一種合成氣酸氣分離和硫回收一體化裝置及方法
【專利摘要】一種合成氣酸氣分離和硫回收一體化裝置及方法,采用堿性溶液作為H2S的吸收劑以及濕法氧化硫回收原理,溶液在吸收塔內(nèi)洗滌帶壓的合成氣吸收H2S以后,首先經(jīng)過減壓,送入減壓塔內(nèi)釋放并回收溶液攜帶的可燃氣體以后,再送至再生塔,通過鼓風(fēng)向溶液中送入大量空氣,進行催化氧化生成固體硫磺,使溶液再生;分離硫磺以后的再生溶液先經(jīng)過加熱除氧,然后經(jīng)過增壓再送去吸收塔重新洗滌合成氣;本發(fā)明將合成氣脫硫和硫回收兩個工藝過程合二為一,只使用一種溶液,并專門設(shè)置了可燃氣回收和再生溶液除氧工藝環(huán)節(jié),減少了合成氣有效成分的損失,在脫硫和硫回收效率沒有降低的前提下,使得系統(tǒng)得到簡化。
【專利說明】
一種合成氣酸氣分離和硫回收一體化裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于合成氣凈化技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種對合成氣中H2S脫除和進行硫回 收的一體化裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤炭在我國的能源和化工領(lǐng)域長期占據(jù)重要地位,煤炭的清潔和資源化利用是解 決我國長期以來直接燃燒煤炭伴隨的低效和污染問題的重要途徑。其中通過氣化爐將煤氣 化以后生成合成氣是煤的清潔和資源化利用的重要途徑之一。無論是在整體煤氣化聯(lián)合循 環(huán)發(fā)電(IGCC)還是煤化工領(lǐng)域,對煤炭的利用都要首先通過氣化爐將煤轉(zhuǎn)化成合成氣。
[0003] 由于氣化原料即煤炭中含有一定的硫分,所以氣化產(chǎn)物即合成氣中通常含硫。目 前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的是氣流床氣化爐技術(shù),氣化反應(yīng)溫度普遍在約1300~1700°C之間, 煤中所含的硫分大部分都以H 2S的形式進入反應(yīng)產(chǎn)物即合成氣中。對于氣化爐產(chǎn)生的合成 氣,無論在IGCC發(fā)電廠中送去燃氣輪機發(fā)電,還是在化工廠中送去后續(xù)的化學(xué)合成工藝,都 需要先進行脫硫。
[0004] 合成氣的脫硫方式,主要分為高溫干法脫硫和低溫濕法脫硫兩種工藝路線。其中 濕法脫硫是技術(shù)成熟應(yīng)用廣泛的技術(shù)路線,目前絕大多數(shù)合成氣脫硫都采用濕法脫硫技 術(shù)。通用的合成氣濕法脫硫技術(shù)路線一般分為酸氣分離和硫回收兩步,其中酸氣分離過程 是將H 2S氣體從合成氣中分離出來,比較常用的工藝方法包括化學(xué)性和物理性吸收方法,如 MDEA法、低溫甲醇洗、NHD法、Se 1 exo 1法等,吸收劑溶液首先在一個吸收塔內(nèi)對合成氣進行 洗滌,吸收合成氣中的H2S成分,然后在另一個塔中通過升溫或降壓進行再生,再生出的吸 收劑溶液進行循環(huán)利用,再生出的H 2S氣體送去專門的硫回收流程。常用的硫回收方式有多 種,比如高溫干法的克勞斯法硫回收流程和濕法L0_CAT硫回收流程以及在這兩種方法基礎(chǔ) 上改進的流程等。其中克勞斯法硫回收流程存在工藝復(fù)雜,需要氧量的精確控制,操作彈性 小,回收率偏低,需要尾氣處理等問題,而濕法硫回收流程對所處理的氣體濃度不敏感,操 作彈性大,硫回收率高。
[0005] 目前普遍采用的合成氣酸氣(H2S)分離和硫回收分開進行的工藝伴隨著諸多問 題,如工藝流程長、設(shè)備多樣,系統(tǒng)復(fù)雜性高,采用兩種以上溶液介質(zhì),硫分離采用的有機吸 收劑介質(zhì)容易降解老化等。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 為克服合成氣脫硫工藝中酸氣分離和硫回收要分成兩個單獨流程,工藝復(fù)雜的缺 點,本發(fā)明提出了一種合成氣酸氣分離和硫回收一體化裝置及方法。
[0007] 為了達到上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0008] -種合成氣酸氣分離和硫回收一體化裝置,包括吸收塔2,吸收塔2底部接合成氣 1,吸收塔2頂部出口接循環(huán)水冷卻器3,循環(huán)水冷卻器3出口接分液器4,分液器4頂部出口接 凈化合成氣5,分液器4底部出口與吸收塔2頂部相連;吸收塔2底部富液出口連接減壓閥8, 減壓閥8后連接減壓塔9,減壓塔9頂部出口連接增壓機6,增壓機6出口連接至吸收塔2下部 入口;減壓塔9底部出口連接至低壓溶液栗14入口,低壓溶液栗14出口連接至再生塔16,再 生塔16底部出口連接至分離器17,分離器17底部出口連接至溶液儲槽18,溶液儲槽18底部 出口連接至再生溶液栗15,再生溶液栗15出口連接至回?zé)崞?0冷端入口,回?zé)崞?0冷端出 口連接至除氧器11,除氧器11底部出口連接至回?zé)崞?0熱端入口,回?zé)崞?0熱端出口連接 至高壓溶液栗13,高壓溶液栗13出口連接至吸收塔2頂部入口;空氣過濾器22出口連接至鼓 風(fēng)機21,鼓風(fēng)機21出口連接至再生塔16,再生塔16頂部出口接放空氣23;除氧器11頂部入口 接低壓加熱蒸汽12;溶液儲槽18接補充溶液19。
[0009] 所述再生塔16為常壓設(shè)備。
[0010] 所述鼓風(fēng)機21入口安裝有空氣過濾器。
[0011] 上述所述合成氣酸氣分離和硫回收一體化裝置進行酸氣分離和硫回收的一體化 方法,在吸收塔2和再生塔16之間循環(huán)的工作介質(zhì)為吸收劑溶液,吸收劑溶液在裝置中進行 循環(huán)利用,在吸收塔2吸收了H 2S以后的吸收劑溶液稱為富液,在再生塔16進行再生以后的 吸收劑溶液稱為再生溶液;含硫合成氣1從吸收塔2底部進入,與此同時,再生溶液從吸收塔 2頂部進入,再生液與合成氣逆流,在吸收塔2內(nèi)完成對合成氣的洗滌過程,合成氣中的H 2S 被再生溶液吸收,潔凈的合成氣從吸收塔2頂部出來,經(jīng)過循環(huán)水冷卻器3冷卻后,進入分液 器4,分離出合成氣攜帶的溶液;潔凈的合成氣從分液器4頂部送出,分離出的溶液從分液器 4底部流出,然后從吸收塔2頂部送入;再生液在吸收塔2內(nèi)吸收H 2S以后變成富液匯集在吸 收塔2底部并流出,經(jīng)過減壓閥8降低壓力以后進入減壓塔9;在減壓塔9內(nèi),通過壓力的降低 使富液攜帶的出和0)可燃氣體釋放出來并從減壓塔9頂部引出,經(jīng)過增壓機6加壓后送回吸 收塔2;減壓塔9底部匯聚的溶液由低壓溶液栗14抽出后送入再生塔16,與此同時,鼓風(fēng)機21 將大量空氣鼓入再生塔16,在催化劑的作用下,再生塔16內(nèi)發(fā)生催化氧化,溶解在溶液中的 H2S被氧化成固體硫磺,溶液得到再生;再生塔16中多余的空氣從塔頂排出,再生液攜帶泡 沫狀硫磺從再生塔16塔底流出送往分離器17;經(jīng)過分離器17過濾分離,再生液從分離器17 底部流出送入溶液儲槽18,硫磺濾渣從分離器17上部送出;再生溶液栗15從溶液儲槽18中 抽出再生液送往除氧器11進行加熱除氧。再生溶液進出除氧器11前后要通過回?zé)崞?0進行 換熱,以回收部分熱能,以減少低壓加熱蒸汽12的流量,節(jié)約能耗;從回?zé)崞?0熱端出口出 來的再生液經(jīng)過高壓溶液栗13加壓后送往吸收塔2,從吸收塔2頂部進入塔內(nèi),對合成氣進 行洗滌。
[0012] 采用合成氣脫硫和硫回收一體化的流程,合成氣脫硫和硫回收只用一種溶液作為 工質(zhì),在吸收塔2內(nèi)完成溶液對合成氣中H2S的吸收,主要在再生塔16內(nèi)完成溶液的再生和 硫磺的回收。
[0013] 為防止溶液帶氧造成對合成氣中⑶的氧化,再生溶液送去吸收塔2洗滌合成氣之 前要經(jīng)過除氧器11進行除氧,溶液進入除氧器11前后要經(jīng)過回?zé)崞?0進行換熱。
[0014] 為減少合成氣損失,吸收塔2底出來的富液送去再生塔16之前,要先經(jīng)過減壓閥8 減壓,并在減壓塔9內(nèi)釋放出溶液攜帶的可燃氣體C0和H2,減壓塔9出來的氣體經(jīng)過增壓機6 再壓縮后送回吸收塔2。
[0015]所述吸收劑溶液采用Na2C〇3溶液,采用絡(luò)合鐵為催化劑,利用Lo-cat濕法氧化原理 進行硫回收。
[0016] 本發(fā)明的工作原理為:
[0017] 所述吸收劑溶液采用Na2C〇3溶液,使用鐵離子絡(luò)合物液體催化劑,即絡(luò)合鐵 Na2C03-NaHC03體系。在吸收塔內(nèi),H2S溶于水后,電離成HS-和H+,溶液中Na 2C03的加入,使新 溶液呈堿性,增加了溶液對H2S的吸收能力。溶液中的催化劑Fe 3+與HS-發(fā)生氧化還原反應(yīng), 將HS-氧化為單質(zhì)硫,同時鐵離子催化劑Fe3+被還原亞鐵離子Fe 2+。在再生塔內(nèi),由于空氣的 持續(xù)通入,鐵離子催化劑不斷被空氣氧化,將Fe2+氧化為Fe 3+,F(xiàn)e3+持續(xù)將溶液中的HS-氧化 成硫磺單質(zhì),硫磺單質(zhì)是一種固體顆粒,通過分離器過濾從溶液中分離。
[0018]工藝過程中的所有反應(yīng)都可在室溫下發(fā)生而且滿足化學(xué)平衡條件,主要化學(xué)反應(yīng) 如下:
[0019]吸收(氧化)反應(yīng):
[0020] H2S 吸收:H2S(g)+H2〇(l)-H2S(l)
[0021] H2S 電離:H2S(1)4HS-+H+
[0022] HS-氧化:HS-+2Fe3+-S (s)+2Fe2++H+
[0023] 再生(還原)反應(yīng):
[0024] 〇2 吸收:l/2〇2(g)+H2〇(l) - l/2〇2(l)
[0025] Fe2+氧化再生:1/202( l)+2Fe2++H2〇-2Fe3++20H-
[0026] 總反應(yīng):
[0027] H2S(g)+l/2〇2(g)^H2〇(l)+S(s)
[0028] 工作過程為:在合成氣壓力條件下,吸收劑溶液在吸收塔內(nèi)洗滌合成氣并將合成 氣中的H2S吸收,合成氣得到凈化。從吸收塔出來的富液送往減壓塔,通過減壓釋放出溶液 中溶解的⑶和出,釋放出的C0和出再經(jīng)過加壓送回吸收塔,而減壓塔出來的富液送往再生塔 進行再生。再生塔內(nèi)通入空氣,在鐵離子的催化下,HS-被氧化成固體硫磺。攜帶硫磺的再生 液經(jīng)過分離器過濾,固體硫磺被分離處理,溶液送溶液儲槽。由于在生過程中通入了過量的 氧氣,所以溶液中含氧量過高,為了防止在吸收塔內(nèi)洗滌合成氣過程中合成氣中的C0成分 被氧化,增加了除氧步驟。除氧器的工作原理是,利用低壓蒸汽加熱溶液,使溶液溫度達到 常壓狀態(tài)的飽和溫度,溶液中溶解的氧氣被解吸出來并排出。另外,設(shè)置一個回?zé)崞?,使?氧前后的溶液做一次熱交換,以減少低壓加熱蒸汽耗量,達到節(jié)能的目的。
[0029]本發(fā)明有益的效果為:
[0030] 1、本發(fā)明將合成氣常規(guī)濕法脫硫過程中的酸氣分離和硫回收兩個循環(huán)過程合二 為一,使系統(tǒng)設(shè)備大幅減少,降低了設(shè)備投資費用,同時,系統(tǒng)復(fù)雜度的降低也使得運行操 作得到大大簡化。由于不需要使用諸如MDEA、NHD或Selexol等有機溶劑,因此循環(huán)工質(zhì)降解 問題得到大大改善,節(jié)省了工質(zhì)的補充和更新費用。
[0031] 2、采用堿性溶液Na2C〇3洗滌合成氣,循環(huán)溶液的pH值維持在8~9之間,可以對合成 氣中的H 2S進行更有效的吸收和脫除,可以承受合成氣中H2S含量的寬范圍波動。脫硫效率可 達 99.9%。
[0032] 3、溶液及催化劑無毒無害,反應(yīng)速度快,硫回收效率可達99.97%~99.99%,排放 尾氣中的H2s殘留量低于10-6,符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)。
[0033] 3、溶液為無機鹽溶液,不易揮發(fā),不對合成氣造成次生污染,高溫不降解,操作溫 度不敏感,運行控制平穩(wěn)。工藝流程簡單,控制參數(shù)較少,整個系統(tǒng)操作彈性大,設(shè)備運行安 全可靠。
[0034] 4、設(shè)置了溶液減壓環(huán)塔回收高壓溶液中攜帶的可燃氣,使合成氣出和0)損失降到 最低。
[0035] 5、設(shè)置了除氧環(huán)節(jié),減少溶液的含氧量,避免了由于溶液帶氧造成在吸收塔內(nèi)有 C0被氧化。
【附圖說明】
[0036]圖1是本發(fā)明合成氣酸氣分離和硫回收一體化裝置及流程圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合具體實施實例對本發(fā)明的【具體實施方式】進行說明。
[0038] 如圖1所示,本實施方式以本發(fā)明裝置及方法應(yīng)用于IGCC電廠對合成氣進行脫硫 及硫回收來說明。在IGCC電廠,煤首先在氣化爐中完成氣化過程,并生成含有H 2S污染物的 粗合成氣,在把合成氣送入燃氣輪機發(fā)電之前,要先對合成氣進行凈化脫硫。
[0039] 從氣化爐來的合成氣首先經(jīng)過除灰和水洗凈化以后,合成氣中只剩H2S污染物成 分,合成氣壓力3.0MPag,溫度40°C,其中H 2S組分含量,根據(jù)所用煤種確定,約為占總體積的 0.147%。如附圖所示,含硫合成氣1從吸收塔2底部進入,與此同時,再生溶液從吸收塔頂部 進入,再生液與合成氣逆流,在吸收塔內(nèi)完成對合成氣的洗滌過程完,合成氣中的H 2S被溶 液吸收,潔凈的合成氣從吸收塔頂部出來,經(jīng)過循環(huán)水冷卻器3冷卻后,進入分液器4,分離 出合成氣攜帶的溶液。潔凈的合成氣從分液器4頂部送出,分離出的溶液從分液器底部流 出,然后從吸收塔2頂部送入。再生液在吸收塔內(nèi)吸收H 2S以后變成富液匯集在吸收塔2底部 并流出,從吸收塔底部出來的富液由于壓力較高,除了吸收了H2S氣體以外,還溶解了部分 0)和出,為了減少合成氣熱值損失,需要回收這部分0)和出,從吸收塔底部出來的帶壓富液 經(jīng)過減壓閥8降低壓力以后進入減壓塔9。在減壓塔9內(nèi),通過壓力的降低使富液攜帶的出和 C0等可燃氣體釋放出來并從減壓塔9頂部引出,經(jīng)過增壓機6加壓后送回吸收塔2。從減壓塔 底部出來的富液已經(jīng)降至約常壓狀態(tài),減壓塔9底部匯聚的溶液由低壓溶液栗14抽出后送 入再生塔16,再生塔是一個常壓的設(shè)備,利用鼓風(fēng)機向再生塔內(nèi)持續(xù)輸入空氣,鼓風(fēng)機入口 安裝有空氣過濾器,避免雜質(zhì)隨空氣進入再生塔污染溶液。鼓風(fēng)機21將大量空氣鼓入再生 塔16,在催化劑的作用下,再生塔16內(nèi)發(fā)生催化氧化,溶解在溶液中的H 2S被氧化成固體硫 磺,溶液得到再生。再生塔16中多余的空氣從塔頂排出,再生液攜帶泡沫狀硫磺從再生塔16 塔底流出送往分離器17。經(jīng)過分離器17過濾分離,再生液從分離器17底部流出送入溶液儲 槽18,硫磺濾渣20從分離器17上部送出。根據(jù)溶液消耗情況,從溶液儲槽加入補充溶液;由 于從再生塔16中有空氣通入,再生溶液中溶解了部分的氧氣,溶液再次與合成氣接觸時會 造成合成氣中C0的氧化,造成合成氣熱值的損失。因此,再生溶液栗15從溶液儲槽18中抽出 再生液送往除氧器11進行加熱除氧。再生溶液進出除氧器11前后要通過回?zé)崞?0進行換 熱,以回收部分熱能,以減少低壓加熱蒸汽12的流量,節(jié)約能耗。從回?zé)崞?0熱端出口出來 的再生液經(jīng)過高壓溶液栗13加壓后送往吸收塔2,從吸收塔2頂部進入塔內(nèi),重新開始對合 成氣進行脫硫洗滌過程。
[0040] 在該實施實例中,該酸氣分離和硫回收一體化裝置運行的具體參數(shù)由表1給出。
[0041]
[0042]
【主權(quán)項】
1. 一種合成氣酸氣分離和硫回收一體化裝置,其特征在于:包括吸收塔(2),吸收塔(2) 底部接合成氣(1),吸收塔(2)頂部出口接循環(huán)水冷卻器(3),循環(huán)水冷卻器(3)出口接分液 器(4),分液器(4)頂部出口接凈化合成氣(5),分液器(4)底部出口與吸收塔(2)頂部相連; 吸收塔(2)底部富液出口連接減壓閥(8),減壓閥(8)后連接減壓塔(9),減壓塔(9)頂部出口 連接增壓機(6),增壓機(6)出口連接至吸收塔(2)下部入口;減壓塔(9)底部出口連接至低 壓溶液栗(14)入口,低壓溶液栗(14)出口連接至再生塔(16),再生塔(16)底部出口連接至 分離器(17 ),分離器(17)底部出口連接至溶液儲槽(18 ),溶液儲槽(18)底部出口連接至再 生溶液栗(15),再生溶液栗(15)出口連接至回?zé)崞鳎?0)冷端入口,回?zé)崞鳎?0)冷端出口連 接至除氧器(11),除氧器(11)底部出口連接至回?zé)崞鳎?0)熱端入口,回?zé)崞鳎?0)熱端出口 連接至高壓溶液栗(13),高壓溶液栗(13)出口連接至吸收塔(2)頂部入口;空氣過濾器(22) 出口連接至鼓風(fēng)機(21 ),鼓風(fēng)機(21)出口連接至再生塔(16),再生塔(16)頂部出口接放空 氣(23);除氧器(11)頂部入口接低壓加熱蒸汽(12);溶液儲槽(18)接補充溶液(19)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成氣酸氣分離和硫回收一體化裝置,其特征在于:所述再生 塔(16)為常壓設(shè)備。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成氣酸氣分離和硫回收一體化裝置,其特征在于:所述鼓風(fēng) 機(21)入口安裝有空氣過濾器。4. 權(quán)利要求1所述合成氣酸氣分離和硫回收一體化裝置進行酸氣分離和硫回收的一體 化方法,其特征在于:在吸收塔(2)和再生塔(16)之間循環(huán)的工作介質(zhì)為吸收劑溶液,吸收 劑溶液在裝置中進行循環(huán)利用,在吸收塔(2)吸收了H 2S以后的吸收劑溶液稱為富液,在再 生塔(16)進行再生以后的吸收劑溶液稱為再生溶液;含硫合成氣(1)從吸收塔(2)底部進 入,與此同時,再生液從吸收塔(2)頂部進入,再生液與合成氣逆流,在吸收塔(2)內(nèi)完成對 合成氣的洗滌過程,合成氣中的H 2S被再生溶液吸收,潔凈的合成氣從吸收塔(2)頂部出來, 經(jīng)過循環(huán)水冷卻器(3)冷卻后,進入分液器(4),分離出合成氣攜帶的溶液;潔凈的合成氣從 分液器(4)頂部送出,分離出的溶液從分液器(4)底部流出,然后從吸收塔(2)頂部送入;再 生液在吸收塔(2)內(nèi)吸收H 2S以后變成富液匯集在吸收塔(2)底部并流出,經(jīng)過減壓閥(8)降 低壓力以后進入減壓塔(9);在減壓塔(9)內(nèi),通過壓力的降低使富液攜帶的出和⑶可燃氣 體釋放出來并從減壓塔(9)頂部引出,經(jīng)過增壓機(6)加壓后送回吸收塔(2);減壓塔(9)底 部匯聚的溶液由低壓溶液栗(14)抽出后送入再生塔(16),與此同時,鼓風(fēng)機(21)將大量空 氣鼓入再生塔(16),在催化劑的作用下,再生塔(16)內(nèi)發(fā)生催化氧化,溶解在溶液中的H 2S 被氧化成固體硫磺,溶液得到再生;再生塔(16)中多余的空氣從塔頂排出,再生液攜帶泡沫 狀硫磺從再生塔(16)塔底流出送往分離器(17);經(jīng)過分離器(17)過濾分離,再生液從分離 器(17)底部流出送入溶液儲槽(18 ),硫磺濾渣從分離器(17)上部送出;再生溶液栗15從溶 液儲槽(18)中抽出再生液送往除氧器(11)進行加熱除氧。再生溶液進出除氧器(11)前后要 通過回?zé)崞鳎?0)進行換熱,以回收部分熱能,以減少低壓加熱蒸汽(12)的流量,節(jié)約能耗; 從回?zé)崞鳎?0)熱端出口出來的再生液經(jīng)過高壓溶液栗(13)加壓后送往吸收塔(2),從吸收 塔(2)頂部進入塔內(nèi),對合成氣進行洗滌。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于:采用合成氣脫硫和硫回收一體化的流程, 合成氣脫硫和硫回收只用一種吸收劑溶液作為工作介質(zhì),在吸收塔(2)內(nèi)完成溶液對合成 氣中H 2S的吸收,主要在再生塔(16)內(nèi)完成溶液的再生和硫磺的回收。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于:為防止溶液帶氧造成對合成氣中CO的氧 化,再生溶液送去吸收塔(2)洗滌合成氣之前要經(jīng)過除氧器(11)進行除氧,溶液進入除氧器 (11)前后要經(jīng)過回?zé)崞?10)進行換熱。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于:為減少合成氣損失,吸收塔(2)底出來的富 液送去再生塔(16)之前,要先經(jīng)過減壓閥(8)減壓,并在減壓塔(9)內(nèi)釋放出溶液攜帶的可 燃氣體CO和H 2,減壓塔(9)出來的氣體經(jīng)過增壓機(6)再壓縮后送回吸收塔(2)。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于:所述吸收劑溶液采用Na2CO3溶液,采用絡(luò)合 鐵為催化劑,利用Lo-cat濕法氧化原理進行硫回收。
【文檔編號】B01D53/52GK105944561SQ201610428088
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】陳新明, 張波, 史紹平, 閆姝, 穆延非, 許東灝
【申請人】中國華能集團公司, 中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司