体中硫化氢的浓度、碱性吸收液中Na2CO3的浓度、碱性吸收液进入旋风吸收器中心段时的流量等各种工艺参数对含有H2S的混合气体脱除率的影响。对气相旋流-液相射流吸收器脱除硫化氢气体的效果和可行性进行研究，拓展该装置于此领域的应用。

实验采用常温空气与H2S的混合气体模拟气体，吸收液采用Na2CO3溶液。实验开始前将浓度为CL的Na2CO3溶液共30L倒入液体循环槽中并搅拌均匀，通过加热装置将循环罐中的温度恒定控制在温度T，打开液泵为溶液加压，将Na2CO3溶液输送至气相旋流-液相射流吸收器的夹套中，并将液体流量控制在所需值QL，通过液体转移作用将吸收的液体转移到泵中。经过液泵输送，碱性吸收剂通过装置的喷射孔喷入气相旋流-液相射流吸收器中。实验开始时，打开H2S钢瓶和风机，使两种气体混合，通入气相旋流-液相射流吸收器中，调节风机风速大小，使气体流量达到所需值QG。在气相旋流-液相射流吸收器中，气液两相发生剧烈的旋流吸收反应。通过反应，净化后的含硫混合气体从上部出气口排出，碱性吸收剂从装置下部液体出口流出，并循环使用。实验过程中控制环境温度在25℃左右，上下不超过2℃，气相旋流-液相射流吸收器内部温度由所安装的温度计监测。硫化氢的吸收率η由下式定义：

式中，cin表示H2S的入口浓度，mg/m3；cout表示H2S的出口浓度，mg/m3。

3.实验结果与讨论

(1)气体流量对含硫气体净化效率的影响

当H2S进口浓度cin=100mg/m3，温度为25℃，Na2CO3吸收液流量QL=100L/h，Na2CO3的质量分数为0.6%。吸收液使用量高于吸收反应过程所需要的用量时，研究在三种不同喷射角度下气体流量对脱硫效率的影响，控制气体流量变化区间为5～17m3/h，实验结果如图2所示。由实验结果可知，在三种喷射角度的情况下，脱硫效率均随着气体流量的增大而持续下降。当气体流量相同时，喷射角度为0°时对含硫气体净化效率最高，可达到95.52%，其中喷射角度为-45°时效率最低。

从图2可以得出：随着待处理气体的流量不断升高，而气相旋流-液相射流吸收器的孔径不变，气相速率开始不断增高。在整个实验过程中，随着气相速率的持续提升，硫化氢的脱除率不断下降。待处理气体的初始速率越大，使待处理气体更快的离开气相旋流-液相射流吸收器，因此减少了待处理气体在吸收器中的被处理时间。当气速较小时，待处理气体的初始速率可以适当提高气相与液相的相对速率，待处理气体以适当的切割力去破碎剪切吸收液，能够使相界面面积维持在最佳的范围内，保证传质效果。根据实验结果，适当降低进口气速，能够使气相与液相的相互作用力维持在更好的水平，提高对硫化氢的吸收效果。当待处理气体流量在5～12m3/h区间内时，吸收速率降低较为平缓，当气速大于12m3/h时，吸收速率随气量增加而下降明显，说明气速过快，大量混合气体已经来不及与吸收液进行反应而直接排出。因此，具体的单位时间气体处理量需依照实际情况进行计算。

(2)吸收液流量对含硫气体净化效率的影响

当H2S进口浓度cin=100mg/m3，温度为25℃，总气体流量QG=17m3/h，Na2CO3的质量分数为0.6%。吸收液使用量高于吸收反应过程所需要的用量时，研究在三种不同喷射角度下吸收液流量对脱硫效率的影响，控制吸收液流量变化区间为60～120L/h，实验结果如图3所示。由实验结果可知，在三种喷射角度的情况下，脱硫效率均随着吸收液流量的增大而持续上升。当吸收液流量相同时，喷射角度为0°时对含硫气体净化效率最高，可达到87.01%，其中喷射角度为-45°时效率最低。

从图3可以得出：随着所进入Na2CO3吸收液的流量不断增加，对待处理气体之中硫化氢的吸收效果呈上升状态，当喷射角为0°，进入吸收液流量在60～80L/h之间时，碳酸钠溶液对硫化氢的吸收率缓慢上升，约从77.8%上升至79.01%；进入吸收液流量在80～100L/h之间时，碳酸钠溶液对硫化氢的吸收率迅速上升，约从79.01%上升至85.23%；当吸收液流量大于100L/h后，对硫化物的吸收效率再次恢复缓慢上升状态，当吸收流量达到120L/h时，吸收率最高可以达到87.01%。经分析，初始阶段随着吸收液的进入流量不断提升，而气相旋流-液相射流吸收器的孔径不变，其在净化器内的速率不断提升，气相与液相之间的相对速率随之提升，相互作用力增强，但因为流速限制，喷射压力不足，液体不能完成雾化，此时液体破碎效果在缓慢增强，因此吸收效率上升缓慢。当进入吸收液流量在80～100L/h之间时，液滴破碎效果增强，气液相互作用力不断增强，由于气相旋流-液相射流吸收器结构设计，液相开始转变为雾状，不再以细小液柱形态与带吸收气体接触，而雾化的吸收剂形态大大增加了碳酸钠与硫化氢的接触面积，使得对硫化氢的吸收效果呈现快速上升趋势。而当液相流量超过100L/h后，液体雾化效果已经基本达到最优效果，不会再有明显提升，气液接触面积已达最大，所以吸收效率上升平缓。

(3)H2S浓度对含硫气体净化效率的影响

当总气体流量=17m3/h，温度为25℃，Na2CO3吸收液流量QL=100L/h，Na2CO3的质量分数为0.6%。吸收液使用量高于吸收反应过程所需要的用量时，研究在三种不同喷射角度下H2S进口浓度cin对脱硫效率的影响，控制H2S进口浓度cin变化区间为40～160mg/m3，实验结果如图4所示。由实验结果可知，在三种喷射角度的情况下，脱硫效率均随着H2S进口浓度cin的增大而持续上升。当H2S进口浓度cin相同时，喷射角度为0°时对含硫气体净化效率最高，可达到86.76%，其中喷射角度为-45°时效率最低。

从图4可以得出：当硫化氢含量处于40～160mg/m3区间内，随着待处理气体中的硫化氢含量不断上升，对硫化氢的吸收效果逐渐提升，碳酸钠吸收液对硫化氢的吸收效率最高可以达到86.76%。经分析可知，当混合气体中的硫化氢含量增大时，吸收液中的Na2CO3可以对H2S进行充分反应吸收，当雾化效果达到最佳时，气相旋流-液相射流吸收器中的旋流场造成破碎液滴，使得硫化氢与碳酸钠的反应加快，有效地去除混合气体中的硫化氢气体，从而提高了对硫化氢的吸收效率。在实验条件下，当待处理气体中的硫化氢含量在合适范围内时，使用碳酸钠吸收液的气相旋流-液相射流吸收器可以有效地对低浓度硫化氢气体进行脱除作业。且硫化氢的浓度越高，气相旋流-液相射流吸收器对硫化氢的吸收效果越好。

4.结论

当各项实验参数相同时，采用同种碱性吸收液进行实验，由此可得当射流孔喷射角度为0°时，气相旋流-液相射流吸收器的脱硫效率最高，当喷射角度为-45°时，对含硫气体的净化效率最低。

气相旋流-液相射流吸收器的脱硫效率随着气体流量的增大而降低，气相旋流-液相射流吸收器的脱硫效率随着吸收液流量的增大而增大，气相旋流-液相射流吸收器的脱硫效率随着混合气体中H2S浓度cin的增大而上升。控制其他条件相同，实验条件下，当气相进气流量达到5m3/h时，碳酸钠溶液对硫化氢的吸收率可以达到95.52%；控制其他条件相同，实验条件下，当吸收液流量达到120L/h时，碳酸钠溶液对硫化氢的吸收率最大可以达到87.01%；控制其他条件相同，实验条件下，当混合气体中H2S的浓度在160mg/m3时，碳酸钠溶液对硫化氢的吸收率可以达到86.76%。