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              客觀的調控填料脫硫塔的操作氣速和溶液循環量

                 日期:2018-08-29     來源:東獅脫硫技術協作網微信    瀏覽:69    評論:0    

                多少年來,國內外都十分重視塔設備的科研、設計、使用及革新工作,以適應化工行業迅速發展的迫切需要。近年來,作為脫硫行業,采用的大多是填料塔,因為它具備了生產能力大、分離效率高、操作穩定等特點,然而滿足了以上條件的同時,其缺點也暴露無疑,那就是生產中氣體壓降較大,所需的溶液噴淋密度大,而且堵塔幾率較高,優勢與缺點并存,可謂瑕瑜互見。

                作為填料脫硫塔,內件包括:液體分布器(包括塔頂分布器、段間分布器)、氣體分布器及除沫裝置等。其中的液體分布器至關重要,它的制作與安裝關系到脫硫生產運行的正常與否。大部分企業的液體分布器是根據生產工藝參數精心設計計算而制得的,但其中不少在運行中還是出現了對氣體阻力大、本身容易硫堵等現象,主要原因是沒有充分考慮脫硫液的成份、粘度等因素(當然,分布器安裝的精確度也很重要)。如果把流體力學和脫硫液的實際情況相結合去進行設計,就能確保生產的長周期正常運行。而作為填料層,所需的傳質面積通常是根據傳質系數和吸收過程平均推動力去確定的,而在填料的選型和裝填上大多是充分考慮了脫硫液成份、溫度、粘度等因素的,但仍不可避免的出現阻力上漲過快,堵塔幾率過高,運行周期短,脫硫效率不理想等問題。氣體通過填料層的運行過程是較為復雜的流體力學內容,包括氣體流速、氣體的壓力降、液泛速度、持液量、液體循環量、氣液分布、脫硫效率及它們之間的關系。在此,結合脫硫生產運行中的一些現象簡要討論一下氣速、溶液循環量與填料持液量、氣體壓降及脫硫效率之間的相互關系。

                1 氣體空塔氣速與持液量及壓降的關系

                在溶液循環量不變的情況下,氣體的空塔氣速的改變將影響到填料的持液量及氣體通過填料層的壓力降。具體分以下幾種情況:

                (1) 在較低的氣速下,氣液兩相幾乎沒有相互干擾。填料表面的持液量不隨氣速而變。填料層內滯流液體占據一部分填料層的空隙,使氣體具有較通過干填料層為高的真速度及較大的壓降。

                (2) 氣體流速較大時,氣液兩相之間的相互干擾隨氣速的增大而趨于嚴重。當氣速增大而達到某一點時,填料的持液量不斷增加,而且逐漸積聚起來而占據一部分自由空間,致使氣體流通截面積減小,壓降較前增大。這種現象也叫攔液,而且氣速越大,攔液越嚴重。在生產運行中,有的時候貧、富液槽本來較為穩定的液位突然發生較大的變化,突然升高或降低,或忽高忽低,就經常是因為氣體流量波動大、攔液量在不停變化的緣故。

                (3) 當氣流速度增大至某一界限值,氣體的磨擦阻力已使液體不能向下暢流,填料層頂部積液,此時塔內氣、液兩相間發生了由原來氣相是連續相,液相是分散相的流動,變為液相是連續相,氣相是分散相,即氣體以泡狀通過液體的流動,這種現象稱為液泛,其相應的空塔氣速稱為液泛速度,若氣速繼續增大,壓降則急劇增大,甚至氣流出現脈動,并且氣流大量帶液。生產中,在脫硫塔堵塔嚴重的情況下,經常會出現大量帶液的現象,也是由于此時通過填料層有效空間的氣流速度過大,超過了液泛速度所引起的,這時最好要減量生產,同時進行有效的清塔降阻工作,通常認為,實際操作空速取液泛速度的50%為宜。

                2 氣速與脫硫效率的關系

                我們都知道,氣速的變化影響到脫硫效率,而通常認為氣速越小,脫硫效率會越高,而事實上并非完全如此。因為我們在實踐中發現,有時候雖然脫硫塔出現堵塔現象,此時氣速較前增大,而脫硫效率并沒受影響,更有甚者,脫硫效率還會更好,這說明了兩者之間并不是完全的氣速越小脫硫效率越高的反比關系。

                (1)根據雙膜理論,吸收質必須以分子擴散的方式從氣相主體先后通過氣膜、液膜進入液相主體,盡管氣、液兩膜層都很薄,但兩膜層仍為主要的傳質阻力或擴散阻力所在。在堿液吸收H2S的過程中,傳質阻力主要受氣膜控制。根據流體力學原理,流速越大,則膜的厚度越薄。因此增大氣體的流速,可以減少傳質阻力,加快吸收的速度。這也說明了氣速不宜太低,而且在一定的范圍內,氣速的加大是有利于吸收H2S的。

                (2)如果氣速過高,氣、液兩相界面通常處于不斷更新的過程中,即已形成的界面不斷破滅,而新的界面不斷產生,界面的過快更新對吸收是不利的,從宏觀上說,就是吸收時間過短,脫硫效率受影響。因此,氣速的加大是有一定局限性的,要控制在一定的范圍之內。

                3 溶液循環量與氣體壓降的關系

                溶液循環量的變化會間接或直接的影響到氣體通過填料塔的壓力降,具體分以下兩個方面。

                (1)在脫硫的設計中,溶液的循環量(Q)是由單位時間內H2S的脫除量(G)和脫硫液的工作硫容(S)所確定。

                但是,選擇用填料塔進行吸收操作,還必須要用液氣比,液體噴淋密度來校核該數據。也就是說,所確定的液體循環量,在不小于以上因素所求得的數據的基礎上,同時還必須要滿足液氣比和液體噴淋密度的要求。循環量越大,噴淋密度越高,填料層越不容易積硫。循環量越小,有時容易間接的導致壓差的增大。很多企業,在運行中氣量或氣體中H2S的含量要低于設計值,所以溶液循環量控制較低就可滿足脫硫效率。但此時,脫硫塔的噴淋密度達不到要求,非常容易積硫,壓差很快上漲。所以,生產中減負荷生產時,一般不宜減溶液循環量,可以調整溶液成份,降低生產成本。

                (2)雖然溶液循環量減小能間接導致氣體壓差的增大,但另一方面,溶液循環量的加大也會直接導致氣體壓差的上漲。因為,在氣速不變的情況下,隨著噴淋量的增加,填料層所持有的液量也增加,氣流通道隨液量增加而減小,使氣流通過填料層的壓降亦隨之增加。有些企業,在填料塔堵塔現象較為嚴重時,阻力上漲,氣體帶液嚴重。此時,減小溶液循環量,壓差會立即下降,帶液量也隨即減少。不過,這種做法是非常不可取的,因為這樣會使填料積硫越來越嚴重,使堵塔程度進一步加重。相反在堵塔時,我們要采取加大循環量的辦法來處理,這時會短時間內壓差增大,帶液更為嚴重,但是,隨著填料層積硫被慢慢清除,壓差會逐漸下降。如果加大循環量導致帶液過于嚴重而無法生產的話,也只能減量生產,同時再進行清塔降阻。

                4 客觀的控制脫硫液循環量,才能確保脫硫后H2S不超標

                從整體上說,在一定的限度之內,溶液的循環量越大,脫硫效率會越高。無論是半水煤氣、水煤氣、焦爐煤氣或其它煤氣的常壓脫硫,還是加壓變換氣脫硫,都有相應的最低液氣比要求。但是,并不是所有脫硫系統的液氣比達到最低要求以上即可保證出口H2S不超標;而且在同樣的工藝條件下,有些系統液氣比控制相對較低便可達到脫硫要求,而有些廠家,控制較高的液氣比卻脫硫的效果不十分理想。

                (1)在吸收塔的操作中,全塔物料衡算式如下:

                L為液體循環量;V為氣體流量;Y1及Y2是氣相初始和最終的吸收質濃度;X1、X2是液相出口和入口的吸收質濃度。

                從上式可看出,在氣量(V)和氣體出口含量(Y2)及液相入口濃度(X2)不變的情況下,如果氣相的初始濃度(Y1)增加,只有液體循環量(L)或液相出口濃度(X1)增加才能維持反應過程平衡,而液相出口濃度(X1)的提高不僅有一定的局限性,還會導致負面因素的產生,所以,提高溶液循環量才能最行之有效的使反應過程平衡。也就是說,不同的H2S含量,對液氣比的要求不盡相同。

                (2)吸收速率方程式為:

                G為單位時間內吸收的物質量;KY為傳質系數,F為所需的傳質面積;△Ym為平均傳質推動力。

                傳質系數KG是由氣速、Na2CO3的含量、液氣比所決定的,若以上因素為定值時,傳質系數KG為定值,吸收推動力△Ym也為定值,影響吸收速率的就是傳質面積F。也就是說,傳質面積越大,吸收速率將越快。

                因為在吸收操作中,由于吸收劑從塔頂往下流動時,有徑向集壁的趨向,下流液體并不一定能把填料所有的表面濕潤(只有到了液泛才能達到完全潤濕),未被潤濕的部分,對吸收操作中的物質傳遞自然也起不了作用。因此,在運行中,填料層還要基于潤濕率概念。所謂潤濕率是單位填料周邊長度的液體體積流量(填料層的周邊長度在數值上等于填料的比表面積)

                填料的比表面積越大,須液體噴淋密度也越大,才能保證潤濕率不變,而潤濕率不變,也就是有效傳質面積不變,從而才能確保吸收速率。所以,不同類型、不同規格的填料對噴淋密度的要求也是各不相同。

                總之,作為脫硫塔工作介質的煤氣和脫硫液,其氣速和液體循環量是設計計算和操作運行中的首要因素。對于填料脫硫塔,氣速的大小和溶液循環量的控制更是重中之重,要想達到最佳運行狀態,不是將它們控制在一個較大的指標范圍內即可。為此,填料脫硫塔在設計中常有誤區,操作運行中,也多有顧此失彼之舉。該塔型的廣泛使用雖已證實了其具備眾多塔型所不能及的特點,但不足之處也是有目共睹。如果有更新的技術在填料塔的基礎上進一步揚長避短,進而取而代之,是我們業內人士所期待的。

                社會在進步,科技在發展,由我們長春東獅科貿實業有限公司自主研發的QYD傳質內件用于變換氣脫硫已克服了填料塔的種種弊病,而且集諸多傳統塔內件的優點于一身,在國內已被廣泛使用,預示了目前變換氣脫硫的發展趨勢;而我公司新研究開發的空塔噴淋技術,在半水煤氣、水煤氣、焦爐煤氣及其它尾氣的脫硫中贏得了眾多企業的青睞。目前,從直徑不足2m的小塔徑到直徑達到7m以上的大塔徑,均有設計應用的實例,既應用于新塔設計,也使用于舊塔改造,在使用中表現出來的更多優點值得我們關注。相信在脫硫技術的發展史上,這些新技術都將會是濃墨重彩的一筆。

               
              標簽: 脫硫塔
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