NHD技术用于合成气脱硫脱碳工程及设计方案

N HD技术用于合成气脱硫脱碳工程及设计方案
林民鸿 郭淑翠
(南化集团研究院,南京210048) (河北藁城市化肥总厂)
N HD法脱硫脱碳净化技术是一种高效节能的物理吸收方法。

文中阐述了N HD溶剂的优良应用性能及其用于脱硫脱碳的先进设计方案。

河北省藁城市化肥总厂等十几套N HD脱硫脱碳工业装置的成功投产,取得显著的综合经济效益,为N HD 工艺的广泛应用提供了丰富的生产、工程经验。

关键词:合成气　脱硫脱碳　N HD技术
聚乙二醇二甲醚是一种物理吸收溶剂,广泛用于天然气、燃料气、合成气等混合气体中H2S、CO2、CO S、烃、硫醇等组分的吸收,在国外称之为Selexo l工艺。

该工艺是“低能耗”大型氨厂的重要组成部分,是国际公认的节能工艺。

国内南化集团研究院成功开发了类似的N HD净化工艺。

N HD溶剂的物化性质与Selexo l接近,但其组分含量与分子量都不同。

该技术通过化工部鉴定,并被列入“九五”国家级科技成果重点推广计划。

专家认为,N HD法用于脱硫脱碳,具有能耗低、净化度高、操作稳定、设备及流程比较简单的优点.目前已在河北起城市化肥总厂、山东郯城化肥厂等多家中小化肥厂应用,并且取得了较好的经济效益。

该技术属国内首创,具有国际先进水平,特别适用于以煤为原料,酸性气含量高的氨合成气、甲醇合成气和羰基合成气的净化。

以及天然气、油田气、炼厂气、城市煤气中酸性气体的脱除,适合我国国情。

1　N HD溶剂的物理性质和应用性能
N HD溶剂的主要成分是聚乙二醇二甲醚的同系物,分子式为CH3O(C2H4O)nCH3,n=2～8,平均分子量为250～280。

同系物中,四乙二醇二甲醚、五乙二醇二甲醚及六乙二醇二甲醚具有优良的使用性能,其含量越高越好。

1.1　物理性质(25℃)
密度,1027kg m3
蒸汽压,0.093Pa
表面张力,0.034N m
粘度,4.3M Pa・s
比热,2100J (kg・K)
导热系数,0.18w (m・K)
冰点,-22～-29℃
闪点,151℃
燃点,157℃
1.2　应用性能
(1)吸收CO2、H2S、CO S等气体的能力强,溶液循环量小。

根据广义酸碱理论,在聚乙二醇二甲醚分子结构中,醚基团内的氧为硬碱性中心,而CH3和一CH2一CH2一基团则为软酸部分。

因此,该溶剂对硬酸性气体(如H2S,CO2)和软碱性气体(如硫酸、CS2和CO S)均有较大的溶解能力。

表1是N HD与其他物理溶剂溶解能力的相对比较(以碳丙为基准1.00)。

(2)选择性吸收H2S和CO S等气体。

以CO2的溶解度为100,各种气体在N HD溶剂中的相对溶解度如表2。

从表2可见,N HD溶剂对H2S和CO S的选择吸收性好。

(3)净化度高。

在一个吸收塔内,N HD溶剂可将H2S脱除到1×10-6,CO S也脱除到1×10-6,CO2脱除到0.1%以下,而其他有些物理吸收溶剂达不到这样高的净化度。

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的1 150,因此,挥发损失很小。

在工艺流程上,可不设溶剂洗涤回收装置,流程短。

(5)无腐蚀性。

N HD 溶剂无腐蚀性。

因此,N HD 净化装置可用碳钢制作,节省投资费用。

(6)化学稳定性和热稳定性好。

N HD 溶剂不氧化、不降解、不水解、不热解。

(7)不起泡。

溶剂本身不起泡。

操作时,不需添加消泡剂。

(8)无毒性。

N HD 溶剂无毒、
无臭、无味,若进入大气,可被周围环境中生物分解,对人和生物无毒害,也不会污染环境。

(9)能耗低。

N HD 溶剂系物理吸收溶剂。

再生时,只需空气气提,可节约大量再生能耗。

2　N HD 脱硫脱碳设计方案2.1　吸收机理及设计思路
N HD 净化技术属物理吸收过程。

CO S 、H 2S 在
N HD 溶剂中的溶解度能较好地用亨利定律来描述。

当CO 2分压小于1M Pa 时,气相压力与液相浓度的关系
也基本符合亨利定律。

因此,H 2S 和CO 2在N HD 溶剂
中的溶解度随压力升高,温度降低而增大,这时进行气体吸收过程,降低压力,升高温度即可实现溶剂的再生。

根据以上机理,N HD 脱硫和(或)脱碳的基本流程为吸收塔→闪蒸槽→再生塔。

在吸收塔高压(相对)低温工况下,N HD 贫液中溶解气体的对应平衡分压小于气相中此类气体的分压,这些气体就溶于N HD 溶液中,完成了吸收过程。

然后N HD 富液减压,进入闪蒸
槽,闪蒸出所溶(溶解度较小)的有效气体及部分二氧
化碳等,闪蒸气返回系统,减小有效气体损失。

闪蒸后的溶液,再进入再生塔,再生塔底有惰性气体(通常是空气)鼓入,减低了气相CO 2分压,增强了传质推动力,实现了溶解气体的解析过程。

在脱硫过程中,为了防止硫化氢的氧化而析出单质硫,以及获得较高的净化度,再生常为热再生。

此时可利用变换气的热量,提高溶液温度,蒸发出的水蒸气又可作为气提介质,保证了再生贫液有较高的贫度。

2.2　N HD 脱硫工艺流程(见图1)
变换气进入脱硫塔底,与自上而下的N HD 贫液逆流接触。

其中的硫化氢、硫氧化碳和一小部分二氧化碳被脱除掉,脱硫气从塔顶离开系统。

N HD 富液减压,进入闪蒸槽,闪蒸出所溶氢、氮气和部分二氧化碳。

闪蒸气返回系统,闪蒸液流入再生塔顶部,在塔内自上而下地喷淋,塔底溶液由变煮器加热,产生水蒸气进一步使溶液得到再生,再生后的贫液经水冷后,返回脱硫塔顶循环使用。

2.3　N HD 脱碳工艺流程(见图2)
脱碳流程中,吸收塔及高压闪蒸槽的设置与脱硫相同。

不同的地方,一是增加了低压闪蒸槽。

低压闪蒸气中的CO 2浓度大于98.5%,可供尿素生产用。

二是惰性气体气提再生代替脱硫时的热再生,大大节约了能耗。

三是氨冷器代替了脱硫时的水冷器。

因为脱碳过程中,没有加热过程,氨冷器的设置不会产生冷热病,仅是补充冷损,使进入脱碳塔贫液温度降到0℃左右,大大提高了净化度,降低溶液循环量,降低了能耗,减少了设备投资。

2.4　N HD净化流程组合
根据不同的工况条件及净化指标,N HD净化流程可灵活分解、组合来达到生产要求。

2.4.1　N HD脱硫串N HD脱碳
在变换后,设置N HD脱硫串N HD脱碳。

变换气先脱硫后脱碳,N HD脱硫液和N HD脱碳液自成系统,分别循环。

本流程已在10万吨氨 年工业装置上成功应用。

2.4.2　湿法脱硫串N HD脱碳
变换气先经栲胶、KCA改良ADA等方法脱硫后,再用N HD脱碳。

本流程已在很多中小型氨厂投入使用,生产液氨、尿素、甲醇等产品。

2.4.3　N HD脱碳流程的组合变化
(1)若脱碳指标要求低,可删去气提塔,仅用闪蒸再生。

(2)若低压闪蒸槽逸出的二氧化碳无用途,可删去低压闪蒸槽,其作用在气提塔中一并完成。

(3)若用热再生或惰性气体(不含氧气)气提再生,则在塔→槽→塔流程中,一次同时完成脱硫脱碳。

(4)采用空气气提再生的脱碳流程,也可将变换气中少量硫化氢和硫氧化碳脱除到0.1×10-6。

2.5　主要设备设计及优化
2.5.1　塔
N HD净化工艺的几个塔器是完成吸收、再生分离等重要传质设备,都选用填料塔。

与板式塔相比,填料塔操作比较稳定,尤其适于进塔气常用量波动的情况。

填料塔压降低,持液量少,可减少第一次溶剂投入量。

缺点是投资费用较高。

在设计中,采用新型的液体分布器、填料支承板和液体再分布器,使液体分布均匀,促使气体分布均匀。

填料支承板开孔率高,流体阻力小,结构紧凑合理,降低塔高,最终保证了高传质效率。

2.5.2　闪蒸槽
闪蒸槽是使溶解气体从溶液中解吸出来的装置。

槽的外形尺寸及内件的设计应有利于溶解气体的平稳解吸。

闪蒸气出口处应设除沫网捕集溶剂雾沫。

2.5.3　材料选用
N HD净化系统的绝大多数设备都用碳钢制作,填料可采用塑料,但需检验。

3　N HD脱硫的工业应用
南化院已将N HD脱硫技术推广应用于某10万吨氨 年工业装置。

进脱硫塔变换气含CO243%, H2S1.0%,出脱硫塔的脱硫气含H2S为1～2×10-6,CO2约38%。

由于设置了提浓塔,再生气含H2S >25%,送克芬斯装置制取硫磺。

南化院还将N HD脱硫技术推广应用到某有机合成厂,脱除其原料气中的硫氧化碳。

进装置的原料气含CO S为1500×10-6,脱硫气中CO S已降到7×10-6以下,开车一次成功。

4　N HD脱碳的工业应用
南化院开发的N HD脱碳的工业应用已有十几个实例,装置规模达10万吨氨 年,脱碳压力从1.5～4.4M Pa,脱碳指标可达到0.1%以下。

这些投运的工
业装置,包括新建和原碳丙工艺的改造,经济效益显著。

以5～10万吨 年合成氨装置为例,N HD 工艺比其他工艺,年节支增收300～800万元。

河北藁城市化肥总厂就是N HD 脱碳工业应用的范例。

该厂系以块煤为原料的小化肥厂。

1994年甲醇投产,与其相配套的是2万吨氨 年的N HD 脱碳装置。

1997年4月又建成投产了6万吨 年尿素装置,脱碳仍采用南化研究院的N HD 技术。

投入这两套脱碳装置的N HD 溶剂都由该厂自行生产,质量较好。

至今已分别运转4年及1年,运行正常,各项技术经济指标均达到和超过了设计能力,创造了巨大的经济效益。

下
面介绍其第二套N HD 脱碳生产情况。

4.1　藁化N HD 脱碳工艺流程(见图3)
干法脱硫后的变换气回压缩加压后进入脱碳系统
,经换热器及气水分离器后进入脱碳塔底部,在塔内与上部喷淋下来的N HD 溶液逆流接触。

原料气中
CO 2被吸收,脱碳气经分离器后去压缩工段。

吸收CO 2后的N HD 富液进入高压闪蒸槽,闪蒸回收溶液中所
溶的H 2、N 2及部分CO 2气。

溶液再进入低压闪蒸槽,闪蒸出高纯度的CO 2供尿素使用。

溶液由富液泵打至气提塔,由空气气提再生,贫液由贫液泵加压至氨冷却器,送入脱碳塔顶部循环使用。

当循环溶液中含水量超过8%时,将部分溶液送到脱水塔进行脱水处理,脱水后返回系统。

4.2　藁化N HD 脱碳运行情况
藁化N HD 脱碳运行的生产数据见表3。

主要设备及投资见表4。

5　结束语
N HD 法脱硫脱碳净化技术是一种高效节能的物
理吸收方法。

它具有吸收能力大、选择性好、操作弹性大、溶剂损耗少、工艺流程简单、经济效益显著、节能效果好等优点。

河北省藁城市化肥总厂等十几套N HD 脱硫脱碳工业装置的成功投产,充分说明N HD 技术优异的使用性能及显著的综合经济效益,为N HD 工艺的广泛推广应用提供了丰富的生产、工程经验。

目前,还有十几套N HD 脱硫脱碳工业装置(单系统装置生产能力达18万吨氨 年)正在设计、建设之中,已投产和拟投产的N HD 净化装置遍及黑龙江、吉林、河北、山西、山东、河南、甘肃、贵州、湖北、福建、浙江、江苏、安徽、上海等地。

N HD 技术日趋成熟完善,完全可以用于各种规模工厂的新建、扩建和改造,为我国化肥生产技术进步作出贡献。