2019年NHD脱硫脱碳气体净化工艺技术介绍

NHD脱硫脱碳气体净化工艺技术介绍目录第一章基础理论和数据概述NHD溶剂物化性质吸收原理和相平衡规律脱硫工艺参数的选定脱碳工艺参数的选定第二章工艺过程设计工艺说明脱硫脱碳方案比较结论第一章基础理论和数据概述NHD净化技术与美国专利Selexol净化技术类似，并达到同等水平。

NHD溶剂是一种有机溶剂（聚乙二醇二甲醚），它对气体中硫化物和二氧化碳具有较大的溶解能力，尤其是对硫化氢有良好的选择吸收性，蒸汽压低，运转时溶剂耗损少，是一种较理想的物理吸收剂，适合于以煤（油）为原料，酸气分压较高的合成气等的气体净化，脱硫时需消耗少量热量，脱碳时需消耗少量冷量，属低能耗的净化方法。

根据化工部“七五”国家重点科技攻关计划合成氨一条龙中“75—7—6NHD净化技术的研究”合同，即采用NHD物理溶剂法脱除合成原料气中的硫化物和二氧化碳，并选择一个中型厂使用此项技术，然后提供大型厂使用，“七五”为油头和煤头大型厂净化技术作准备，提出气液平衡数据和工业化基础设计。

1988年批准的山东鲁南化肥厂二期扩建工程为年产8万吨合成氨，造气部分引进德士古煤浆气化技术，其它部分由国内配套。

由于煤气中硫化物和二氧化碳含量较高，经多方研究认可选用了NHD溶剂脱除合成气中硫化物和二氧化碳的工艺，于1992年投产。

原料气先经选择脱硫，而后脱碳，H2S经富集后进克劳斯硫回收，在2MPa压力下将含CO2 43%，H2S 4.5克/标米3，COS 13毫克/标米3的变换气净化至CO2 %，总硫1ppm，每吨氨总能耗99万大卡，溶剂损耗公斤。

在气液平衡数据的测定和鲁化厂年产8万吨生产装置的基础上，提供了大型厂设计参数，进行此项年产30万吨合成氨NHD脱硫脱碳基础设计，条件是以德士古煤浆气化气经中低温耐硫变换后的气体为原料，和设定操作压力为。

选用脱CO2溶剂（脱碳富液）选择性脱硫，尔后脱碳，H2S富集后去克劳斯回收的流程，在压力下，原料气含CO2 %，H2S %，COS 18ppm净化至CO2 %，总硫1ppm，每吨氨脱硫及H2S提浓需耗蒸汽吨，脱碳需耗冷量×106KJ，总能耗×106KJ，溶剂损耗公斤，溶剂吸收能力47标米3 CO2/米3。

该项工艺技术由南化公司研究院负责，基础设计以化工部第一设计院为主，在南化院参加下共同编制完成。

NHD溶剂物化性质NHD溶剂是聚乙二醇二甲醚的混合物，是一种有机溶剂，其分子式为：CH3—O （CH2CH2—O）n—CH3，n=2~8。

其物理性质如下：（25℃时）分子量：260密度：1.022g/cm3冰点：-22~-29℃蒸汽压：表面张力：33dyn/cm粘度：导热系数：hm℃比热：g℃闪点：151℃燃点：157℃外观：清、淡黄色液体PH：6~8Cl-ppm：<8本基础设计中采用分子量为260~280的NHD溶剂作为设计依据。

其溶液的基础物性数据采用南化院88年提供的“NHD溶剂物性数据”。

吸收原理和相平衡规律：根据广义的酸碱理论，在聚乙二醇二甲醚溶剂的分子结构中，醚基团内的氧为硬碱性中心，而CH3和CH2CH2一基团则为软酸部分，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COS）均有一定的溶解能力，几种气体在溶剂中的溶解度与分压的关系如图（1-3-1）。

聚乙二醇二甲醚溶剂吸收H2S、CO2的过程是一个物理吸收过程。

根据相平衡数据可知，H2S在NHD中的溶解度能较好的符合专利定律，可用下列数字模型描述：对于CO2在NHD中的溶解度，当CO2分压低于时，气相压力与液相浓度基本符合亨利定律，可用下列数学式计算其平衡溶解度。

超过，特别是在低温条件下，亨利定律不再适用，此时按下式进行计算CO2溶解度。

式中：C—气体溶解度l/lPH2S—H2S气体气压mmHgPCO2—CO2气体分压kg/cm2F2co2—CO2逸度kg/cm2Xco2—液相中的CO2分子分离a、b—常数CO2的逸度（f0co2）应用适合于极性气体的RKS状态方程式。

NHD溶剂吸收H2S、COS、CO2的过程具典型的物理吸收特征，由图（1—3—2）和图（1—3—3）可见：H2S和CO2在NHD溶剂中的溶解度随压力升高，温度降低而增大，此时进行H2S和CO2的吸收过程，当压力降低，温度升高时溶液中溶解的气体释放出来，实现溶剂的再生过程。

NHD溶剂对H2S的吸收具有较好的选择性，从下表可见：表（1—3—1）NHD溶剂对H2S，CO2的本生系数厘米3/厘米3。

表1-3-1从表中数据可见H2S与CO2的溶解度之比~9由于溶剂对H2S的选择吸收，所以在净化装置中可以获得合格的产品气，又相应地得到高H2S浓度的酸性气，后者可以采用克劳斯装置回收硫。

脱硫工艺参数的选定1.4.1工艺流程的选择针对不同的气源与净化要求，可以选择不同的净化流程，其H2S浓缩方式也不一样，以德士古煤浆气化法生产的原料气经变换后进入脱硫，脱碳工序的气体主要组分是：H2S %，COS 10ppm，CO2%%，要求出脱硫塔总硫<10ppm，脱碳后净化气CO2%<%，总硫<1ppm再生CO2气量及纯度应满足尿素生产需要，脱硫再生尾气中H2S浓度≥25%，以便能直接进克劳斯硫回收装置，故本基础设计根据计算机优化结果选择了：“CO2予饱和吸收与浓缩H2S的流程”，即对H2S 和CO2的吸收是在脱硫，脱碳塔中分别进行。

而在脱硫塔中对H2S的吸收液是采用来自脱碳塔底预饱和CO2 后的脱碳富液。

由于使用预饱和CO2 溶液使在脱硫塔中减少了对CO2 的吸收，这一方面提高了脱硫塔底富液中H2S的比例，对H2S提浓有利，另一方面也降低了脱硫塔温升，从而提高了溶液的吸收能力。

由于避免了大部分CO2在塔顶吸收所造成的塔顶处“温度膨胀”现象，调整了吸收塔的温度分布，使得塔顶处温度和K值较低，对于给定的吸收剂而言，则减少了所需的塔板数。

脱硫后的气体，总硫含量为，CO2 %进入脱碳塔进行脱碳，并进一步脱除残余的硫化物，进脱硫塔气体CO2 %，在脱硫塔中CO2的脱除率为%，若不用预饱和CO2 溶液则CO2 脱除率~22%。

为使脱硫再生气能直接进克斯斯硫回收装置而设置浓缩塔，溶液中H2S在浓缩塔中的提浓也是利用了NHD溶液对H2S的选择吸收原理。

此浓缩塔的溶液中H2S /CO2 比值比出脱硫塔富液中的相应比值提高了倍，使之再生尾气中H2S含量达到≥%的指标。

浓缩塔塔底吹入N2气进行汽提，使溶液中更多的CO2 解吸出来利于H2S提浓，所以在浓缩塔中存在着气提CO2 和吸收H2S的两种物理过程。

吸收温度H2S在NHD溶剂中的溶解度随吸收温度的降低而增大（如图1—3—2），所以在低温下进行吸收过程对提高脱硫气的净化度和溶剂的吸收能力均有利，可减少溶液循环量，这进而降低了用于泵送溶液的功率消耗，而且也降低了从溶液中解吸酸性组份时用于溶剂再生的能量消耗，另外低温吸收可提高对H2S吸收的选择性。

低温吸收的缺点是溶液的粘度大，传质速率下降，并且需消耗一定的冷量，故吸收温度的选择可根据工艺的需要和整个工艺流程中能量的分配等而决定之。

本基础设计脱硫吸收液是利用预饱和CO2 溶液——脱碳塔富液，经计算机优化结果进脱硫塔溶液温度取~12℃为宜，这样的温度既可满足脱硫在较高的气液比（~500）下脱硫的净化度要求（总硫<10ppm），也保证了脱碳在较合适的溶液循环量和适宜的吸收温度下CO2 的净化度（<%）。

溶液的再生进吸收塔的溶液贫度直接影响着气体的最终净化度，而溶液的贫度取决于再生效果，在脱硫净化度要求高的情况下，溶液再生状况尤其重要。

（1）再生方法NHD溶液的再生可采用多级减压闪蒸和汽提法（加热汽提，惰性气汽提），一般若净化度要求不高，可采用多级减压闪蒸，若净化度要求高须采用惰性气汽提或加热汽提法。

本设计脱硫净化度要求较高，故采用加热汽提法再生。

（2）溶液水含量脱硫再生塔中存在一定量水对溶剂再生有利，一方面由于水的蒸发产生水蒸汽降低了溶液表面酸性气体分压，有利于酸性气的气提，另一方面纯溶剂的沸点较高，而随着溶液中水含量的增加溶液沸点降低，水仍可大量蒸发产生蒸汽，而减少了溶剂的蒸发，从而降低溶剂的损耗。

但在一定的热负荷下，再生塔中溶液含水多，必然使出再生塔溶液水含量增加，由图（1—4—1）知：溶液中水含量大于5%时将影响酸性气体的吸收，因此再生贫液中含水控制在4%以下较为合适。

根据模式数据及计算机计算结果表明进煮沸器溶液含水在5%左右为宜，这一值是通过控制再生塔顶回流冷凝液量来保证的。

H2气的回收出脱硫塔富液先经一级闪蒸槽，在压力下进行闪蒸，经闪压机加压返回系统，以回收在脱硫塔中被吸收的H2气。

经计算可回收244Nm3/h的H2气，折合每小时产氨吨，则每年可增产792吨氨。

所以设置一级闪蒸气压缩机回收H2气是合理的。

二级闪蒸，浓缩塔压力的确定闪蒸压力的变化直接影响着再生气的浓度所以脱硫富液闪蒸压力的选择首先要考虑尾气处理对再生气浓度的要求，闪蒸压力低对提高再生气中H2S浓度有利。

克劳斯法硫回收流程要求再生气H2S浓度>25%，由于浓缩塔底通过N2气汽提，利于CO2 的解吸，所以进闪蒸槽的溶液换热至60℃，二级闪蒸压力为时即可达到要求。

浓缩塔压力的选择是依据在该压力下NHD溶剂能较完全的选择吸收H2S而溶解尽量少的CO2 ，以便提高塔底溶液中H2S/CO2 之比，达到浓缩H2S的目的，并使塔顶气体符合排放标准。

本设计经计算机优化结果选择如下工艺条件可使再生，浓缩工艺指标均达到要求：进二级闪蒸槽溶液温度60℃，闪蒸压力（绝）浓缩塔顶溶液量95T/h，塔顶进液温度12℃，塔操作压力（绝），塔底通入N2气汽提。

这时出浓缩塔气体总硫为4.4kg/h（H2S计），可直接排放，塔底溶液经再生塔再生后，再生气H2S 浓度>25%，可送往克劳斯硫回收装置。

由于二级闪蒸槽和提浓塔可采用相同的操作压力故闪蒸气可直接进入浓缩塔，而省去了压缩机。

溶剂的损耗与回收1、NHD溶剂蒸汽压低，在25℃时为，由于溶剂的蒸汽压脱硫系统各工艺气流夹带NHD溶剂量如下表：从表中数据可见，由于溶剂的蒸汽压而造成的溶剂损失很少，因此流程中不设置洗涤回收溶剂装置。

2、由于NHD溶剂价格较贵，所以要尽量减少溶剂的机械损耗，主要措施有：（1）采用高效除雾器，在各塔顶及气体分离器均设有不锈钢丝网除沫器。

（2）泵采用单端面机械密封。

（3）系统要严格控制跑、冒、滴、漏，并对可能发生滴漏处均要考虑回收措施。

1.4.7腐蚀问题及材料选择NHD溶剂本身无腐蚀性，所以整个装置可以用碳钢制造，但考虑到气体中存在着H2S、CO2 和水蒸汽这些气体对设备有一定的腐蚀作用，所以在脱硫系统中对于那些接触酸性气浓度较高和湿热气体的部分，设备及填料采用不锈钢填料，或可采用聚丙烯材质材料。